Óptica atmosférica

A óptica atmosférica é unha disciplina que trata de explicar como as propiedades ópticas distintivas da atmosfera terrestre causan unha ampla gama de fenómenos ópticos. A cor azul do ceo é un resultado directo da dispersión de Rayleigh, que redirixe a luz solar dunha frecuencia máis alta (azul) cara ao punto de observación. Como a luz azul é dispersada máis facilmente que a luz vermella, o sol vese dunha tinguidura avermellada cando é observado a través dunha atmosfera de maior espesor, como durante o amencer ou o ocaso. Outros materiais particulados en suspensión no ceo poden dispersar diferentes cores en diferentes ángulos, creando ceos coloridos á tardiña e ao amencer. A dispersión dos cristais de xeo e doutras partículas na atmosfera son responsábeis de fenómenos coma os halos, arreboladas, coroas, raios crepusculares, e parhelios. A variación destes fenómenos débese a diferentes tamaños e xeometrías das partículas presentes na atmosfera. Pola súa banda, os arco iris son o resultado dunha combinación de reflexión e refracción dispersiva da luz nas pingas de auga. Xa que os arcos da vella aparecen entre o observador e o sol, son máis prominentes mentres máis próximo estea o sol ao horizonte. Os fenómenos ópticos onde os raios de luz se torcen debido a variacións térmicas no índice de refracción do aire son chamados espellismos, os que producen imaxes fortemente distorsionadas ou desprazadas de obxectos distantes. Outros fenómenos ópticos asociados coa temperatura atmosférica inclúen o efecto Nova Zembla e as Fata Morganas.
As auroras prodúcense cando unha exección de partículas solares cargadas choca coa magnetósfera da Terra (ou doutros planetas). Tamaños aparentes do sol e da lúa
No século XI, Alhacén argumentou que a visión ocorre no cerebro, que as experiencias persoais tiñan un efecto sobre o que as persoas vían e que, por tanto, a sensación visual era subxectiva. Contrario a Ptolomeo, que atribuía á refracción o percibir o sol e a lúa máis grandes canto máis próximas ao horizonte, Alhacén redefiniu o problema en termos do agrandamento percibido, máis que real, dos astros. A través de obras de Roger Bacon, Pecham e Witelo baseadas na explicación de Alhacén, a ilusión lunar aos poucos chegou a ser aceptada como un fenómeno psicolóxico, rexeitándose a teoría de Ptolomeo no século XVII.
Por máis de 100 anos, as investigacións sobre a ilusión lunar foron levadas a cabo por científicos da visión que invariablemente foron psicólogos especialistas en percepción humana. Tras revisar todas as diferentes explicacións no seu libro The Mystery of the Moon Illusion ("O misterio da ilusión lunar"), Ross e Plug concluíron que "Ningunha teoría por si soa resultou vitoriosa". Formas de percepción da luz
Cor do ceo
Produto da radiación difusa dos raios solares, a cor do ceo resulta no azul percibido polo ollo humano. Nos días asollados, a dispersión de Rayleigh dálle ao ceo un degradado azul — escuro no cénit e claro preto do horizonte. A luz que entra desde arriba atópase cunha 38ª parte da masa de aire que a luz que se atopa nun camiño horizontal. Por tanto, unhas poucas partículas dispersan os raios do sol cenital, e por conseguinte a luz mantense dun azul máis escuro. O azul está no horizonte debido a que a luz azul que vén desde grandes distancias tamén está preferencialmente dispersada. Isto tradúcese nun corremento ao vermello das fontes lumínicas até que son compensadas co ton azul da luz dispersada na liña de visión. Noutras palabras, tamén a luz vermella se dispersa; se o fai a gran distancia do observador ten unha probabilidade moito maior de chegar ao observador que a luz azul. En distancias que tenden ao infinito, a luz dispersada é, por tanto, branca. De lonxe, as nubes ou montañas nevadas veranse de cor amarela por esa razón; este efecto non é evidente en días despexados, pero é pronunciado cando as nubes cobren a liña de visión reducindo o ton azul.
A dispersión causada por partículas moi pequenas (do tamaño dunha molécula) é case aleatoria. A dispersión nun ángulo de 90º é aínda a metade da dispersión que se reflicte ou se vai cara a adiante. Isto fai que o ceo azul estea case sempre coloreado e que as nubes delgadas poidan formar unha área branca ao redor do sol, xa que as partículas grandes que compoñen as nubes se dispersan preferentemente só en ángulos baixos.
O po do Sáhara móvese ao redor da periferia sur da crista subtropical e desprázase polo sueste de Estados Unidos durante o verán, o que cambia o ceo dun aspecto azul a un máis branco e causa un aumento de postas de sol de cor vermella. A súa presenza repercute negativamente na calidade do aire durante o verán, xa que lle engade material particulado en suspensión.
Por diversas causas noutros planetas o ceo e os crepúsculos poden ser de distintas cores. Os efectos da dispersión tamén en parte polarizan a luz do ceo, máis pronunciada nun ángulo de 90° do sol. Os modelos de distribución da luminancia do ceo foron recomendados pola Comisión Internacional da Iluminación (CIE) para o deseño de sistemas de iluminación natural.
Irisación das nubes
A cor dunha nube vista desde a Terra, permite explicar bastante sobre o que está a ocorrer no seu interior. As densas e profundas da troposfera exhiben unha alta reflectividade (da orde do 70% ao 95%) ao longo de todo o espectro visible. As diminutas partículas de auga están densamente empacadas, polo que a luz do sol non pode penetrar profundamente na nube antes de que sexa reflectida cara a fóra, dándolle a súa cor branca característica, sobre todo cando se observa desde a parte superior. As pingas de auga das nubes tenden a dispersar a luz con eficiencia, de modo que a intensidade da radiación solar diminúe nos gases profundamente. Como resultado, a base das nubes pode variar dunha cor gris moi escuro a un moi claro, dependendo do grosor da nube e da cantidade de luz reflectida ou transmitida ao observador. As nubes delgadas poden ter un aspecto branco ou adquirir a cor da súa contorna ou do seu fondo. As nubes altas, troposféricas ou non, poden aparecer maiormente brancas se están compostas por cristais de xeo e/ou pingas de auga moi xeada. A medida que madura a nube troposférica, as densas pingas de auga pódense combinar para producir pingas maiores, que á súa vez poden formar pingas o suficientemente grandes como para precipitar. Neste proceso acumulativo, o espazo entre as pingas vaise facendo cada vez maior, permitindo que a luz penetre máis a través da nube. Se a nube é o suficientemente grande e as pingas no seu interior están separadas por unha distancia adecuada, é posible que unha porcentaxe da luz que ingresa á nube non se reflicta de volta antes de ser absorbida. Un exemplo disto pódese notar ao tratar de ver non máis que unha densa néboa cando se suscitan choivas fortes. Este proceso de reflexión/absorción é o que produce que a nube teña unha gama de cores que abarca varias tonalidades de branco a negro. Outras cores poden ocorrer naturalmente nas nubes. Os tons gris-azulado son resultado da dispersión lumínica dentro da nube. No espectro visible, o azul e o verde están no extremo curto das lonxitudes de onda visibles da luz, mentres que o vermello e o amarelo atópanse no extremo longo. Os raios curtos son máis facilmente dispersados polas pingas de auga, e os raios longos máis proclives a ser absorbidos. Unha cor azulada evidencia que tal dispersión está a ser producida por pingas do tamaño adecuado para producir choiva ao interior da nube. Unha tinguidura máis verdosa é producida cando a luz é dispersada por cristais de xeo. Un cumulonimbus de cor verde é sinal de severas tormentas eléctricas, capaces de producir fortes choivas, saraibas, fortes ventos e posibles tornados. A cor amarela débese á presenza de contaminantes no fume, como o dióxido de nitróxeno que é ás veces visíbel nalgunhas áreas urbanas con altos niveis de polución no aire. As nubes vermellas, laranxas e rosadas ocorren case sempre durante a alba e o atardecer como resultado da dispersión da luz solar na atmosfera, pois en tales momentos do día o ángulo entre o sol e o horizonte é menor ao 10%, co que a luz do sol tórnase moi vermella debido á refracción de todas as cores distintas a aquelas máis avermelladas. As nubes non se pon desa cor, senón que reflicten os raios longos e non dispersados da luz solar, que son predominantes nesas horas. O efecto é moi parecido a se un tivese que enfocar unha luz vermella sobre unha folla branca. En combinación con nubes de tormenta grandes e maduras, tal efecto pode producir nubes de cor sanguínea. As nubes vense máis escuras pertodo infravermello, pois a auga absorbe a radiación solar nesas lonxitudes de onda.
Raios crepusculares
Os raios crepusculares son raios de sol máis ou menos paralelos movéndose a través da atmosfera terrestre, pero que aparecen diverxer por mor da perspectiva ortogonal. Adoitan ocorrer cando certos obxectos, como cumes de montañas ou nubes parcialmente ensombrecen os raios do sol. Varios compostos do aire esvaecen a luz solar e fan visibles a estes raios, debido á difracción, reflexión, e dispersión. Tamén poden ser observados ocasionalmente debaixo da auga, particularmente en áreas árticas, aparecendo desde as banquisas ou gretas no xeo, e cando os raios de sol golpean as nubes nun ángulo determinado.
Airglow
O airglow é a emisión de luz por unha atmosfera planetaria causada pola reestruturación de átomos en forma de moléculas que foran ionizadas pola luz solar durante o día, ou por raios cósmicos. Na Terra, a fonte de emisión está situada preto da mesopausa, e está conformada por varias capas. As principais son a capa do OH, a uns 85 km, e a de O2, situada a uns 95 km de altura, ambas cun grosor aproximado duns 10 km. Con todo, o elemento máis importante pola súa concentración que xera o fenómeno do airglow é o nitróxeno, tanto cando combina co hidróxeno como cando combina co osíxeno; tamén se pode atopar luminiscencia con ións de osíxeno (OI) e de sodio (NaI) Fotometeoros
Halo
Un halo é un fenómeno óptico provocado por cristais de xeo que crean arcos e puntos brancos ou irisados no ceo. Moitos prodúcense rodeando o campo visual do sol ou da lúa, aínda que poden aparecer en calquera lugar do ceo. Tamén se poden formar arredor de luces artificiais habendo unha temperatura atmosférica moi baixa, con cristais de xeo denominados prismas de xeo ou "po de diamante" que parecen flotar no ceo próximo ao observador. Existen moitos tipos de halos, comunmente producidos polos cristais de xeo dos cirros altos da troposfera superior, a unha altitude de 5 a 10 km. A forma particular e orientación dos cristais son responsábeis polo tipo de halo observado. A luz é reflectida e refractada polos cristais de xeo e pode dividirse en distintas cores por mor da dispersión refractiva. Os cristais compórtanse como prismas e espellos, refractando e reflectindo a luz do sol entre as súas caras, enviando raios de luz en determinadas direccións. A separación angular óptima para os halos é de 22 e 46 graos desde os cristais de xeo que os orixinan.
Fenómenos atmosféricos como os halos foron utilizados como parte da predición informal das condicións meteorolóxicas como indicadores da presenza dunha fronte cálida e choiva asociada.
Parhelio
Os parhelios están comunmente feitos por cristais de xeo en forma de placa hexagonal en cirros altos e fríos ou, durante condicións de tempo moi xeadas, por prismas de xeo que se dividen no aire en niveis baixos. Os científicos da base McMurdo frecuentemente presencian parhelios na Antártida. Os cristais actúan como prismas, torcendo os raios de luz a través deles cunha deflexión mínima de 22°. Se os cristais se aliñan verticalmente a medida que se afunden no aire, a luz solar refráctase en posición horizontal, o que fai visibles aos parhelios. Os parhelios poden aparecer tanto como imaxes especulares do sol a cada lado da súa localización actual, ou como manchas brillantes de luz ao longo de halos parciais horizontais á localización do sol. A medida que o sol se eleva, os raios que pasan a través dos cristais son cada vez máis desiguais respecto ao plano horizontal. O seu ángulo de desviación aumenta e os parhelios móvense máis lonxe do sol. Con todo, están sempre á mesma altura do sol. Os parhelios son vermellos no lado máis próximo ao sol. A maior distancia, as cores varían a azul ou violeta. Con todo, as cores superpóñense considerablemente e só de cando en cando son puros ou saturados. As cores dos parhelios finalmente fúndense na parte branca do círculo parhélico (se é visíbel). En teoría, pódese predicir cales serían as formas dos parhelios vistos noutros planetas e lúas. Marte pode ter parhelios formados por auga e CO2 en forma de xeo. Nos planetas gasosos — Xúpiter, Saturno, Urano e Neptuno — outros cristais forman nubes de amoníaco, metano, e outras substancias que poden producir halos con catro ou máis parhelios.
Gloria
A gloria é un fenómeno óptico que involucra pingas de auga, similar á aureola dun santo sobre a cabeza do observador, producida pola luz retrodifusa (combinación de difracción, reflexión e refracción) cara á súa fonte por unha nube de pingas de auga de tamaño uniforme. Unha gloria ten aneis de múltiples cores, máis vermello no anel exterior e máis azul/violeta no anel interior. A distancia angular é moito menor que un arco da vella, oscilando entre 5° e 20°, dependendo do tamaño das pingas. A gloria só pode verse cando o observador se atopa directamente entre o Sol e a nube de gotiñas de auga refractantes. Por tanto, obsérvase con frecuencia durante voos aeronáuticos, onde a gloria rodea a sombra do avión nas nubes (isto coñécese como gloria do piloto). As glorias tamén poden ser vistas desde as montañas e edificios altos, cando hai nubes ou néboa por baixo do nivel do observador, ou en días de néboa baixa. A gloria está relacionada co fenómeno óptico anthelio.
Arco da vella
É un fenómeno que causa un espectro de luz que aparece cando o sol brilla nas pingas de humidade presentes na atmosfera terrestre. Toma a forma dun arco multicolor. Os arcos iris causados pola luz solar sempre aparecen na sección de ceo directamente oposta ao Sol, pero orixínanse en non máis de 42 graos sobre o horizonte para os observadores na superficie. Para velos a maior ángulo, un observador tería que estar nun avión ou preto da cima dunha montaña xa que pola contra o arco da vella estaría por baixo do horizonte. Mentres maiores sexan as pingas que forman o arco da vella, máis brillante será. Son máis comúns nas tardes de tormenta durante o verán, e poden ser causados por múltiples formas de auga presentes no aire, tales como choiva, orballo, néboa, brétemas e resío. Unha soa reflexión sobre a parte posterior dun conxunto de pingas de choiva produce un arco da vella cun tamaño angular no ceo que vai desde 40° a 42° coa cor vermella no seu exterior. Os arcos iris dobres son producidos por dúas reflexións internas cun tamaño angular de 50, 5° a 54° coa cor violeta no exterior. Dentro do "arco iris primario" (o de máis abaixo, e, normalmente, o máis brillante dos dous), o arco da vella mostra a cor vermella na parte máis externa (ou superior) do arco, e a cor violeta na sección interior. Este arco é causado pola luz sendo reflectida nas pingas de auga. Nun arco da vella dobre, un segundo arco pode ser visto por sobre e por fóra do arco primario, e ten a orde das súas cores investido (o vermello enfróntase cara ao outro arco da vella, en ambos os). Este segundo arco da vella é causado pola luz que se reflicte dobremente dentro das pingas de auga.
Un arco da vella esténdese por un espectro continuo de cores; as bandas de distintas cores (incluíndo o seu número) son artefactos da visión humana da cor, e ningún tipo de banda é perceptíbel visualmente en fotos en branco e negro (só unha gradación suave de intensidade que vai a unha máxima e logo vólvese mínima alén do arco). Para as cores visíbeis polo ollo humano, os máis comunmente citados son sete: vermello, laranxa, amarelo, verde, azul, índigo e violeta. Con todo, o nome das cores son convencións e pódense diferenciar máis, alén de que as persoas con algún grao de cegueira cromática verán menos cores. Espellismos
Un espellismo é un fenómeno óptico que ocorre naturalmente cando os raios lumínicos se torcen para producir imaxes desprazadas de obxectos distantes, ou no ceo. En contraste a unha alucinación, un espellismo é un fenómeno real que pode ser capturado por unha cámara fotográfica ou rexistrado en vídeo, posto que os raios de luz se refractan para formar a falsa imaxe na localización onde se atopa o observador. O que a imaxe parecese representar, con todo, está determinado polas facultades interpretativas da mente humana. Por exemplo, as imaxes inferiores que se perciben na terra moi facilmente confúndense con reflexións dalgún pequeno corpo de auga. Os espellismos poden ser categorizados en "inferiores", "superiores" e "Fata Morgana", unha especie de espellismo superior, que consiste nunha serie excepcional de detalles de imaxes amoreadas verticalmente, que conforman un espellismo moi cambiante.
Fata Morgana
Unha Fata Morgana é unha infrecuente e moi complexa forma de espellismo superior, que é visible nunha delgada banda xusto sobre o horizonte. Estes espellismos distorsionan tremendamente o ou os obxectos sobre o cal se basean, co que estes aparecen de formas pouco comúns e mesmo poden chegar a ser irrecoñecíbeis polo observador. Unha Fata Morgana pode ser vista en terra ou en mar, en rexións polares ou desertos. Este tipo de espellismo pode involucrar a case calquera tipo de obxecto distante, incluíndo embarcacións, illas e liñas costeiras. A Fata Morgana non só é complexa, senón tamén rapidamente cambiante. O espellismo componse de varias imaxes invertidas e rectas que se amorean unhas encima doutras, alternando zonas de imaxes comprimidas con outras máis estiradas.
Este fenómeno óptico débese a que os raios de luz son fortemente tortos cando pasan a través das capas de aire a diferentes temperaturas nun elevado investimento térmico onde se formou un ducto atmosférico. En tempo calmo, unha capa de aire moito máis quente pode descansar sobre o aire denso máis frío, formando un ducto atmosférico que actúa como un lente refractor, producindo unha serie de imaxes investidas e rectas. Unha Fata Morgana require obrigatoriamente dun ducto para facerse presente; o investimento térmico por si soa non basta para producir este tipo de espellismo.
Escintileos verdes
Os escintileos e raios verdes son fenómenos ópticos que se producen pouco despois do atardecer ou antes do amencer, cando é visible un punto verde por encima do sol, polo xeral por non máis de dous segundos, ou cando un raio verde dispárase desde o punto de posta do sol. Os escintileos verdes son en realidade un conxunto de fenómenos derivados de causas diferentes, e algúns son máis comúns que outros. Os escintileos verdes poden observarse desde calquera altitude (mesmo desde un avión). Son xeralmente perceptibles en horizontes sen obstrucións visuais, como o mar, pero tamén son posibles de ver sobre as nubes e cumes de montañas. Tamén se poden observar escintileos verdes da Lúa e planetas brillantes no horizonte, como Venus e Xúpiter.
Efecto Nova Zembla
O efecto Nova Zembla é un espellismo polar causado pola alta refracción de luz solar entre termoclinas atmosféricas. No efecto Nova Zembla dá a impresión de que o sol está a saír máis temperán ou póndose máis tarde do que realmente debería (astronomicamente falando). Dependendo da situación meteorolóxica, o efecto presenta o sol como unha liña ou un cadrado (ao que se refire ás veces como sol rectangular), composto por formas de reloxos de area aplanados. O espellismo require raios de sol para ter unha capa de inversión por centos de quilómetros, e depende do gradente térmico. A luz do sol debe dobrar á curvatura da Terra polo menos 400 km para permitir un aumento de elevación de 5 graos de vista do disco solar.
A primeira persoa en rexistrar este fenómeno foi Gerrit de Veer, membro da terceira expedición de Willem Barents á rexión ártica. O efecto ten o seu nome en honra a Nova Zembla, o arquipélago onde de Veer observou por primeira vez o fenómeno.