Atmosfer optiği

Atmosfer optiği Dünya atmosferinin kendine özgü optik özelliklerinin nasıl geniş ölçüde optik olgulara yol açtığını inceler. Gökyüzünün mavi rengi, yüksek frekanstaki mavi güneş ışığını gözlemcinin görüş alanına yönlendiren Rayleigh dağılımının direkt bir sonucudur. Mavi ışık kırmızıdan daha kolay dağılıma uğradığı için güneş kalın bir atmosferden gözlendiğinde kırmızı bir ton alır, bu da gündoğumu veya günbatımında olur. Ek olarak gökyüzündeki parçacıklar farklı renkleri farklı açılarda kırarak akşam veya şafak vaktinde rengarenk parlayan bir gökyüzü meydana getirebilir. Haleler, günbatımı parlaklığı, koronalar, güneş ışınları ve yalancı güneşlerin oluşmasında buz kristallerinden ve diğer parçacıklardan saçılım sorumludur. Bu olgulardaki çeşitlilik parçacık boyut ve geometrilerine bağlıdır.

Seraplar, ışık ışınlarının havanın kırıcılık endeksindeki termal çeşitlilik sonucu eğilmesiyle gözlenen bir olgu olup, uzak cisimlerin görüntülerinde yerdeğiştirme ya da bozulma gözlenmesine yol açar. Bununla ilgili diğer optik olguların arasında, güneşin bozulmuş bir şekille beklenenden daha erken doğması veya daha geç batması olan Novaya Zemlya efekti vardır. Sıcaklık değişimi ile Fata Morgana adında, ufuktaki veya daha uzaktaki cisimlerin -ada, kayalık, gemi veya buzdağı gibi- uzamış veya yükselmiş olarak algılanmasıyla görülmeye değer bir kırılma formu oluşur.

Gökkuşağı ışığın yağmur damlacıklarındaki iç yansıması ve kırınımının bir birleşimidir. Gökkuşağı gökyüzünde güneşin zıt tarafında görüldüğü için, güneş ufka yakınken aralarındaki mesafe arttığından daha belirgin olur.

Kitab el-Menazır (1011-1022 A.D.) adlı kitabında, İbn-i Heysem görmenin beyinde olduğunu, kişisel deneyimlerin insanların ne gördüğü ve nasıl gördüğü üzerinde etkisi olduğunu ve görme ile algılamanın öznel olduğunu savunmuştur. İnsanların Güneş ve Ay’ı ufukta iken neden gökyüzünde tepede olduklarından daha büyük gördüklerini açıklayan Ptolemy’nin kırılma teorisine karşı çıkarak, problemi gerçekten ziyade algılanan genişleme olarak yeniden tanımlamıştır. Bir objenin mesafesini tahmin etmenin, obje ile gözlemci arasında müdahale edilmemiş bir cisimler topluluğunun bulunmasına bağlı olduğunu söylemiştir. Fakat Ay için araya giren herhangi bir obje yoktur. Bu yüzden, bir objenin büyüklüğü onun gözlenen uzaklığına dayandığından, ki bu durumda kesin değil, Ay ufukta iken daha büyük gözükür. Roger Bacon, John Pecham ve Witelo’nun, İbn-i Heysem’in açıklamasına dayanan çalışmaları ile, Ptolemy’nin teorisinin 17. yüzyılda reddedilmesi üzerine Ay ilüzyonu bir psikolojik olgu olarak kabul edilmeye başlamıştır.

100 yıldan fazla süredir Ay ilüzyonu üzerine çalışmalar istisnasız insan algısı üzerine çalışmalar yapan psikologlar tarafından yürütülmüştür. 2002’de yayınlanan The Mystery of the Moon Illusion adlı kitaplarında birçok değişik açıklamalara yer veren Ross ve Plug, hiçbir teorinin tek başına zafere ulaşmadığı neticesine varmışlardır.

Gökyüzü neden mavi sorusunu ilk defa Müslüman bilgin El-Kindî (M.796-866) açıklamıştır. Risale fi'l-İlleti'i-Levni'l-Lazeverdi adlı eserinde, gökyüzünün doğal olarak kendiliğinden mavi olmayacağının, engin sular ve denizlerin mavi oluşununu sebebini ve gökyüzünün maviliğinin sebebini, su ve havadaki zerrecikler vasıtasıyla ışık kırılmaları ve akisleri ile açıklamıştır. Bu da, bugünkü bilim ile aynı görüştür. Bugün ise şöyle açıklanmıştır: Mavi renk kısa dalga boylu olduğundan atmosferdeki gazlarla daha çok çarpışarak gökyüzüne dağılmakta ve gökyüzünün mavi görünmesine sebep olmaktadır. Gökyüzünden gelen ışık, güneş ışığının dağılımının sonucudur, ki bu dağılım mavi rengin algılanmasına sebep olur.

Güneşli bir günde Rayleigh saçılımı gökyüzüne mavi bir değişim skalası verir -zirvede koyu, ufukta açık renk. Yukarıdan gelen ışık ufuktan gelen ışığın 1/38 i oranında daha az bir hava kütlesiyle karşılaşır. Bu nedenle zirveden gelen ışını daha az parçacık saçılıma uğratır ve ışık koyu mavi olur. Çok uzak mesafelerden gelen mavi ışık daha çok dağılıma uğradığından mavilik ufuktadır. Bu da, görüş çizgisinde dağılan ışığın mavi tonunun dengelemesiyle uzak ışık kaynaklarının kırmızıya kaymasına neden olur. Başka bir deyişle, kırmızı ışık da dağılıma uğrar; eğer bunu yaparsa gözlemciden çok uzak bir mesafede gözlemciye mavi ışıktan daha çok ulaşma şansına sahiptir. Sonsuza yaklaşan mesafelerde dağılan ışık bu yüzden beyazdır. Çok uzak bulutlar veya karlı dağ zirveleri bu nedenle sarı görünür. Bu etki açık gökyüzünde çok belirgin değildir, fakat bulutlar görüş alanını kapladığında dağılan güneş ışınlarından mavi tonu azalttıkları için daha belirgin olur.

Çok küçük parçacıklardan (molekül büyüklüğünde) saçılma neredeyse rastgeledir. 90 derecelik bir açıda dağılım, yansıyan veya ileri giden dağılımın yarısıdır. Bu ise mavi gökyüzünün neredeyse eşit olarak renklenmesine ve ince bulutların Güneş’in etrafında beyaz bir alan oluşturmasına sebep olur, çünkü bulutları oluşturan büyük parçacıklar sadece küçük açılarda dağılım yaparlar. Yaz boyunca Sahra Çölünden gelen toz subtropikal güney kıyılardan ABD’nin güneydoğusuna ilerler, bu da gökyüzünün maviden beyaz bir görünüme değiştirir ve kırmızı günbatımlarında artışa neden olur. Havadan inen partiküllere sebebiyet verdiği için bu olay hava kalitesini yaz ayları boyunca kötü etkiler.

Gökyüzü özellikle gündoğumu ve günbatımında kırmızı, turuncu, mor ve sarı gibi, ve gece siyah olmak üzere birçok renge dönüşebilir. Dağılımın etkileri aynı zamanda gökyüzünden kısmi olarak, çoğu Güneş’ten 90° olmak üzere ışığı polarize eder.

Uluslararası Aydınlatma Komisyonu tarafından, aydınlanma şemaları tasarımları için gökyüzü parlaklık dağılım modelleri tavsiye edilmiştir. Son gelişmeler açık havadan kapalı havaya değişen hava şartlarında gökyüzü parlaklığı modellemesi için ’tüm gökyüzü modelleri’ ile bağlantılıdır.

Dünya’dan göründüğü haliyle bir bulutun rengi, bulutun içinde neler olup bittiğiyle ilgili bilgi verir. Yoğun troposferik bulutlar görülebilir tayfta yüksek bir yansıtma gösterirler (%70 ila %95). Çok küçük su parçacıkları yoğun bir şekilde paketlenmiştir ve güneş ışığı yansıtılmadan önce buluttan içeri çok fazla giremez, bu da özellikle yukarıdan bakıldığında buluta karakteristik beyaz rengini verir. Bulut damlacıkları ışığı verimli bir şekilde saçmaya meyillidir, bu yüzden solar rasyasyon yoğunluğu gazlarda derine inildikçe azalır. Sonuç olarak, bulutun tabanı bulutun kalınlığına ve gözlemciye ne kadar ışığın geri yansıdığına bağlı olarak açık griden çok koyu griye kadar değişebilir. İnce bulutlar beyaz olarak veya çevrelerinin ya da arkaplanlarının rengini kazanmış gibi görünebilirler. Eğer tamamen buz kristallerinden veya süper soğutulmuş su damlacıklarından oluşuyorsa yüksek troposferik ve troposferik olmayan bulutlar genellikle beyaz görünür.

Bir troposferik bulut büyürken, yoğun su damlacıkları birleşerek daha büyük damlacıklar meydana getirebilir, daha sonra yağmur olarak düşen daha büyük damlacıklar oluşturabilirler. Bu birikme işlemi, damlacıklar arası boşluğun gittikçe artmasına ve ışığın bulut içine daha çok girmesine izin verir. Bulut yeterince geniş ise ve damlacıklar yeterince uzak konumlanmışsa, içeri giren belli bir ışık yüzdesi soğurulmadan önce yansıyamaz. Bunun basit bir örneği yoğun siste değil de yoğun yağmurda daha uzak mesafeleri görebilmemizdir. Bu yansıma/soğrulma işlemi bulutun tonunun beyazdan siyaha kadar değişebilmesinin sebebidir.

Diğer renkler bulutlarda doğal olarak meydana gelir. Mavimsi-gri bulutun içinde ışığın saçılmasının sonucudur. Görünür tayfta, mavi ve yeşil kısa dalgaboyu ucunda, kırmızı ve sarı ise uzun dalgaboyu ucundadır. Kısa dalgaboyundakiler su damlacıkları tarafından daha kolay dağılıma uğratılır, ve uzun olanlar daha ziyade soğurulur. Mavimsi renk buluttaki yağmur damlacıklarının bu saçılımdan sorumlu olduğunun kanıtıdır. Güneş ışığı buz tarafından saçılıyorsa bulut yeşilimsi bir renk alır. Yeşil görünen bir kümülüs bulutu ağır yağmur, dolu, sert rüzgar ve muhtemel bir kasırgaya dönüşebilen şiddetli bir sağanak işaretidir.

Sarımsı bulutlar baharın sonlarında, sonbahar başlangıcında orman yangınları mevsiminde görülür. Sarı renk dumandaki kirletici maddelerin varlığından kaynaklanır. Nitrojen dioksit varlığından kaynaklanan sarımsı bulutlar bazen yüksek hava kirliliği olan kent bölgelerinde görülür.

Kırmızı, turuncu ve pembe bulutlar neredeyse tamamen gündoğumu ve günbatımında görülür ve atmosferin güneş ışınlarını saçmasıyla meydana gelir. Güneş ile ufuk arasındaki açı yüzde 10’dan küçükse - gündoğumundan hemen sonra veya günbatımından hemen önce olduğu gibi- güneş ışığı diğer tonların kırılması yüzünden fazla kırmızı görünür. Bulutlar uzun ve saçılıma uğramamış güneş ışınlarını yansıtırlar ve o rengi alırlar. Bu etki birinin kırmızı bir spotu beyaz bir kağıda tutmasına benzer. Geniş, gelişmiş fırtına bulutları ile bu kan-kırmızısı bulutlar oluşturabilir. Kızılötesi civarında bulutlar daha koyu görünür çünkü su bu dalgaboyunda solar radyasyonu emer.

Hale; (aynı zamanda buz kuşağı olarak da bilinir) buz kristallerinin gözkyüzünde renkli veya beyaz yaylar ve noktalar oluşturmasıyla meydana gelen optik bir olaydır. Çoğu güneş veya ayın yanında diğerleri başka yerde hatta gökyüzünün diğer tarafında olabilir. Aynı zamanda çok soğuk havada, elmas tozu adı verilen buz kristalleri havada ise yapay ışıklar etrafında da oluşabilir.

Buz halelerinin birçok tipi vardır. Üst troposferde, 5 ila 10 km de sirüs bulutlarındaki buz kristalleri tarafından oluşturulurlar. Gözlemlenen halenin tipini kristallerin şekil ve dizilimleri belirler. Buz kristalleri ışığı yansıtır ve kırar, ve kırılan ışık dağılım ile renklere ayrılabilir. Kristaller, yüzeyleri arasında güneş ışığını yansıtarak ve kırarak, belirli yönlerde ışık okları oluşturarak prizma ve ayna görevi görürler. Haleler için tercih edilen açısal uzaklık onları oluşturan buz kristallerinden 22 ve 46 derecedir. Hale gibi atmosferik olaylar, sıcak hava bölgesi ve buna bağlı yağmurun gelişini gösterdiği için hava tahminlerinde deneysel bir araç olarak kullanılagelmiştir.

Yalancı güneşler genellikle yüksek ve soğuk sirüs bulutlarında yassı, altıgen yapılı buz kristalleri tarafından, veya çok soğuk havada alçak seviyede sürüklenen elmas tozu adı verilen buz kristalleri tarafından oluşturulur. McMurdo istasyonundaki bilim insanları sıklıkla yalancı güneş görürler. Bu kristaller prizma gibi davranır, içlerinden geçen ışınları minimum 22 derecelik bir sapma açısıyla bükerler. Eğer kristaller havada çökerken dikey olarak hizalanırsa, güneş ışığı yatay olarak kırınıma uğrar, böylece yalancı güneş görülür. Yalancı güneşler ya güneşin ayna görüntüleri olarak iki yanında, ya da güneşin konumuna yatay hizada kısmi haleler boyunca parlak ışık lekeleri olarak görülebilir.

Güneş yükseldikçe kristallerden geçen ışınlar yatay düzlemden artarak sapar.sapma açıları artar ve yalancı güneşler güneşten daha uzağa ilerler. Yine de, her zaman güneşle aynı yükseklikte kalırlar. Yalancı güneşin gerçek güneşe yakın tarafı kırmızı renktedir. Uzak tarafta renkler mavi ve mora döner. Fakat, renkler önemli ölçüde üst üste biner ve etkileri azalır. Yalancı güneşin renkleri sonunda halenin beyazında birleşir (eğer hale görülüyorsa).

Diğer gezegen ve aylarda yalancı güneşlerin görünecekleri formları tahmin etmek teorik olarak mümkündür. Mars’ta hem su-buz hem de CO2-buz tarafından oluşturulan yalancı güneşler olabilir. Dev gaz gezegenlerinde-Jüpiter, Satürn, Uranüs ve Neptün- diğer kristaller amonyak, metan bulutlarını oluşturarak dört veya daha fazla yalancı güneşli haleler oluşturabilir.

Su damlacıklarının rol aldığı sık görülen bir optik olgu da ayla(hale) dır. Ayla, azizin halesine çok benzer, ışığın kaynağına doğru belirli boyuttaki su damlacıklarından oluşan bir buluttan geri yansıması sonucu (kırınım, yansıma ve sapmanın bir kombinasyonu olarak) gözlemcinin başının etrafında görülen bir optik olaydır. Ayla, dış kısımda kırmızı, iç kısımda mavi-mor olmak üzere çoklu bir halkalar bütünüdür.

5 derece ile 20 derece arasıda değişen açısal uzaklık, damlacıkların büyüklüğüne bağlı olarak, gökkuşağında olduğundan daha küçüktür. Ayla sadece gözlemci güneş ile kırıcı damlacıklar bulutu arasında olduğu zaman görülebilir. Bu yüzden genellkile hava yolculuğu sırasında, hale uçağın bulutlar üzerindeki gölgesinin etrafında olacak şekilde görülür. Ayla aynı zamanda gözlemciden daha alt seviyede bulut veya sis olduğu zaman dağ tepesinden ve uzun binalardan, veya yere sis çöktüğü zaman gözlenebilir. Ayla, anthelion(bulut üzerinde görülen renkli halka) denen optik olguyla alakalıdır.

Gökkuşağı dünya atmosferinde güneş ışığı nem damlacıklarına düştüğü zaman gökyüzünde bir ışık spektrumu oluşturan optik ve meteorolojik bir olgudur. Çokrenkli bir yay formu alır. Güneş ışığından kaynaklanan gökkuşağı her zaman güneşin ters tarafında, yerden 42 dereceden daha yüksek gözlenmeyecek şekilde oluşur. Daha yüksek açılarda görmek için gözlemcinin bir uçakta veya dağ tepesinde olması gerekir çünkü diğer türlü gökkuşağı ufkun altında kalır. Gökkuşağını oluşturan damlacıklar ne kadar büyükse gökkuşağı o kadar parlak olur. Gökkuşağı en çok yaz aylarında öğleden sonra sağanak yağışlar zamanında görülür.

Bir yağmur damlaları dizisinin arka tarafında meydana gelen tek yansıma gökyüzünde 40-42 derecelik büyüklükte, kırmızı renk dış halkada olan bir gökkuşağı yaratır. Çift gökkuşakları mor renk dış halkada olmak üzere, iki iç yansıma sonucu 50.5-54 derecelik bir açısal büyüklükte oluşur. Birincil gökkuşağında (daha alçak ve daha parlaktır) kırmızı renk dış halkada mor renk ise iç halkadadır. Bu gökkuşağı ışığın damlacık içinde bir defa yansıması sonucunda oluşur. Çift gökkuşağında, birinci yayın dış kısmında ikinci bir yay görülebilir, ve renkler ters düzendedir (kırmızı içte, mor dış halkada). Bu ikincil gökkuşağı ışığın damlacık içinde iki kere yansımasıyla meydana gelir. Çift gökkuşağında iki gökkuşağı arasındaki bölge karanlıktır. Bunun sebebi, birincil yayın alt kısmından ikincil yayın ise üst kısmından damlacıktan yansıma ile gelen ışık olduğu halde aradaki bölgede herhangi bir yansıma mekanizması olmamasıdır.

Gökkuşağı devamlı bir renk spektrumunu kapsar; ayrı görülen bantlar insan renk görüşünün bir eseridir, ve siyah- beyaz fotoğraflarda herhangi bir bantlaşma görülmez. İnsan gözüyle görülebilen renkler için, en çok adı geçen sıra, kırmızı, turuncu, sarı, yeşil, mavi, indigo ve mordur. Fakat renk körü olan birisi daha az renk görür.

Serap ışık ışınlarının bükülerek uzak cisimlerin veya gökyüzünün yerdeğiştirmiş bir görüntüsünü verdiği doğal şekilde oluşan bir optik olgudur. Halüsinasyonun aksine, serap kameraya çekilebilen gerçek bir optik olaydır, çünkü ışık ışınları gerçekten de gözlemcinin konumunda yanlış bir görüntü oluşturmak üzere kırılır. Görüntünün ne ifade ettiği ise insan aklının yorumlama kabiliyetine bağlıdır. Örneğin, ufkun alt kısmında görülen görüntüler kolaylıkla küçük su birikintilerine benzetilebilir.

Seraplar ’alt seviye’, ’üst seviye’ ve bir üst seviye serap olan ’Fata Morgana’, sürekli değişen olağandışı muazzam, dikey olarak istiflenmiş görüntüler serisi olarak sınıflandırılabilir.

Yeşil çakmalar ve yeşil ışınlar gündoğumundan hemen önce veya günbatımından hemen sonra meydana gelen, genellikle bir veya iki saniyeden uzun sürmeyen güneşin üzerinde bir yeşil noktanın görüldüğü veya günbatımı noktasından yeşil bir ışının parladığı optik olaylardır. Yeşil çakmalar aslında değişik sebeplerden kaynaklanan bir grup olgudur ve bazıları diğerlerine göre daha yaygındır. Yeşil çakmalar her yükseklikten gözlenebilir, hatta bir uçaktan bile. Genellikle önünde engel bulunmayan bir ufukta, mesela okyanus üzerinde görülür, fakat bulut veya dağ tepesi üzerinde de görülmesi muhtemeldir.

Fata Morgana nadir ve kompleks bir serap formudur, bir üst seviye serabıdır, diğer birçok üst seviye serabı gibi ufkun hemen üstünde dar bir bantta gözlenir. Kaba Latince’den masal kelimesi ve Kral Arthur zamanındaki büyücü Morgan Le Fay için türetilen, sıklıkla Messina Boğazı’nda görülenin perili şatolar olduğu inancından kaynaklanan bir İtalyan terimidir. Fata Morgana terimi bazen diğer daha yaygın serap türleri için yanlış olarak kullanılmasına rağmen, gerçek anlamı sıradan bir üst seviye serabıyla aynı değildir.

Fata Morgana serabı ilgili objeleri korkunç oranda bozar, öyle ki obje genellikle sıra dışı görünür, hatta tamamen tanınamaz bir değişime uğrar. Fata Morgana karada veya denizde, kutup bölgesinde veya çölde görülebilir. Bu tür serap gemi, ada, kıyı şeridi gibi neredeyse her çeşit uzak objeyi içerebilir.

Fata Morgana sadece kompleks değildir, aynı zamanda da sürekli değişir. Bu serap birbiri üstüne binen birçok ters dönmüş ve dikleşmiş görüntüyü ihtiva eder. Fata Morgana serabı aynı zamanda sıkıştırılmış ve uzatılmış bölgeler gösterir.

Durgun havada, daha soğuk ve yoğun bir hava tabakası üzerinde daha ılık hava durabilir, bu da kırıcı bir lens gibi davranarak ters dönmüş ve dikleşmiş görüntüler yaratan bir atmosferik kanal oluşturur. Fata Morgana bir kanalın varlığına ihtiyaç duyar, ısıl dönme bu tür serabı oluşturmak için yeterli değildir. Isıl dönme bir atmosferik kanal olmadan oluşabilirken, atmosferik kanal ısıl dönme meydana gelmeden oluşamaz.

Novaya Zemlya etkisi atmosferik termoklininler arasında güneş ışığının yüksek oranda kırınımı ile oluşan bir kutupsal seraptır. Bu etki güneşin olması gerekenden daha erken doğduğu veya daha geç battığı izlenimini verir. Meteorolojik duruma bağlı olarak bu etki güneşi bir çizgi veya düzleştirilmiş kumsaati şekillerinden oluşmuş bir kare olarak(dikdörtgen güneş de denir) gösterir. Bu serap güneş ışınlarının yüzlerce kilometrelik bir dönme tabakasına sahip olmasını gerektirir ve bu tabakanın sıcaklık irtifasına bağlıdır. Güneş diskinin görülmesi için 5 derecelik bir yükselmeyi sağlamak adına güneş ışığı Dünya eğriliğinde en az 400 kilometre eğilmek zorundadır.

Olguyu kayıt eden ilk insan Willem Barents'ın kutup bölgesine kötü kaderli üçüncü keşif yolculuğunun bir üyesi olan Gerrit de Veer’dı. De Veer’ın olguyu ilk gözlediği takımada olan Novaya Zemlya bu efekte ismini vermiştir.

Alacakaranlık ışınları Dünya atmosferinde neredeyse paralel olarak yol alan güneş ışınlarıdır, fakat lineer perspektif yüzünden birbirinden uzaklaşıyor gibi görünür. Genellikle dağ zirveleri veya bulutlar kısmen güneş ışınlarını gölgelediği zaman oluşurlar. Çeşitli hava bileşenleri, sapma, yansıma ve dağılmaya bağlı olarak güneş ışığını dağıtarak bu ışınları görünür hale getirirler.

Alacakaranlık ışınları buz tabakaları veya çatlaklarından ortaya çıkarak ara sıra su altında, arktik bölgelerde görülebilir. Aynı zamanda güneşin bulutlara mükemmel bir açıyla çarpıp bölgeyi aydınlattığı günlerde de görülebilir.