Մթնոլորտային օպտիկա

Մթնոլորտային օպտիկա, կամ օդերևութաբանական օպտիկա, «մթնոլորտի կամ մթնոլորտային պրոցեսների օպտիկական բնութագրերի ուսումնասիրությունն է… [ներառյալ] ջերմային և տարածական լուծույթները, որոնք անզեն աչքով նկատելի են»։ Օդերեւութաբանական օպտիկան «մթնոլորտային օպտիկայի այն մասն է, որը զբաղվում է անզեն աչքով դիտվող օրինաչափությունների ուսումնասիրությամբ»։ Այնուամենայնիվ, երկու տերմինները երբեմն օգտագործվում են որպես փոխադարձաբար փոխարինելի։

Օդերեւութաբանական օպտիկական երևույթները Երկրի մթնոլորտի օպտիկական հատկություններն ընդգրկում են օպտիկական երևույթների լայն շրջանակ և տեսողական ընկալման երևույթներ։

Օդերեւութաբանական երևույթների օրինակներ են.

 Երկնքի կապույտ գույնը։ Սա Ռելեյի ցրումից է, որն ավելի բարձր հաճախության / ավելի կարճ ալիքի երկարության (կապույտ) արևի լույսը վերաուղղորդում է դիտորդի տեսադաշտ։
 Արեգակի կարմրավուն գույնը, երբ այն դիտվում է թանձր մթնոլորտի միջով, ինչպես արևածագի կամ մայրամուտի ժամանակ։ Դա պայմանավորված է նրանով, որ կարմիր լույսն ավելի քիչ է ցրվում է, քան կապույտ լույսը։ Կարմիր լույսը հասնում է դիտորդի աչքին, մինչդեռ կապույտ լույսը ցրվում է տեսադաշտից դուրս։
 Երկնքի այլ գույներ, օրինակ՝ շողացող երկինքը մթնշաղին և լուսաբացին։ Սրանք երկնքում գտնվող լրացուցիչ մասնիկներից են, որոնք տարբեր անկյուններով ցրում են տարբեր գույներ։
 Հալոներ, վերջալույսեր, պսակներ և կեղծ արևներ։ Սրանք սառույցի բյուրեղների և մթնոլորտի այլ մասնիկների ցրման կամ բեկման հետևանք են։ Դրանք կախված են տարբեր մասնիկների չափերից և երկրաչափություններից։
 Միրաժներ։ Սրանք օպտիկական երևույթներ են, որոնցում լույսի ճառագայթները թեքվում են օդի բեկման ցուցիչի ջերմային տատանումների պատճառով՝ առաջացնելով հեռավոր առարկաների տեղաշարժված կամ խիստ աղավաղված պատկերներ։ Սրա հետ կապված այլ օպտիկական երևույթները ներառում են Նովայա Զեմլյա էֆեկտը, որտեղ Արևը կարծես թե ավելի շուտ է ծագում կամ մայր մտնում, քան կանխատեսվում էր, աղավաղված ձևով։ Ռեֆրակցիայի տպավորիչ ձևը, որը կոչվում է Ֆատա Մորգանա, տեղի է ունենում ջերմաստիճանի ինվերսիայի դեպքում, երբ հորիզոնում կամ նույնիսկ հորիզոնից այն կողմ գտնվող առարկաները (օրինակ՝ կղզիները, ժայռերը, նավերը և սառցաբեկորները) ձգված և բարձրացած են երևում, ինչպես «հեքիաթային ամրոցները»։ .
 Ծիածաններ։ Դրանք առաջանում են անձրևի կաթիլներում լույսի ներքին արտացոլման և դիսպերսիոն բեկման համակցության արդյունքում։ Քանի որ ծիածանները երևում են արևից երկնքի հակառակ կողմում, ծիածանն ավելի տեսանելի է, որքան արևը մոտ է հորիզոնին։ Օրինակ, եթե արևը գլխավերևում է, ցանկացած հնարավոր ծիածանը հայտնվում է դիտորդի ոտքերի մոտ, ինչը դժվարացնում է այն տեսնելը, և շատ քիչ անձրևի կաթիլներ են պարունակվում դիտորդի աչքերի և գետնի միջև, ինչը ցանկացած ծիածան դարձնում է շատ նոսր։

Այլ երևույթներ, որոնք ուշագրավ են, քանի որ դրանք տեսողական պատրանքների ձևեր են, որոնք ներառում են.

 մթնշաղային ճառագայթներ
 հակամթնշաղային ճառագայթներ
 երկնային օբյեկտների տեսանելի չափերը, ինչպիսիք են Արևը և Լուսինը։

Պատմություն 
Տասնվեցերորդ դարում լույս է տեսել օդերևութաբանական օպտիկայի մասին գիրք, սակայն մոտ 1950 թվականից ի վեր այդ թեմայով բազմաթիվ գրքեր են եղել։ Թեման հանրաճանաչ է դարձել Մարսել Մինաերտի «Լույսը և գույնը բաց երկնքի տակ» գրքի լայն տարածմամբ, 1954 թվականին։

Հորիզոնի մոտ Արեգակի և Լուսնի չափերի պատրանք 

«Օպտիկայի գիրք» (մ.թ. 1011-1022) տրակտատում Իբն ալ-Հայթամը պնդել է, որ տեսողական խաբկանքը տեղի է ունենում մարդու ուղեղում, և որ անձնական փորձն ազդում է այն բանի վրա, թե մարդիկ ինչ են տեսնում և ինչպես են տեսնում, և որ մտապատկերն ու ընկալումը սուբյեկտիվ են։ Հակադրվելով Պտղոմեոսի բեկման տեսությանը, թե ինչու են մարդիկ Արեգակն ու Լուսինն ավելի մեծ տեսնում հորիզոնում, քան երբ դրանք երկնքում ավելի բարձր դիքում են, նա խնդիրը վերասահմանում է ընկալման, այլ ոչ թե իրական մեծացման տեսանկյունից։ Նա ասում է, որ օբյեկտի հեռավորությունը գնահատելը կախված է օբյեկտի և դիտորդի միջև գոյություն ունեցող միջանկյալ մարմինների անընդհատ հաջորդականությունից։ Լուսնի հետ, սակայն, չկան միջանկյալ օբյեկտներ։ 

Հետևաբար, քանի որ օբյեկտի չափը կախված է նրա դիտարկված հեռավորությունից, որն այս դեպքում ճշգրիտ չէ, Լուսինը հորիզոնում ավելի մեծ է երևում։ Ռոջեր Բեկոնի, Ջոն Պեխամի և Վիտելոյի աշխատությունների միջոցով, որոնք հիմնված են Իբն ալ-Հայթամի բացատրության վրա, Լուսնի պատրանքն աստիճանաբար ընդունվել է որպես հոգեբանական երևույթ, իսկ Պտղոմեոսի տեսությունը մերժվել է 17-րդ դարում։ Ավելի քան 100 տարի Լուսնի պատրանքի վերաբերյալ հետազոտություններն իրականացրել են տեսողության գիտնականները, ովքեր մշտապես եղել են հոգեբաններ, որոնք մասնագիտացած են եղել մարդու ընկալման մեջ։ Վերանայելով 2002 թվականի իրենց «Լուսնի պատրանքի առեղծվածը» գրքի բազմաթիվ տարբեր բացատրությունները՝ Ռոսն ու Փլագն եզրակացրել են, որ «Ոչ մի տեսություն հաղթանակով չի պսակվել»։

Երկնքի գունավորում 

Երկնքից եկող լույսը Արևի լույսի Ռեյլի ցրման արդյունք է, որի արդյունքում մարդու աչքով ընկալվում է կապույտ գույն։ Արևոտ օրը Ռեյլի ցրումը երկնքին տալիս է կապույտ գրադիենտ, որտեղ ամենամութն է զենիթում, իսկ լուսավոր՝ հորիզոնի մոտ։ Վերևից եկող լույսի ճառագայթները հանդիպում են օդի զանգվածի -ին, քան նրանք, որոնք գալիս են հորիզոնական ճանապարհով։ Հետևաբար, ավելի քիչ մասնիկներ են ցրում արևի զենիթալ ճառագայթը, և այդպիսով լույսը մնում է ավելի մուգ կապույտ։ Կապույտությունը հորիզոնում է, քանի որ մեծ հեռավորություններից եկող կապույտ լույսը նույնպես գերադասելիորեն ցրված է։ Սա հանգեցնում է լույսի հեռու աղբյուրներից կարմիր լույսի շեղմանը, որը կոմպենսացվում է տեսադաշտում ցրված լույսի կապույտ երանգով։ Այլ կերպ ասած, կարմիր լույսը նույնպես ցրվում է, այսինքն, եթե այն դիտորդից մեծ հեռավորության վրա է, ապա դիտորդին հասնելու շատ ավելի մեծ հնարավորություն ունի, քան կապույտ լույսը։ Հետևաբար, անսահմանությանը մոտ գտնվող հեռավորությունների վրա ցրված լույսը սպիտակ է։ Այդ պատճառով են հեռավոր ամպերը կամ ձնառատ լեռների գագաթները դեղին թվում. այդ ազդեցությունն ակնհայտ չէ պարզ օրերին, բայց շատ ակնառու է, երբ ամպերը ծածկում են տեսողության գիծը՝ նվազեցնելով արևից ցրված կապույտ երանգը։

Մոլեկուլային չափեր պատճառով մասնիկների ցրումն (ինչպես օդում) ավելի մեծ է դեպի առաջ և հետ ուղղություններով, քան կողային ուղղություններով։ Սպիտակ լույսի ազդեցության տակ գտնվող ջրի առանձին կաթիլները ստեղծում են գունավոր օղակների խումբ։ Եթե ամպը բավականաչափ խիտ է, ջրի բազմաթիվ մանր կաթիլներից կցրվեն գունավոր օղակները և կառաջանա գունազրկված սպիտակ գույն։ 

Սահարայի փոշին շարժվում է մերձարևադարձային լեռնաշղթայի հարավային ծայրամասով ամառվա ընթացքում շարժվում դեպի ԱՄՆ հարավ-արևելք, ինչից երկնքի գույնը կապույտից փոխվում է սպիտակի և հանգեցնում է կարմիր մայրամուտների ավելացման։ Դրա առկայությունը բացասաբար է անդրադառնում օդի որակի վրա ամառվա ընթացքում, քանի որ այն ավելացնում է օդում կախված մասնիկների քանակը։

Երկինքը կարող է գունավորվել բազմաթիվ գույներով, ինչպիսիք են կարմիր, նարնջագույն, վարդագույն և դեղին (հատկապես մայրամուտի կամ արևածագի մոտ) և գիշերը՝ սև գույն։ Ցրման էֆեկտները նաև մասամբ բևեռացնում են երկնքի լույսը, որն առավել արտահայտված է արևից 90° անկյան տակ։

Երկնքի պայծառության բաշխման մոդելներն առաջարկվել են Լուսավորման միջազգային հանձնաժողովի (CIE) կողմից ցերեկային լուսավորության սխեմաների նախագծման համար։ Վերջին զարգացումները վերաբերում են «երկնքի բոլոր մոդելներին»՝ եղանակային պայմաններում երկնքի պայծառությունը մոդելավորելու համար՝ սկսած պարզ երկնքից մինչև ամպամած։

Ամպի գունավորում 

Ամպի գույնը, ինչպես երևում է Երկրից, շատ բան է պատմում այն մասին, թե ինչ է կատարվում ամպի ներսում։ Խիտ խորը տրոպոսֆերային ամպերը ցուցադրում են բարձր անդրադարձում (70% -ից 95%) տեսանելի սպեկտրում։ Ջրի մանր մասնիկների խտությունից արևի լույսը չի կարող թափանցել ամպի մեջ մինչև այն արտացոլվելը, ինչն ամպին տալիս է իր բնորոշ սպիտակ գույնը, հատկապես, երբ դիտվում է վերևից։ Ամպի կաթիլները հակված են արդյունավետորեն ցրելու լույսը, այնպես որ արեգակնային ճառագայթման ինտենսիվությունը նվազում է գազերի խորության հետ։ Արդյունքում, ամպի հիմքը կարող է տատանվել շատ բացից մինչև շատ մուգ մոխրագույն՝ կախված ամպի խտությունից և այն բանից, թե որքան լույս է արտացոլվում կամ փոխանցվում դիտորդին։ Բարակ ամպերը կարող են սպիտակ տեսք ունենալ կամ թվալ, թե ձեռք են բերել իրենց միջավայրի կամ ֆոնի գույնը։ Բարձր տրոպոսֆերային և ոչ տրոպոսֆերային ամպերը հիմնականում սպիտակ են թվում, եթե ամբողջությամբ կազմված են սառցե բյուրեղներից և/կամ գերսառած ջրի կաթիլներից։

Երբ տրոպոսֆերային ամպը հասունանում է, ջրի խիտ կաթիլները կարող են միավորվել՝ առաջացնելով ավելի մեծ կաթիլներ, որոնք կարող են միավորվել՝ կազմելով այնքան մեծ կաթիլներ, որոնք կարող են անձրևի տեսքով ընկնել։ Կուտակման այս գործընթացով կաթիլների միջև տարածությունն ավելի ու ավելի մեծ է դառնում, ինչը թույլ է տալիս լույսին ավելի հեռու թափանցել ամպի մեջ։ Եթե ամպը բավականաչափ մեծ է, և ներսի կաթիլները բավականաչափ հեռու են միմյանցից, կարող է պատահել, որ ամպ մտնող լույսի մի տոկոսը հետ չի արտացոլվում մինչև այն կլանվելը։ Դրա պարզ օրինակը հորդառատ անձրևի ժամանակ ավելի հեռուն տեսնելն է, քան թանձր մառախուղում։ Արտացոլման/կլանման այս պրոցեսն այն է, ինչն առաջացնում է ամպի գույնի տիրույթ՝ սպիտակից մինչև սև։

Այլ գույներ էլ են բնականաբար հայտնվում ամպերի մեջ։ Կապտավուն մոխրագույնը լույսի ցրման արդյունք է ամպի ներսում։ Տեսանելի սպեկտրում կապույտը և կանաչը գտնվում են լույսի տեսանելի կարճ ալիքի երկարության վերջում, իսկ կարմիրն ու դեղինը երկարի վերջում։ Կարճ ճառագայթներն ավելի հեշտությամբ են ցրվում ջրի կաթիլներից, իսկ երկար ճառագայթներն ավելի հեշտությամբ կլանվում։ Կապտավուն գույնը վկայում է այն մասին, որ նման ցրումն առաջանում է ամպի մեջ անձրևի չափի կաթիլների միջոցով։ Կանաչ գունավորում ունեցող կույտային-անձրևային ամպերը սաստիկ ամպրոպի նշան է, որն ընդունակ է հորդառատ անձրև, կարկուտ, ուժեղ քամիներ և հնարավոր տորնադոներ առաջացնել։ 

Կանաչ ամպրոպների ճշգրիտ պատճառը դեռևս անհայտ է, բայց դա կարող է պայմանավորված լինել կարմրած արևի լույսի համակցությամբ, որն անցնում է օպտիկականորեն հաստ ամպերի միջով։ Դեղնավուն ամպեր կարող են առաջանալ գարնան վերջից մինչև աշնան սկզբի ամիսներին անտառային հրդեհների սեզոնի ընթացքում։ Դեղին գույնը պայմանավորված է ծխի մեջ աղտոտող նյութերի առկայությամբ։ Դեղնավուն ամպեր, որոնք առաջանում են ազոտի երկօքսիդի առկայությունից, երբեմն նկատվում են օդի աղտոտվածության բարձր մակարդակ ունեցող քաղաքային վայրերում։

Կարմիր, նարնջագույն և վարդագույն ամպերը գրեթե ամբողջությամբ առաջանում են արևածագի և մայրամուտի ժամանակ և մթնոլորտի կողմից արևի լույսի ցրման արդյունք են։ Երբ արևի և հորիզոնի միջև անկյունը 10 տոկոսից պակաս է, ինչպես արևածագից անմիջապես հետո կամ մայրամուտից անմիջապես առաջ, արևի լույսը բեկման պատճառով դառնում է այնքան կարմիր, որ դրանից բացի մյուս երանգները չեն երևում։ 

Ամպերն այդ գույնի չեն. դրանք արտացոլում են արևի երկար ու չցրված ճառագայթները, որոնք գերակշռում են այդ ժամերին։ Էֆեկտը շատ նման է սպիտակ թուղթը կարմիր լույսով լուսավորելուն։ Խոշոր, հասուն ամպրոպների հետ միասին դա կարող է արնագույն կարմիր ամպեր առաջացնել։ Ինֆրակարմիրին մոտ դիապազոնում ամպերն ավելի մուգ տեսք ունեն, քանի որ ջուրը կլանում է արեգակնային ճառագայթումն այդ ալիքի երկարություններում։

Տես նաև 

 Օպտիկական երևույթներ
 Ֆոտոմետեոր
 Բևեռափայլ
 Կլոր-հորիզոնական աղեղ
 Զենիթային աղեղ
 Երփներանգ ամպեր
 Կրեպուսկուլյար ճառագայթներ
 Հակակրեպուսկուլյար ճառագայթներ
 Գլորիա
 Կանաչ փայլատակում
 Հալո
 Պարհելիում
 Արևային սյուն
 Կայծակ
 Միրաժ
 Ծիածան
 Արծաթագույն ամպեր

Ծանոթագրություններ 

Օպտիկա
Մթնոլորտային օպտիկական երևույթներ
Օդերևութաբանություն
Մթնոլորտ