Zajímavé pokusy z atmosférické optiky

Jan Hosnedl

V současné době je velmi malý zájem o studium fyziky a dalších přírodních věd. S rozvojem poznání se do učebnic dostává stále více a více nové látky, zatímco hodinová dotace výuky zůstává stejná nebo se snižuje. Ve fyzice přibývá teoretických poznatků, které jsou pro studenty málo přitažlivé. Proč neukázat, že i fyzika může být zábavná a zajímavá? Studenty je potřeba zaujmout zajímavými partiemi, jako je např. astronomie nebo i atmosférická optika. Zmíní-li se učitel o duze, fatamorgáně (a i některých dalších optických jevech), získá okamžitě pozornost a zájem naprosté většiny studentů.

Touto problematikou jsem se zabýval ve své diplomové práci pod vedením RNDr. Jitky Prokšové a některé z námětů na demonstraci optických jevů v atmosféře chci uvést ve svém následujícím příspěvku.

Pokus 1: Astronomická a terestrická refrakce a jevy, které způsobují (demonstrační pokus)

Potřeby: Skleněné akvárium (asi 30x50x35 cm); kbelík (8 l); 0,5 kg soli; gumová hadička (dlouhá asi 1 m); tyčka na míchání; laser (např. laserové ukazovátko); intenzivní zdroj bílého světla (např. diapromítačka); clonka se štěrbinou o proměnné šířce; stínítko; izolepa; na papíru: nápis OPTIKA (asi 3x15 cm), nakreslená lodička (asi 3x5 cm), kresba nebo fotografie pohoří (asi 3x15 cm), červený kruh („sluneční kotouč“) o průměru asi 5 cm, černá čtvrtka (A5) s otvory nebo nalepenými bílými body („hvězdná obloha“), čtvrtka zastřižená do tvaru připomínajícího zakulacený povrch Země.

Příprava pokusu: V osmilitrovém kbelíku rozpustíme ve vodě asi 0,5 kg soli. Do akvária nalijeme vodu do výše 15 cm. Abychom napodobili prostředí atmosféry, kde hustota vzduchu klesá s výškou, opatrně přepustíme hadičkou koncentrovaný vodný roztok NaCl z kbelíku (viz foto 1) na dno akvária (pod sloupec vody). Po uklidnění difunduje solný roztok do horních vrstev čisté vody a naopak, takže hustota směrem vzhůru spojitě klesá.

Pokus 1a) Astronomická a terestrická refrakce – Zakřivení trajektorie světelných paprsků v atmosféře

Při zatemnění necháme pronikat úzký svazek paprsků laseru (představující světlo hvězdy) téměř rovnoběžně s hladinou (mírně šikmo dolů) do roztoku. Svazek paprsků prochází prostředím, kde se mění hustota. Postupuje-li směrem do hustších vrstev, láme se stále více ke kolmici a zakřivuje svoji trajektorii. Protože lidské oko vnímá předměty ve směru dopadu paprsků, pozoruje hvězdy o něco výše, než ve skutečnosti jsou. Budeme-li laserem pohybovat směrem nad akvárium (tak aby paprsky stále procházely roztokem), bude se zakřivení paprsků zmenšovat. V případě, že paprsek bude dopadat kolmo na hladinu, k zakřivení trajektorie nedojde. Z toho je zřejmé, jak refrakce závisí na výšce těles nad obzorem.

Pokus 1b) Jevy podmíněné astronomickou refrakcí – Prodloužení trvání dne

Tento jev můžeme demonstrovat, připevníme-li izolepou na přední stěnu akvária čtvrtku (viz obr. 1), která představuje část povrchu Země. Paprsky Slunce (laseru) dopadají na místo „pozorovatele“ P, když už je Slunce (laser) pod rovinou geometrického obzoru.

Poznámka: Ve skutečnosti je zakřivení paprsků v atmosféře výraznější, protože jednotlivé vrstvy atmosféry s přibližně stejnou hustotou jsou vzhledem ke tvaru Země kulové a ne rovinné vrstvy.

Pokus 1c) Jevy podmíněné astronomickou refrakcí – Změna tvaru slunečního (měsíčního) kotouče u obzoru

Červeným kruhem (představujícím sluneční kotouč) o poloměru asi 5 cm budeme posouvat po zadní stěně akvária směrem dolů. Je možné pozorovat, jak se tento kotouč (foto 2a)) při posunutí za hustší vrstvy roztoku v akváriu (jako v případě atmosféry u obzoru) bude postupně zplošťovat (viz foto 2b)). Je zřetelně vidět, že spodní část kotouče je zploštělá více (refrakce s klesající výškou nad obzorem roste).

Poznámka: Pro větší efekt můžeme vystřihnutý červený kotouč připevnit na promítací objektiv diapromítačky (při zatemnění místnosti).

Pokus 1d) Jevy podmíněné astronomickou refrakcí – Zelený paprsek

Necháme-li procházet roztokem při zatemnění úzký svazek bílého světla jako při demonstraci astronomické a terestrické refrakce v pokusu 1a), můžeme zachytit na stínítku barevné spektrum. Bílé světlo se při průchodu nehomogenním prostředím rozkládá na své spektrální složky. Nejvýše je světlo červené, nejníže fialové. Proč je poslední záblesk zelený, je vysvětleno např. v [1], [2].

Pokus 1e) (upravený podle [3]) Jevy vyvolané terestrickou refrakcí – Demonstrace chodu paprsků atmosférou v případě svrchního (spodního) zrcadlení

Necháme-li procházet při zatemnění laserový paprsek roztokem mírně šikmo vzhůru, světelný paprsek přichází do vrstev se stále menší hustotou a láme se více a více od kolmice. Je-li pokles hustoty velký, dojde na určité vrstvě k totálnímu odrazu paprsku a ten se potom bude stále více lámat ke kolmici do hustších vrstev. Pozorovatel v místě P pozoruje zdroj paprsků ve směru dopadajících paprsků a vidí jej i v případě, že je mezi ním a zdrojem nějaká překážka (viz např. v obr. 2 paprsek 1).

V případě spodního zrcadlení je situace zcela analogická pouze s tím rozdílem, že hustota s výškou roste.

Pokus 1f) Jevy vyvolané terestrickou refrakcí – Svrchní (spodní) zrcadlení

Umístíme-li za akvárium na stěnu místo laseru v pokusu 1e) nápis OPTIKA, můžeme spatřit tento nápis třikrát, viz foto 3. Nejníže vzpřímený nápis, který vidíme pomocí paprsků, jež nezakřivují příliš trajektorii (šíří se vrstvami o relativně stálém indexu lomu). Jednou nápis vidíme vzhůru nohama, protože vznikl zrcadlením, při kterém paprsky zakřivují svoji trajektorii jako v pokusu 1e). Nejvýše vidíme vzpřímený nápis, který vzniká pomocí paprsků, jež zakřivily svoji trajektorii jako v pokusu 1a) (nedošlo k totálnímu odrazu, a proto je obraz vzpřímený). Chod paprsků (v případě lodičky) je znázorněn na obr. 2. Na foto 3 a) a b) je vidět, jak zrcadlení závisí na rozložení hustoty (budeme-li se dívat na nápis za akváriem z různých úhlů).

Umístíme-li za akvárium kresbu lodičky (foto 4a)) a budeme-li ji posouvat, vidíme, že se různě deformuje (foto 4 b)). Skutečná lodička může být i za obzorem (zakryjeme-li spodní část obrazu), a my přesto vidíme její obraz (nebo jeho části). Tyto obrazy se mohou různě skládat a díky různému rozložení hustoty vzduchu i zvětšovat a mohou vypadat značně fantasticky. Nemusíme někdy ani rozeznat, jaký předmět se zrcadlí.

Mezi námořníky kolují po staletí různé mýty a legendy. Např. loď tzv. „Bludného Holanďana“ hledajícího ztracenou lásku. Snadno se mohlo jednat o deformovaný obraz vzdálené lodi skryté za obzorem.

Díky zvětšení pomocí zrcadlení se může stát z nevinného mořského živočicha částečně vynořeného z vody (třeba lachtana) obrovská příšera moří. I v dnešní době může svrchní zrcadlení klamat. Jistě by se pomocí něj dalo vysvětlit mnoho případů UFO.

Pokus 1g) Jevy vyvolané terestrickou (astronomickou) refrakcí – Mihotání vzdálených zdrojů světla (např. hvězd)

Umístíme-li za akvárium černou čtvrtku se světlými body (hvězdnou oblohu), můžeme si ukázat tzv. mihotání hvězd, ke kterému dochází nejvíce u obzoru. Rozvlníme-li mírně roztok soli na dně akvária a budeme-li sledovat skrz akvárium „hvězdnou oblohu“, zjistíme, že se „hvězdy“ pohybují, vlní, přeskakují – tzv. mihotají. Je to způsobené změnami indexu lomu v důsledku promíchávání vzduchu (zvláště výrazné je např. nad komíny apod.).

Pokus 1h) Jevy vyvolané terestrickou refrakcí – Zvednutí obzoru

Uklidní-li se roztok po rozvlnění v pokusu 1g), ale nebude-li již díky tomuto promíchání takový pokles hustoty s výškou, že by docházelo k zrcadlení, můžeme si ukázat zvednutí obzoru.

Díky zakřivení trajektorie paprsků (jako v pokusu 1a)) vidíme i poněkud za geometrický obzor a např. pozorované pohoří (umístíme-li fotografii pohoří za roztok v akváriu foto 5a)) se nám zdá vyšší, než ve skutečnosti je (viz foto 5b))

Pokus 2: Vznik hlavní a vedlejší duhy, určení příslušných úhlů dopadu, lomu a odchylky paprsků (frontální experiment)

Potřeby (pro každou skupinu):

Kádinka o průměru asi 7 cm; polystyrenová deska (40x29x3 cm); 2 stínítka; zdroj světla (6,5 V); clonka; fixy; papír; pravítko; úhloměr; špendlíky; nůžky; nůž.

Příprava pokusu: Z polystyrenové desky D vyřízneme obdélník o rozměrech asi 9x20 cm abychom ji upravili do vhodného tvaru, viz obr. 3. Dále do ní vydlabeme díru hlubokou asi 1 cm tak, aby se do ní dala postavit kádinka. Je nutné, aby skleněné dno kádinky bylo pod úrovní desky D (světelné paprsky, jejichž stopy budou viditelné na desce D, by se neměly lámat na skleněném dnu kádinky).

Na tuto desku D přišpendlíme papír stejných rozměrů s vystřiženým otvorem pro kádinku.

Pokus: Kádinka naplněná vodou představuje vodní kapku, na níž můžeme ukázat vznik duhy.

Postup (návod pro žáky):

1) Naplňte kádinku vodou, postavte ji do připraveného otvoru. Umístěte zdroj světla do polohy 1 (viz obr. 3), zhasněte a nechte dopadat úzký svazek paprsků (použijte clonku) na kádinku tak, aby byla zřetelná světelná stopa paprsku na desce D (pokryté papírem).

Pohybujte zdrojem tak dlouho, až na stínítku 1 zachytíte spektrum barev. Na papíru si označte chod paprsků před vstupem do kapky i po průchodu kapkou (pro barvu červenou, modrou a žlutozelenou)

Zapište si, která barva se od původního směru odchyluje nejvíce a která nejméně. Naznačte do papíru místo dopadů a odrazů paprsku v kapce (na stěně kádinky jsou vidět světlé pruhy).

2) Rozsviťte, sejměte papír, přiložte do papíru vystřižený kruh (pod kádinkou) a dokreslete chod paprsků pomocí pravítka (po průchodu kapkou pro modrou, žlutozelenou (zelenou) a červenou barvu).

Pomocí úhloměru změřte odchylku paprsků d (minimální odchylka), úhel dopadu a a úhel lomu b.

3) Dokreslený papír i s vystřiženým kruhem umístěte ještě jednou na desku D, zhasněte a ověřte správnost zakresleného výsledku. Výsledné změřené hodnoty úhlů srovnejte s teoretickými hodnotami (viz např. [1], nebo [2]).

4) Zdroj umístěte do polohy 2 a celý postup 1–3 zopakujte pro vedlejší duhu (zachytíte ji na stínítku 2).

Vysvětlete, proč budou barvy u vedlejší duhy méně výrazné.

Pokus 3: Hlavní a vedlejší duha reálně (demonstrační pokus)

Potřeby: Zahradní hadice připojená ke zdroji vody; Slunce jako zdroj světla.

Pokus: Za slunečného počasí můžeme studentům ukázat duhu reálně, např. na dvoře školy. Stoupneme-li si ke Slunci zády a budeme-li rozprašovat vodu vytékající pod tlakem z hadice (např. prstem), uvidíme hlavní (popřípadě i vedlejší) duhu vznikající na rozprášených kapkách vody. Podobně vzniká duha např. na vodní tříšti vodopádů nebo na vodotrysku.

Závěrem:

Pro zájemce s bližším seznámením s tímto příspěvkem odkazuji na svoji diplomovou práci [2], kterou je možné nalézt na internetu na domovských stránkách KOF FPE ZČU. Daná práce obsahuje teoretický rozbor optických jevů v atmosféře a kromě pokusů je v ní obsažen i soubor řešených příkladů s touto tématikou. Naleznete zde také množství fotografií optických jevů v atmosféře (kromě duhy a zrcadlení také např. fotografie soumrakových a halových jevů) a také barevné fotografie pokusů, které nebylo možné z technických důvodů v tomto sborníku uveřejnit.

Literatura:

[1] Bednář, J.: Pozoruhodné jevy v atmosféře. Academia, Praha 1989

[2] Hosnedl, J.: Diplomová práce – Zajímavé příklady z atmosférické optiky doplněné pokusy. KOF FPE ZČU, Plzeň 1999, internetová adresa: http://www.pef.zcu.cz/pef/kof

[3] Pilát, V.: Pokusy z optiky. SPN, Praha 1965