Światło na torturach. Niezwykłe zjawiska atmosferyczne

W Sekcji Archeo w pulsarze prezentujemy archiwalne teksty ze „Świata Nauki” i „Wiedzy i Życia”. Wciąż aktualne, intrygujące i inspirujące.

W kwietniu 1551 r. wojska Karola V Habsburga, króla hiszpańskiego i cesarza niemieckiego, podeszły pod Magdeburg, jeden z głównych ośrodków protestantyzmu. Rozpoczęło się oblężenie miasta, a armią cesarską dowodził książę i elektor saski Maurycy. Kroniki podają jednak, że wkrótce po rozpoczęciu oblężenia na niebie pojawiły się trzy słońca połączone świetlistymi łukami. Mieszkańcy miasta ze zdumieniem, ale i z niepokojem obserwowali niezwykło zjawisko. Dziwne znaki na niebie wzięli bowiem za złą wróżbę. Okazało się jednak, że jeszcze większe zamieszanie z ich powodu zapanowało w obozie wroga. Wojska Maurycego niespodziewanie wycofały się spod murów, a ich dowódca oznajmił: „Nie można oblegać miasta, nad którym ukazały się trzy słońca”.

Ile prawdy jest w tej anegdocie, nie wiadomo. Z podręczników historii dowiadujemy się, że wyprawę na Magdeburg książę Maurycy wykorzystał jako okazję do porzucenia swojego sojusznika Karola V i sprzymierzenia się z Francją, więc znaki na niebie mogły mu dostarczyć świetnego pretekstu do zmiany decyzji (a w konsekwencji też zmiany sojuszy). Jedno natomiast jest pewne: „trzy słońca” można rzeczywiście od czasu do czasu zaobserwować. W Polsce takie zjawisko pojawia się średnio kilkanaście razy w roku. Tylko jedno z tych słońc jest prawdziwe, dwa pozostałe to złudzenia optyczne – słońca pozorne, zwane też przysłońcami lub psami słonecznymi, a także bardziej uczenie: parheliami (od greckich słów parà – „obok” i hēlios – „słońce”). Na dodatek owe parhelia stanowią jeden z elementów jeszcze większego spektaklu na niebie, zwanego halo.

Ale najpierw jeszcze jedna opowieść ze znacznie bliższych nam czasów: jesienią 2012 r. do północno-wschodniej części USA zbliżył się potężny huragan. W dniu, w którym miał wtargnąć na ląd, naukowiec David Hathaway z NASA przebywał w miasteczku Huntsville w stanie Alabama. Od oka wiru dzieliło go w linii prostej ok. 1,5 tys. km. Sandy szybko puchła, stając się jednym z najrozleglejszych cyklonów tropikalnych w historii obserwacji. Swoimi potężnymi ramionami obejmowała obszar o średnicy ponad tysiąca kilometrów. Hathaway był ciekaw, czy na niebie zobaczy jakieś odpryski z tego odległego wiru. To, co ujrzał, wprawiło go w zdumienie. Przed jego oczami rozgrywał się wspaniały optyczny pokaz, jeden z tych, które człowiekowi dane jest ujrzeć raz w życiu. Świetliste kręgi, łuki, pierścienie i plamy (zdjęcie powyżej) pojawiły się na niebie w wyniku wielokrotnego nałożenia się halo.

Słońce plus lód

Czymże jest halo? Nazwa tego zjawiska pochodzi od greckiego słowa halos, oznaczającego okrągłą tarczę, a także tarczę słońca lub księżyca. Zjawisko powstaje w wyniku załamania się promieni słonecznych przenikających przez kryształki lodu występujące w wysokich chmurach pierzastych (cirrus) i warstwowo-pierzastych (cirrostratus). Takie chmury formują się na wysokości 5–10 km, a ponieważ nie są jednorodne, mogą dać początek różnym odmianom halo w zależności od rozmiarów, kształtu i ułożenia lodowych drobin. Znaczenie ma też wysokość słońca na niebie.

Najpowszechniejsze jest zwykłe halo zwane małym. Każdy ma szansę je zobaczyć i to wiele razy w roku. To pierścień o rozmiarze kątowym 22° otaczający słońce lub księżyc. Często pojawia się przed frontem deszczowym, nie wróży zatem dobrej pogody, raczej ulewę. Znacznie rzadsze jest duże halo, tworzące na niebie krąg świetlny o rozmiarze kątowym 46°. Jednak prawdziwym rarytasem jest równoczesne wystąpienie na niebie kilku przedstawicieli tej rodziny. Większość z nich trudno jest upolować nawet pojedynczo, a co dopiero natrafić na nie w grupie. Do takich wyjątkowych zjawisk należą właśnie przysłońca, czyli plamy światła ulokowane na prawo i lewo od tarczy słonecznej. Często są one zabarwione na czerwono od strony słońca. Inne dodatkowe efekty, widoczne na zdjęciu Hathawaya, to:

– poziomy krąg parheliczny biegnący na stałej wysokości nad horyzontem i przecinający słońce i przysłońca,

– górny łuk styczny małego halo tworzący piękną soczewkę wespół z wygiętym do góry tak zwanym łukiem Perry’ego,

– przepiękny wielobarwny łuk styczny do dużego halo.

To nie koniec efektów wyczarowanych przez kryształki lodu w chmurach. Są jeszcze boczne i dolne łuki styczne, przysłońca dużego halo, łuki Lowitza oraz przepiękne wielobarwne kręgi okołozenitalne, pojawiające się bardzo wysoko na niebie. Za paradoks należy uznać to, że większość tych spektakli atmosferycznych nie zwiastuje niczego dobrego w pogodzie.

Niektórzy meteorolodzy do rodziny halo zaliczają też słupy i krzyże świetlne, bo w ich powstanie także są zaangażowane kryształki lodowe. W tych przypadkach słońce znajduje się jednak poniżej horyzontu, ale jego światło odbija się od wolno opadających kryształków lodu, mających kształt sześciobocznych płytek. Działają one niczym mikroskopijne lusterka. Świetlna kolumna jest zwykle albo biała, albo zabarwiona na czerwono. Zdarza się, że zostaje przecięta horyzontalnie łukiem parhelicznym, a wtedy na niebie pojawia się krzyż słoneczny. Opis takiego krzyża znajdziemy na początku „Ogniem i mieczem”: „Latem zdarzyło się wielkie zaćmienie Słońca, a wkrótce potem kometa pojawiła się na niebie. W Warszawie widywano też nad miastem mogiłę i krzyż ognisty w obłokach; odprawiano więc posty, gdyż niektórzy twierdzili, że zaraza spadnie na kraj i wygubi rodzaj ludzki”.

Polowanie na widmo Brockenu

Istnieje też cała rodzina wspaniałych zjawisk atmosferycznych, które powstają wtedy, gdy światło słoneczne pada na maleńkie kropelki wody tworzące chmury. Jednym z nich jest gloria, zwana też aureolą. Składa się ona z jednego lub kilku barwnych pierścieni, które osoba obserwująca może zobaczyć wokół swojego cienia padającego na powierzchnię chmury lub mgły. Ze zrozumiałych powodów taka przygoda może nas spotkać, kiedy znajdujemy się wysoko w górach lub lecimy samolotem.

Choć aureolę opisano po raz pierwszy w XVIII w., mechanizm jej powstawania stanowi do dziś zagadkę. Wiadomo jednak, że liczba i rozmiar pierścieni zależą od wielkości kropelek chmurowych. Zawsze w środku znajduje się pierścień niebieski, a na zewnątrz – czerwony. Światło słoneczne musi nie tylko odbić się od kropelek, ale też w jakiś sposób ugiąć podczas przechodzenia pomiędzy nimi. Ale w jaki dokładnie sposób – tego nie wiadomo.

Zjawiskiem bardzo podobnym do aureoli jest wieniec. Tu jednak świetlista poświata – czasami biała, a czasami barwna – tworzy się wokół tarczy słonecznej lub księżycowej. W tym drugim przypadku nazywana jest potocznie lisią czapą. Wieniec składa się przeważnie z dwóch lub trzech pierścieni, które powstają w wyniku ugięcia światła przeciskającego się pomiędzy kropelkami wody tworzącymi średnie lub niskie chmury warstwowe (altostratus i stratus).

Niezwykłą odmianą aureoli jest słynne widmo Brockenu, czyli olbrzymi cień obserwatora pojawiający się na chmurze znajdującej się blisko niego. Często głowę takiej postaci otaczają barwne pierścienie. Nazwa zjawiska wzięła się od góry Brocken, głównego szczytu pasma Harc w środkowych Niemczech. Tam zostało ono opisane po raz pierwszy pod koniec XVIII w. Jeśli chcieliby Państwo zapolować na taką zjawę, proszę pojechać w góry i wejść wysoko, powyżej podstawy chmur. Przy odrobinie szczęścia znajdą się Państwo się pomiędzy słońcem a obłokiem, który odegra rolę ekranu powiększającego cień człowieka, a chmurowe kropelki wody wyczarują aureolę.

Nigdzie natomiast nie trzeba wyjeżdżać, aby zetknąć się z najpopularniejszym zjawiskiem optycznym – tęczą. Do jej powstania nie wystarczą maleńkie kropelki wody o średnicy 10–100 µm, z których składają się chmury. Gdyby tak było, wówczas wszystkie one (z wyjątkiem tych zbudowanych z drobin lodu) mieniłyby się na co dzień barwami widma słonecznego. Ależ dziwny byłby to świat! Aby powstała tęcza, potrzebny jest jednak deszcz. Krople deszczowe są ponad sto razy większe od chmurowych. To olbrzymy o przeciętnym rozmiarze 1–3 mm. Światło słoneczne wnika do ich wnętrza, załamując się po drodze. Następnie część tego światła ulega odbiciu od tylnej ściany kropli, po czym opuszcza ją, ponownie ulegając załamaniu podczas wyjścia. Dopiero po pokonaniu tego toru przeszkód dociera do oczu obserwatora. Pierwszy powstawanie tęczy opisał średniowieczny dominikanin Teodoryk z Freibergu, autor ponad 30 prac, w tym opublikowanego w 1310 r. dzieła „De iride” (O tęczy). Trzy wieki później Kartezjusz obliczył, że kąt pomiędzy promieniami wpadającymi do kropli deszczu a tymi, które z niej wychodzą w kierunku obserwatora, wynosi około 42°.

Najważniejsze jest jednak to, że białe światło słoneczne ulega w kropli deszczu rozszczepieniu jak w pryzmacie. Dzięki temu w powietrzu zostaje rozpięty wspaniały wielobarwny łuk, w którym kolory przechodzą stopniowo jeden w drugi – od czerwonego i pomarańczowego na górze po fioletowy na dole. Czasami ponad tęczą główną udaje się zobaczyć tęczę wtórną utworzoną przez te promienie słoneczne, które wewnątrz kropel deszczu odbiły się dwukrotnie i w efekcie opuściły je pod innym kątem. W takim przypadku układ barw jest odwrotny. Najładniejsze tęcze powstają wtedy, gdy krople deszczu są duże, słońce nie jest przesadnie wysoko na niebie (ale też niezbyt nisko), chmury deszczowe w tle są ciemne, a pozostała część nieba – bezchmurna. Tęczy zrodzonej w mżawce brakuje czerwieni, a reszta tworzących ją barw jest blada. Tak blada, że w mglistym oparze może wręcz stać się biała.

Słońce w rozproszeniu

Naprawdę światło słoneczne nie ma łatwego życia w ziemskiej atmosferze. Wiemy już, że może zostać odbite, ugięte, załamane i rozszczepione. To nie koniec tortur, jakie czekają je po zbliżeniu się do powierzchni planety. Kolejną jest rozpraszanie. Odpowiadają za to rozmaite cząstki materii, których w ziemskim powietrzu znajdziemy bez liku: molekuły gazów, drobiny kurzu, sadzy, pyłów, cząsteczki wody... Wszystkie one zaczynają drgać pod wpływem dawki tego światła i w efekcie emitują wtórne promieniowanie, zwane rozproszonym. Wiele mu zawdzięczamy. Dzięki niemu (czyli dzięki atmosferze) nasze niebo nie jest czarne w środku dnia. Jego błękitny kolor to właśnie efekt rozpraszania światła słonecznego.

A dlaczego jest ono błękitne, a nie na przykład zielone? Każda z barw składających się na białe światło słoneczne – czerwień, zieleń i niebieski oraz kolory pośrednie – ma inną długość fali, co z kolei przekłada się na różną intensywność ich rozpraszania przez cząsteczki gazów atmosferycznych: azotu i tlenu. Niebieski, któremu odpowiada najkrótsza fala, jest przez nie rozpraszany znacznie silniej niż czerwony. Dlatego właśnie w ciągu dnia światło słoneczne dociera do naszych oczu ze wszystkich stron nieba pod postacią rozproszonych promieni niebieskich. Również biały kolor chmur jest w dużym stopniu efektem rozpraszania promieni słonecznych. Jednak w tym przypadku czynnikiem rozpraszającym są względnie duże (w porównaniu z cząsteczką tlenu czy azotu) kropelki wody lub też kryształki lodu. Nie rozbijają one widma słonecznego na poszczególne barwy. Chmury pozostają więc białe, choć – szybko dodajmy – tylko te mniejsze, bo te wielkie, deszczowe, emanują od spodu różnymi odcieniami szarości, co bierze się stąd, że do podstawy takiej grubej chmury dociera już niewiele światła słonecznego.

O wiele bardziej kolorowo niż w ciągu dnia jest rano i wieczorem, kiedy tarcza słoneczna wisi nisko nad horyzontem albo skrywa się tuż pod nim. Wtedy bowiem droga promieni słonecznych przez atmosferę jest znacznie dłuższa, a światło niebieskie zostaje skutecznie rozproszone i pochłonięte. To pozwala przebić się do naszych oczu innym barwom: żółcieniom, pomarańczom i czerwieniom. Początek i koniec dnia to pory występowania wielu interesujących zjawisk optycznych. Przy odrobinie szczęścia można na przykład ujrzeć szaroniebieski cień Ziemi, który zawisa tuż nad horyzontem, ukazując krzywiznę globu. Powyżej niego często widoczna jest szeroka smuga różowoczerwonego nieba, czyli tzw. pas Wenus.

Zwróćmy uwagę, że oba zjawiska są widoczne po przeciwnej stronie nieba niż słońce. O świcie szukajmy ich na zachodnim niebie, o zmierzchu – na wschodnim. Pas Wenus to zmyślna sztuczka optyczna. Światło pochodzące od nisko wiszącego słońca zostaje zmienione w czerwienie i pomarańcze podczas przejścia przez najniższe warstwy atmosfery, a następnie po drugiej stronie nieba ulega odbiciu w wyższych warstwach atmosfery. W ten sposób trafia do oczu obserwatora odwróconego plecami do słońca. Istnieje bardzo widowiskowa górska odmiana tego zjawiska, zwana alpenglow, kiedy to strome szczyty i granie zostają skąpane w takim odbitym od atmosfery świetle słońca, które niedawno zaszło lub też za moment wzejdzie. Powtórzmy: pas Wenus, podobnie jak poświata alpenglow, pojawia się po przeciwnej stronie niż wschodzące czy zachodzące słońce i zazwyczaj wtedy, gdy jego tarcza skrywa się za horyzontem.

Obu tych zjawisk nie należy mylić ze zwykłą zorzą poranną lub wieczorną. Pierwsza z nich towarzyszy oczywiście wschodzącemu słońcu, druga – zachodzącemu. Im atmosfera jest czystsza, tym piękniej wygląda taka poranna lub wieczorna gra światła i ciepłych barw. Pyły i inny drobiazg unoszący się blisko ziemi zazwyczaj tłumią kolory, pozbawiając zachody i wschody słońca uroku. Jest jednak pewien wyjątek od tej reguły. To drobniutkie pyły wulkaniczne. Wędrują one na wysokość kilkunastu kilometrów, a jeśli erupcja wulkanu była wielka, zostają rozniesione wokół całego globu. Za ich sprawą wieczorne i poranne niebo staje się bardziej czerwone niż podczas normalnego zachodu i wschodu słońca.

Nawiasem mówiąc, jeden z naukowców – fizyk atmosfery Christos Zerefos z greckiej Akadimía Athinón – postanowił w galeriach obrazów poszukać informacji o wielkich erupcjach wulkanów w przeszłości. Wschody i zachody słońca to wszak częsty motyw malarski. Zerefos poddał analizie cyfrowej fotografie kilkuset obrazów z motywem zachodzącego słońca namalowanych w latach 1500–2000. Okazało się, że na wielu z nich zmierzchy były wyraźnie wzbogacone czerwienią. Mierząc proporcję barwników, naukowiec potrafił ustalić nawet gęstość pyłów unoszących się w powietrzu w chwili powstania konkretnego dzieła. Tak oto doszło do połączenia w jednym projekcie badawczym fizyki atmosfery, wulkanologii i sztuk pięknych.

Zielone błyski, miraże i czerwone tęcze

Ciekawe, czy jakiś malarz na swoim obrazie utrwalił szczególnie rzadkie zjawisko optyczne towarzyszące zachodzącemu słońcu, kiedy to górna część jego tarczy na chwilę zabarwia się na zielono? Tym razem jest to efekt nie tyle rozpraszania promieni słonecznych, ile ich załamania się przy przejściu z wyższych warstw atmosfery o mniejszej gęstości do warstw przyziemnych o dużej gęstości. Kiedy wchodzisz do wanny napełnionej wodą, twoje nogi jakby grubieją, wyginają się i stają się krótsze. Takie zniekształcenie obrazu bierze się z załamania światła na granicy powietrza i wody – dwóch ośrodków o różnej gęstości. Podobnie ma się rzecz z nisko wiszącym nad horyzontem słońcem, którego światło wędruje długo przez atmosferę, a po drodze ulega nie tylko rozproszeniu, ale też załamaniu. W rezultacie obserwujemy je nieco wyżej, niż znajduje się ono w rzeczywistości. Jest też nieco spłaszczone, co wynika z tego, że jego dolna krawędź załamuje się silniej niż górna. No i od czasu do czasu rzuca zielony błysk, co z kolei jest związane z tym, że każda z jego barw załamuje się inaczej; w rezultacie czerwień zachodzącego słońca pojawia się nieco niżej niż fiolet i zieleń. Podsumowując: naszym oczom ukazuje się pozorny obraz prawdziwego obiektu. Można też powiedzieć inaczej, że mamy do czynienia z mirażem. W przypadku zielonego słonecznego promyka pojawiającego się na pożegnanie dnia jest to miraż górny, ponieważ obraz pozorny tarczy słonecznej znajduje się powyżej jej faktycznej pozycji.

W krainie miraży czeka na obserwatora wiele niezwykłych przeżyć. Możliwe jest oglądanie obiektów znajdujących się poniżej linii horyzontu – odległych gór, dalekich brzegów morskich, samotnych wysp, a także schowanej za krzywizną Ziemi tarczy słonecznej. W 1597 r. uczestnicy arktycznej wyprawy dowodzonej przez słynnego żeglarza i odkrywcę Williama Barentsa twierdzili, że zobaczyli słońce znajdujące się aż 5° poniżej horyzontu. Śmiano się z nich, ale dekadę później sławny Johannes Kepler w swojej „Optyce” wykazał, że był to miraż powstały w wyniku wielokrotnego załamywania się i odbijania promieni słonecznych w atmosferze. W pewnym sensie dzięki mirażom nasze horyzonty się rozszerzają. Widzimy obiekty, których normalnie nie mielibyśmy szans zobaczyć. Latem 1939 r. na północnym Atlantyku z okrętu płynącego w odległości 500 km od wybrzeży Islandii dostrzeżono wznoszący się na tej wyspie wulkan Snæfellsjökull (1446 m n.p.m). Dwa wieki wcześniej uznano by, że jest to wyspa, i naniesiono na mapę. Na dawnych mapach północnego Atlantyku wiele jest takich nieistniejących wysp i wąskich cieśnin. Zostały zaznaczone nie dlatego, że kartografów poniosła wyobraźnia – obserwacje były bowiem prawdziwe, tylko że oglądane lądy znajdowały się setki kilometrów dalej.

Poza mirażami górnymi bywają też dolne, kiedy powietrze przy ziemi silnie się nagrzewa, a światło zakrzywia się ku górze w tak dziwny sposób, że możemy np. zobaczyć lustrzane odbicie słońca poniżej jego obrazu rzeczywistego albo dwie częściowo nakładające się na siebie tarcze słoneczne ustawione jedna pod drugą. Na pustyni dzięki takiemu mirażowi dolnemu można zobaczyć lustrzane odbicie kawałka nieba i wziąć je za jezioro. Niejeden spragniony wody wędrowiec stracił życie, zwiedziony takim pozornym obrazem. Jak widać, zjawiska optyczne w przyrodzie potrafią być niebezpieczne, ale najczęściej są obiektem zachwytu lub zdumienia. Jak bowiem nie osłupieć na widok takiego rarytasu jak, dajmy na to, czerwona tęcza. Powstaje ona, kiedy słońce wisi nisko nad horyzontem, a większość barw jego światła pochłania atmosfera; pozostają tylko odcienie czerwieni, które załamują się i odbijają w wielkich kropelkach deszczu. Trzeba trafu, żeby zobaczyć takie dziwo.