Reflexia luminii în natura
1. Corpuri mate si corpuri lucioase
Se precizeaza faptul ca în cazul în care lumina cade pe un corp, acesta poate sa o reflecte, sa o absoarba sau sa o transmita. Desi cele trei fenomene au loc simultan în realitate, ele se realizeaza în proportii foarte diferite. Astfel sticla cu indicele de refractie absolut n=1,5 reflecta doar 4% din lumina ce cade normal pe ea si are o absorbtie neglijabila, transmitând practic lumina integral. Asemenea corpuri se numesc transparente. În aceeasi clasa a corpurilor care transmit practic lumina în întregime intra si corpurile translucide, care nu transmit lumina dirijat, conform cu legile refractiei, ci difuz, împrastiind-o în toate directiile 323h74d
Corpurile absorbante, care realizeaza o absorbtie selectiva, se numesc corpuri colorate. De exemplu, un obiect verde arata verde când este iluminat cu lumina alba deoarece absoarbe toate lungimile de unda cu exceptia verdelui, pe care îl reflecta.Corpul care absoarbe toata lumina ce cade pe el poarta numele de corp negru (exemplu : negru de fum), iar corpul care reflecta toate radiatiile este alb. Corpurile metalice lustruite sunt puternic reflectante (exemplu : oglinzi din sticla pe suprafetele carora s-a depus o pelicula de argint) si au un aspect foarte lucios pentru ca, practic, nu exista raze refractate sau absorbite, ci numai reflectate.
Razele de lumina ce lovesc o suprafata neregulata se vor reflecta în toate directiile 323h74d , iar razele de lumina ce ating o suprafata neteda se reflecta sub aceleasi unghiuri de incidenta.
Corpurile ude au un aspect lucios pentru ca spatiile dintre neregularitati se umplu cu lichid, iar suprafata lichidului este dreapta, producând reflexie regulata.
Reflexia totala apare la suprafata de separare a doua medii optice transparente atunci când lumina incidenta provine dintr-un mediu mai dens (cu indicele de refractie absolut mai mare) si se reflecta sub un unghi mai mare decât unghiul limita pe un mediu mai putin dens (cu indicele de refractie absolut mai mic). Suprafata de separatie pe care se obtine reflexia totala are aspect de oglinda.
Cantitatea de lumina reflectata de o suprafata depinde de cantitatea receptionata de la sursa de lumina, care la rândul sau depinde de intensitatea iluminarii si de orientarea suprafetei fata de lumina.
În realitate, multe suprafete sunt lucioase. Sub anumite unghiuri de observatie, o suprafata lucioasa reflecta o parte importanta din lumina incidenta-aceasta se numeste reflexie speculara. Atunci când se întâmpla aceasta, vedem o pata stralucitoare pe obiect, cu aceeasi culoare ca si lumina incidenta.
Materialele reflective sunt considerate ca fiind extrem de lucioase.
2. Stralucirile apei
Multe fenomene optice se produc în apa, dar si pe suprafata acesteia, cauzate de reflexia refractiei.
Suprafetele firelor aspre de stuf produc mici valuri în apa reflectând lumina solara. Milioane de imagini ale Soarelui sunt create în miniatura. Imaginile arata ca petele de lumina apar acolo unde lamele ies din apa.
3. Efectele reflexiei luminii în apa
Un efect aparent
insignifiant, dar totusi interesant cum soarele se reflecta pe
suprafata unei ape cu unde, creând o dunga de lumina pe apa
de la linia orizontului pâna la observator. Daca valurile nu sunt
direct perpendiculare pe dreapta soare-observator, dunga luminoasa va parea
înclinata într-o parte. Dunga luminoasa este cel mai bine observata
daca apa este aproape calma si daca soarele se afla la un
unghi de 5 grade deasupra orizontului. Valurile mari vor împrastia dunga
luminoasa pe o suprafata atât de mare încât va deveni greu de
remarcat.
4. De ce este zapada orbitoare?
Fiecare fulg de nea este unic, iar forma lui este a unei plachete, a unei stele, al unui buton de manseta sau al unui taietel.
Cristalele
de gheata se comporta ca niste oglinzi si
reflecta lumina dupa urmatorul model:
Am auzit toti de expresia "zapada orbitoare". Aceasta se refera la faptul ca zapada poate cauza orbirea. Un strat de zapada proaspat asternuta reflecta înapoi în atmosfera 85% din razele UV. Efectele acestui fenomen asupra ochiului se simt dupa câteva ore, iar simptomele sunt:
-ochii devin sensibili la lumina;
-o durere în zona ochilor si a fruntii;
-senzatia ochlor plini de nisip.
Primul ajutor în cazul orbirii de la zapada:
-clatirea ochilor;
-acoperirea ochilor cu un material gros si umed pentru a racori ochii si pentru a nu lasa lumina sa patrunda;
-transportarea victimei la un centru medical.
5. Culoarea albastra a cerului
Un cer clar si însorit este albastru pentru ca moleculele din aer disperseaza lumina albastra de la Soare mai mult decât lumina rosie. Când ne uitam spre Soare la asfintit, putem observa culori rosii si portocalii pentru ca lumina albastra este dispersata în afara razei vizuale.
Lumina alba este un amestec al culorilor curcubeului. Acesta a fost demonstrata de Isaac Newton, care a folosit o prisma pentru a separa diferite culori si asa a obtinut spectrul. Culorile de lumina se deosebesc datorita lungimii de unda care variaza . Partea vizibila a spectrului începe de la lumina rosie cu o lungime de unda de 720 nm, pâna la violet cu lungimea de unda de 380 nm, cu portocaliu, galben, verde, albastru si indigo între. Cei trei receptori ai culorii din ochiului uman percep mai mult undele rosii, verzi si albastre, care dau vederea colorata.
Efectul Tyndall si împrastierea Rayleigh
Primul pas în a explica culoarea cerului a fost facut de John Tyndall în 1859. El a descoperit ca atunci când lumina trece printr-un lichid limpede tinând mici particule suspendate, undele scurte de lumina albastra sunt dispersate mai mult decât cele rosii. Aceasta poate fi demonstrata trimitând un fascicol de lumina alba într-un rezervor cu apa cu putin lapte sau sapun amestecat. Din lateral, fascicolul poate fi observat cu lumina albastra în dispersie; dar lumina care se vede la sfârsit devine rosiatica dupa ce trece de rezervor. Lumina dipersata poate fi vazuta polarizata folosind un filtru de polarizare al luminii, asa cum cerul albastru se vede mai intens prin ochelari de soare polarizati. Acesta este numit si efectul Tyndall, dar este mai cunoscut de fizicieni sub numele de dispersia Rayleigh -dupa Lord Rayleigh, care l-a studiat în detaliu câtiva ani mai târziu. El a aratat ca o anumita cantitate de lumina dispersata este invers proportional cu a patra unda de putere pentru particule suficient de mici. Se arata ca lumina albastra este dispersata mai mult decat lumina rosie cu un factor de (700/400)4 ~= 10.
Tyndall si Rayleigh au crezut ca acea culoare albastra a cerului poate fi cauzata de mici particule de praf sau datorita prezentei vaporilor de apa în atmorfera. Chiar si astazi, oamenii spun incorect acelasi lucru. Mai târziu cercetatorii si-au dat seama ca daca acest lucru nu este adevarat, înseamna ca ar trebui sa fie mai multe variatii ale culorii cerului cu umiditate sau conditii de ceata fina. Acestea au fost de fapt observate, deci au presupus corect ca moleculele de oxigen si azot din aer sunt suficient de relevante pentru dispersie. Cauza a fost stabilita în final de Einstein în1911, care a calculat în detaliu formula de dispersie a moleculelor de lumina.
Daca unde cu
lungimea de unda mai scurta sunt dispersate mai puternic, atunci ne
punem întrebarea de ce nu poate fi violet cerul, culoarea cu cea mai mica
lungime de unda. Spectrul luminii de emisie a soarelui nu este
constant cu toate lungimile de unda, de asemenea este absorbit de atmosfera
înalta, asa ca este mai putin violet în lumina.
De asemnea si ochii nostri percep mai greu violetul. Asta este
o parte a raspunsului; totusi un curcubeu arata ca ramâne
o parte destul de evidenta a luminii visibile colorata indigo si
violet pe lânga albastru. Restul raspunsului al acestui puzzle ramâne de cercetat.
Curbele de raspuns ale celor trei conuri ale ochiului uman
( intensitatea senzatiei de lumina functie de lungimea de unda )
Când privim spre cer, conurile rosii raspund chiar la si o cantitate mica din lumina rosie dispersata, dar mai putin la lungimile de unda portocalii si galbene. Conurile verzi raspund la galbene si cel mai puternic dispersate verzi si verzi-albastre. Conurile albastre sunt stimulate de culori apropiate de lungimile de unda albastre care sunt puternic dispersate. Daca nu era indigo sau violet în spectru, cerul ar fi fost de culoare albastra cu o nuanta de verde. Oricum, cele mai puternice unde de indigo si violet dispersate stimuleaza conurile rosii la fel de mult ca si pe cele albastre, fapt care duce la aparitia culorilor albastre cu o nuanta de rosu. In mod sigur conurile rosii si verzi sunt stimulate în mod egal de lumina cerului, în timp ce conurile albastre sunt stimulate mai puternic. Acesta combinatie conduce la culoare palida a cerului albastru. Nu poate fi o coincidenta faptul ca vederea noastra nu este reglata pentru a vedea nuanta pura a cerului. Ne-am dezvoltat ca sa ne potrivim în mediul înconjurator; si abilitatea de a separa culorile naturale ceea ce este un avantaj al supravietuiri.
6. Apusurile rosiatice
Sunt doua motive pentru înrosirea cerului la rasarit sau la apus:
- primul motiv este dispersia puternica a luminii albastre ce parcurge un strat mai gros de aer când soarele apune;
-
al doilea este absorbtia si reflexia radiatiilor luminoase de
catre particulele de praf. Acesta este motivul pentru care partea
rosie din spectru domina.
7. Lumina zodiacala
Lumina zodiacala este o stralucire slaba, alba, cu o forma triunghiulara, vazuta pe cer noaptea si care pare sa se extinda din vecinatatea soarelui de-a lungul eclipticului sau zodiacului. In latitudinile nordice lumina zodiacala este cel mai bine observata în partea de vest a cerului, primavara dupa ce crepusculul de seara a disparut, sau în partea de est a cerului, toamna înainte de rasarit. Este atât de palida lumina încât este mascata de lumina soarelui sau de poluare. Lumina zodiacala descreste în intensitate o data cu departarea fata de soare, dar în noptile foarte întunecate a fost observata într-o banda întreaga în jurul elipticului. De fapt, lumina zodiacala acopera tot cerul, fiind responsabila pentru 60% din luminozitatea cerului în noptile fara luna.
Lumina zodiacala este produsa de lumina soarelui ce se reflecta de particulele de praf, ce sunt prezente în sistemul solar si cunoscute sub numele de praf cosmic. Spectrul luminii zodiacale este identic cu cel al soarelui. Materialul ce produce lumina zodiacala este localizat într-un volum de spatiu de forma unei lentile centrate pe soare si extinzându-se dincolo de orbita Pamântului. Acest material este cunoscut sub numele de nor de praf interplanetar. Deoarece majoritatea materialului este situat în apropierea planului sistemului solar, lumina zodiacala este vazuta de-a lungul elipticului. Cantitatea de material necesara producerii fenomenului este incredibil de mica. Daca ar fi în forma unor particule de 1mm, fiecare cu aceeasi putere de reflexie ca luna Pamântului, fiecare particula ar fi la 8 km de vecinii sai.
Acest fenomen a fost studiat pentru prima oara de catre astronomul Giovanni Domenico Cassini în 1683 si a fost explicat pentru prima oara de Nicolas Fatio de Duillier în 1684.
8. Lumina antisolara
Lumina antisolara este o pata foarte slab luminoasa care se vede noaptea pe cer în locul opus soarelui.
Lumina antisolara este vazuta uneori în directia opusa soarelui, având punct de convergenta înspre umbra capului observatorului. Este cauzata de difuzia luminii în aerosoli precum particule de praf si vapori de apa. Norii sau relieful pot bloca soarele astfel facând posibila observarea luminii antisolare. Razele sunt paralele una fata de cealalta deoarece soarele este la mare distanta. In orice caz, perspectiva creeaza impresia de divergenta de la pozitia soarelui, sau în alt caz convergenta spre punctul antisolar (imaginea soarelui opus).
Lumina solara si antisolara sunt cauzate de difuzia luminii, deci necesita o cantitate relativ mare de aerosoli în aer (aerul nu trebuie sa fie complet curat). Un cer putin încetosat ofera suficiente ocazii pentru observarea acestei lumini. Pentru a observa lumina antisolara ar trebui ca observatorul sa priveasca în directia opusa soarelui de preferat foarte jos (între 0 si 20 de grade altitudine). De asemenea ar trebui sa fie nori în vecinatatea soarelui pentru a forma umbre si a crea aceasta lumina. Razele pot fi observate de o culoare roz-violet în contrast cu culoarea albastra a cerului.
Lumina antisolara este mai greu de observat decât razele de lumina normala deoarece de obicei razele difuzate au o anumita tendinta de a se deplasa frontal si nu în sens opus.
Razele se disting mai usor atunci când norii ce acopera cerul au formele bine definite (cum ar fi norii de ploaie). Fenomenul poate fi vizibil si dupa apus dar si înainte de rasarit când norii care formeaza umbra sunt sub nivelul orizontului. Razele pot fi vazute în convergenta cu banda de umbra a Pamântului si centura lui Venus.
Bibliografie:
https://elfwood.lysator.liu.se/farp/theart/williamreflection/Reflective2.htm
https://www.weatherscapes.com/album.php?cat=optics&subcat=glitter_path
https://www.weerfotografie.com/album.php?cat=optics&subcat=antisolar_rays
https://en.wikipedia.org/wiki/Zodiacal_light
https://zebulon1er.free.fr/neige.htm
https://labs.cs.utt.ro/labs/Graphics/html/SPG/Download/C5_Iluminari_si_Umbriri.pdf
Mircea Mihail Popovici - Fizica fenomene optice, Editura Teora
https://perso.id-net.fr/~brolis/docs/blue/blue.html
|
