ATMOSFERSKA OPTIKA bavi se pojavama, koje nastaju pri prolaženju svjetlosti kroz atmosferu, bilo da svjetlost dolazi od nebeskih tijela, bilo od zemaljskih izvora. Te optičke pojave nastaju u atmosferi zbog toga, što atmosfera nije posvuda jednakih svojstava; idući uvis, ona je sve rjeđa, a i temperatura joj se mijenja: prema gore ona redovno opada, ali zna uz stanovite okolnosti i da raste. Daljnji je uzrok optičkim pojavama u atmosferi, što u njoj pored zraka ima mnoštvo koje tekućih, koje krutih čestica: kapljica magle i oblaka, ledenih kristala u visokim oblacima, sitnih čestica prašine, morske soli, proizvoda izgaranja, vulkanskog pepela i dr.

Refrakcija općenito. Pozabavit ćemo se najprije pojavama u čistoj atmosferi (bez utjecaja krutih i tekućih elemenata), koje se svode na razlike u gustoći slojeva atmosfere. Kako gustoća zraka ovisi o temperaturi, brzina, kojom gustoća zraka idući uvis opada, ovisi o brzini, kojom opada temperatura. Mjera za brzinu opadanja temperature je vertikalni gradijent temperature, koji se obično izražava brojem °C, za koliko temperatura opada na 1oo m visine. Što je taj gradijent veći, to sporije opada gustoća zraka; kad gradijent iznosi 3,4°C na 1oo m, onda gustoća idući uvis više ne opada, nego ostaje stalna, a kad bi gradijent prešao tu vrijednost, gustoća bi zraka idući uvis rasla.

Kad svjetlost prelazi u sloj druge gustoće, zrake promijene smjer, lome se, i to kod prijelaza u gušći sloj lome se »k okomici« (čine nakon prelamanja kut s okomicom na graničnu plohu manji nego prije prelamanja); naprotiv, kod prijelaza iz gušćeg u rjeđi sloj, zrake se lome »od okomice«, kut je prelamanja veći od kuta upadanja. Ako kod prijelaza iz gušćeg u rjeđi sloj kut upadanja prijeđe izvjestan iznos, koji ovisi o razlici u gustoći slojeva, zraka bi morala nakon loma od okomice činiti s okomicom kut veći od 90°, a to znači, da ona uopće ne prijeđe u drugi rjeđi sloj, nego se vraća u isti sloj, odakle je došla, ona se »totalno odbije« (totalna refleksija).

Kad zraka svjetlosti prolazi kroz atmosferu, u kojoj se gustoća mijenja od sloja do sloja, ona se lomi neprestano pri prelaženju iz sloja u sloj i postaje zakrivljena. Ako se zraka približava tlu, dolazi u slojeve sve veće gustoće, pa se lomi neprestano prema okomici, i upada u niže slojeve sve strmije. Udaljujući se od tla i dolazeći u sve rjeđe slojeve, zraka se lomi neprestano od okomice i upada sve manje strmo. Krivulja, kojom svjetlost prolazi kroz atmosferu, uvijek je konkavna (udubljena) prema području veće gustoće (sl.1). Na sl. 1 je zakrivljenost luka AB, koji prikazuje put svjetlosti kroz atmosferu, u kojoj gustoća idući u visinu opada, pretjerana. Zakrivljenost redovno odgovara polumjeru 5 do 7 puta većem od polumjera Zemlje. Zakrivljenost je to veća, što se brže od sloja do sloja mijenja gustoća uzduha. Ta pojava, da su zrake svjetlosti pri prolazu kroz atmosferu zakrivljene zbog prelamanja svjetlosti, označuje se kao atmosferska refrakcija (refrakcija prelamanje).

Posljedica je atmosferske refrakcije, da predmete, od kojih nam dolazi svjetlost, ne vidimo na onom mjestu, gdje se stvarno nalaze, nego nešto podignute. Motritelj u točki B, sl. 1, kojemu dolazi svjetlost iz točke A, ne vidi izvor svjetlosti u A, nego u smjeru tangente na luk AB, t. j. izvor svjetlosti mu je prividno u točki A'. Izvor svjetlosti ima dakle prividno veću visinu nad horizontom. Razlika između prividne i prave visine izvora svjetlosti zove se kut refrakcije (kut r, sl. 1). Razlikuju se dva slučaja refrakcije: astronomska refrakcija i terestrička refrakcija.

a) Astronomsku refrakciju imamo, ako je izvor svjetlosti nebesko tijelo (na pr. Sunce ili zvijezda), te se nalazi izvan atmosfere. Tada svjetlost prolazi kroz cijelu Zemljinu atmosferu, te prođe to veći put, što je nebesko tijelo bliže horizontu. S duljinom puta kroz atmosferu raste kut refrakcije. Na sl. 2 neka je nebesko tijelo male visine h u velikoj udaljenosti; od njega dolazi zraka a₁ (paralelna sa AS₁ = a), koja se lomi i zbog refrakcije prolazi kroz atmosferu zakrivljenim putem DEFGHA ; motritelj u točki A vidi nebesko tijelo u smjeru AHS'₁ u visini h' većoj od h. Kut r=h'—h je kut refrakcije; taj za nebeska tijela u blizini horizonta iznosi oko ¹/_2°, a za nebeska tijela blizu zenita samo nekoliko kutnih sekunda. Kod astronomskog određivanja visine nebeskog tijela nad horizontom (a to je određivanje važno kod određivanja mjesta, gdje se brod nalazi), mora se uvažiti i refrakcija i zato postoje tablice za refrakciju. Kako je refrakcija za nebeske objekte blizu horizonta velika, a nesigurna zbog poremećenosti atmosfere blizu tla, točnost je veća, ako se određuje visina nebeskih tijela, koja su u blizini zenita. Posljedica je astronomske refrakcije, da nebeska tijela prividno ranije izlaze na istočnom horizontu, a kasnije zalaze na zapadnom. To vrijedi dakako i za Sunce, pa se refrakcijom svijetli dio dana nešto produlji (na pr. u širinama oko 45⁰ u ekvinokciju otprilike za 7 minuta).

b) Terestričku refrakciju imamo, ako je izvor svjetlosti u atmosferi, kao na pr. točka A na sl. 1. Kut refrakcije r, jednak razlici između prividne i prave visine predmeta, bit će to veći, što se predmet nalazi u većoj udaljenosti. Za normalne prilike u atmosferi taj kut iznosi 2", ako je predmet u udaljenosti 1 km, 20" za udaljenost 10 km, 42" za udaljenost 20 km. Terestrička se refrakcija uvažava kod geodetskih mjerenja.

Depresija prividnog horizonta. Daljnja je posljedica atmosferske refrakcije depresija prividnog horizonta. Ako na ravnom dijelu Zemljine površine, gdje vidik nije ograničen uzvisinama, na pr. na morskoj pučini, stanemo u točku A (sl. 3), koja je izdignuta (na pr. na palubi broda), onda bismo, kad ne bi bilo refrakcije, te bi se svjetlost širila u pravcima, vidom dohvatili točku C, koja je diralište tangente povučene iz A na površinu kuglaste Zemlje. Kako se zbog refrakcije svjetlost širi po krivulji, koja je konkavna prema Zemlji (području veće gustoće zraka), to će najudaljenija točka, iz koje u naše oko još dopire svjetlost, biti točka D, gdje se luk AD krivulje dodiruje Zemljine površine. Kut d, što ga čini tangenta na luk AD u točki A s vodoravnom ravninom kroz A (»pravim horizontom«), zove se depresija prividnog horizonta. Taj se kut u kutnim minutama, uz normalnu refrakciju, izražava formulom \(d=1,776\sqrt h\) , gdje je h metrima izražena visina stajališta A nad ravninom horizonta. Ako na pr. stojimo na brodu u visini 16 m iznad mora, onda d iznosi 7,1'. Daljina AD, dokle opažač vidi iz točke A, t. j. daljina prividnog horizonta iznosi uz normalnu refrakciju \(3872\,\sqrt h\;m\) , odnosno, izraženo u nautičkim miljama, \(\cfrac{3872}{1852}\sqrt h\;nm\) . Za praktične svrhe navigacije možemo tu daljinu izraziti s dovoljnom točnošću kao \(2\,\sqrt h\) ; na pr. za h=16 m daljina je prividnog horizonta okruglo 8 nm.

Međutim u slučajevima, kad je zbog osobitog vertikalnog rasporeda temperature u atmosferi (kad temperatura idući uvis ili slabo opada ili štoviše raste) refrakcija izvanredno velika, zna i daljina vidika (dakako uz bistru atmosferu) biti izvanredno velika. Tada se vide obale zemalja onkraj mora, koje se redovno ne vide.

Zrcaljenja u atmosferi ili miraži (od franc. mirage= zrcaljenje). To su pojave, kod kojih vidimo jedan predmet na zemlji ne samo direktno, nego još i jednu njegovu obrnutu sliku, koja nastaje u atmosferi. Zrake svjetlosti od toga predmeta očito dolaze dvama putovima u naše oko: jedan je put izravan, kao kod običnog gledanja ; drugim putem dolaze zrake, pošto su se odbile od jednog sloja u atmosferi kao od zrcala. Slika, koja nastaje odbijanjem zraka na vodoravnom sloju atmosfere, obrnuta je, kao što su obrnute na pr. slike brda, zgrada, drveća, što nastaju zrcaljenjem u jezeru. Takvo će zrcaljenje u zraku nastati, ako se od sloja do sloja u atmosferi vrlo naglo mijenja temperatura. Tada su i promjene gustoće velike, pa zrake, koje dolaze iz gušćeg sloja, dobiju toliku zakrivljenost, konkavnu prema gušćem sloju, da se vrate u gušći sloj. Zrake se dakle od toplijeg, rjeđeg sloja odbiju kao u slučaju totalne refleksije. U stvari možemo pojave zrcaljenja u atmosferi shvatiti kao totalnu refleksiju, ako umjesto jakog porasta temperature od sloja do sloja u atmosferi zamislimo oštru granicu između hladnijeg, gušćeg i toplijeg, rjeđeg sloja, pa na toj granici nastaje skok temperature.

Razlikujemo dva glavna slučaja zrcaljenja: zrcaljenje prema gore i zrcaljenje prema dolje.

a) Zrcaljenje prema gore (sl. 4) nastaje, kad u nekoj visini (najviše koju stotinu metara) iznad tla postoji inverzija, t. j. sloj zraka, u kojem temperatura idući uvis raste, umjesto da, kao obično, opada. Na granici te inverzije nastaje nagla promjena gustoće, gornji je sloj znatno rjeđi. Da bi zrake svjetlosti od predmeta upadale pod dovoljno velikim kutom, mora inverzija biti dovoljno niska, a predmet dovoljno udaljen. Ako je inverzioni sloj vrlo nizak (50 m), onda mora, da bi nastalo zrcaljenje prema gore, porast temperature od nižeg hladnijeg, do višeg toplijeg sloja odgovarati porastu temperature za otprilike 6°C, a udaljenost predmeta mora biti oko 30 km.

b) Zrcaljenje prema dolje nastaje, ako je pri tlu tanak sloj toplog zraka, a temperatura zraka idući uvis naglo opada. Takav vertikalni raspored temperature nastaje vrlo često u pustinjama i stepama, gdje se pjeskovito tlo od Sunca jako ugrije; nastaje i na morima (tako i na Jadranskom), ako se nad morem zrak ohladi, na pr. hladnim vjetrom, koji struji preko površine. U takvim okolnostima naglog pada temperature idući uvis, niži sloj zna biti rjeđi od viših, i zrake svjetlosti postaju jako zakrivljene s konkavnom stranom prema gore; zrake se vladaju, kao da su od jedne vodoravne plohe totalno reflektirane.

Da bi nastala pojava zrcaljenja prema dolje, predmeti moraju biti dovoljno udaljeni i samo malo nadvisiti prividni horizont, tako da zrake upadaju na topli sloj vrlo koso. Nakon refleksije zrake dolaze u naše oko odozdo, i mi vidimo ispod predmeta njegovu obrnutu sliku, kao da se predmet zrcali u mirnoj površini vode (sl. 5). Odatle i iluzija od tog miraža u pustinji, da je u daljini vodena površina, u kojoj se zrcali drveće i dr. S predmetom zajedno zrcali se i jedna pruga neba na horizontu, pa to na moru daje iluziju, kao da se površina mora nalazi i ispod slike, te su na pr. otoci zajedno sa slikama prividno podignuti (sl. 6). Kako je zbog zakrivljenosti Zemlje sloj, na kojemu se zbiva zrcaljenje, »ispupčano zrcalo«, to je slika u vertikalnoj dimenziji stisnuta (sl. 7).

U pojave zrcaljenja u atmosferi ubraja se i glasovita Fata morgana, koja se osobito lijepo pojavljuje u krajevima oko Kalabrije. Tu se u atmosferi javljaju razne slike fantastičnih oblika, koje se brzo mijenjaju. Fata morgana tumači se kao kombinacija zrcaljenja prema gore i prema dolje uz različite, pa i kose položaje refleksionih ploha i uz nestalne uvjete u atmosferi.

Halo - pojave. Zrake svjetlosti, koje dolaze od nebeskih tijela, prelamaju se i odbijaju na kristalićima leda, koji lebdi u atmosferi. Kod prelamanja nastaju i boje spektra. Od sitnih ledenih kristala sastoje se visoki oblaci. Osobito u visokim oblacima vrste cirrostratus nastaju zbog prelamanja i odbijanja svjetlosti na kristalima leda t. zv. halo-pojave: krugovi oko Sunca i Mjeseca, pasunca (parheliji), razni lukovi i stupovi svjetlosti.

Osnovni je oblik kristalića leda šesterostrana prizma. Najčešća halo-pojava je krug oko Sunca ili oko Mjeseca s polumjerom od 22⁰ (sl. 8), a nastaje, ako se zrake sunčeve ili mjesečeve svjetlosti prelamaju na pobočnim plohama tih ledenih prizama. Parheliji (pasunca) su svjetlije pjege na dva dijametralno suprotna mjesta kruga oko Sunca u jednakoj visini nad horizontom kao i Sunce, a pokazuju, ako su jako razvijene, spektralne boje. Druge halo-pojave nastaju prelamanjem svjetlosti na raznim kombinacijama kristalnih ploha, pri raznim položajima kristala, te odbijanjem na kristalnim plohama.

Ako svjetlost Sunca ili Mjeseca prolazi kroz oblak, koji se sastoji od sitnih kapljica, onda se pojavljuje vijenac (corona), koji se sastoji od niza obojenih koluta oko nebeskog tijela. Sličnu pojavu vidimo, ako udaljeni izvor svjetlosti gledamo kroz orošeno staklo. Češće se vide vijenci oko Mjeseca, nego oko Sunca, jer svjetloća pojave vijenca iščezava prema velikoj svjetlosti Sunca. Koluti, od kojih se sastoji vijenac, imaju polumjer 1° do 10°. Unutrašnjost vijenca čini jednoliko svijetla ploha, koja katkada pokazuje slabu žućkastu boju, a ima izrazito crven rub. Taj dio pojave, koji se često sam javlja, zove se aureola. Kod potpuno razvijenog vijenca nižu se oko aureole idući prema vani daljnji koluti (najviše 3), obojeni na unutrašnjem rubu zelenkastoplavo, na vanjskom crveno. Pojava vijenaca tumači se ogibom svjetlosti. Ako svjetlost pustimo kroz vrlo malen otvor, onda se ona širi ne samo u onom pramenu zraka, koji je izdvojen malim otvorom, nego skreće i u prostor sjene, a pritom se bijela svjetlost razdijeli u niz spektralnih boja, gdje je ljubičasta najbliža prvobitnom pramenu. Ta se pojava zove ogib svjetlosti. Ako u neprozirnom zastoru načinimo više malih otvora, pojavi se pojačana svjetlost. To se događa i onda, ako imamo pred izvorom svjetlosti sitne, neprozirne čestice, t. j. »negativ« prvog slučaja: zastor je proziran, a samo u pojedinim točkama neproziran. Kao mnoštvo takvih sitnih neprozirnih čestica djeluju vodene kapljice oblaka, kroz koji sija Mjesec ili Sunce. Što su kapljice sitnije, to je veći polumjer koluta vijenca, a to su izrazitije i boje.

Dugu vidimo, kad je ona strana neba, prema kojoj gledamo, zastrta kišom, dok nam Sunce sija iza leđa. Dugu sačinjavaju kružni lukovi obojeni spektralnim bojama. Ti su lukovi obično manji od polukruga; kad je Sunce u horizontu, onda su polu krugovi. Samo ako je opažač u visini, on može vidjeti više od polukruga. Središte je tih lukova u produljenoj spojnici Sunca (odnosno Mjeseca) i našeg oka; to je središte pod horizontom, dok je god Sunce (odnosno Mjesec) nad horizontom, a opažač u ravnini horizonta. Zbog toga međusobnog položaja Sunca, našeg oka i središta duginih lukova, pojavit će se duga najčešće u rano prijepodne i predveče. Pojavljuju se često dvije duge, glavna duga i iznad nje sporedna duga. Kod glavne je duge crvena boja na vanjskom rubu, a plava na unutarnjem; kod sporedne duge crvena je boja na unutarnjem, a plava na vanjskom rubu. Polumjer crvenog luka iznosi kod glavne duge 42 ¹/₂^°, a kod sporedne duge 51⁰ (sl. 9a). Pojava duge tumači se prelamanjem i odbijanjem sunčevih (odnosno mjesečevih) zraka u kapljicama kiše. Te se zrake prelamaju dva puta u kapljici: kad ulaze iz zraka u kapljicu i kad opet izlaze. Kod izlaza je bijela svjetlost rastavljena u spektralne boje. Između ta dva prelamanja odbijaju se zrake na unutarnjoj strani površine kapljice ili jedamput, ili dvaput, već prema kutu upadanja. Glavna duga nastaje od onih kapljica, u kojima se zrake jedamput odbijaju, sporedna duga od onih, koje se dvaput odbijaju (sl. 9b). Mjesečeva je duga obično male svjetlosti, pa boje nisu jasne, i duga se pričinja bijela. Bijele znaju biti i sunčeve duge, kad nastaju od vrlo sitnih kapljica kiše ili na magli.

Boja neba ovisi o sitnim elementima materije, kojih ima u atmosferi (sitna prašina bilo uzvitlana vjetrovima, bilo vulkanskog podrijetla, sitne kapljice vode nastale kondenzacijom vodene pare, male skupine molekula). Na takvim sitnim česticama materije nastaje difuzija svjetlosti (raspršivanje svjetlosti na sve strane pri odbijanju od tih čestica). Ako su čestice tako sitne (promjera najviše 0,0005 mm), da im je promjer istog stupnja veličine kao duljine valova svjetlosti, onda difuzija ne zahvaća jednako sve boje, od kojih je složena bijela svjetlost, nego se najjače rasprše plave i ljubičaste zrake. Stoga je nebo plavo, kad je atmosfera čista, nema oblaka ni magle, pa se difuzija zbiva samo na najsitnijim skupinama molekula. Sunčeve zrake ne dolaze nam dakle samo direktno, nego zbog difuzije i zaobilazno od svih točaka neba. Stoga su difuznom svjetlošću po danu osvijetljena i ona mjesta, gdje ne dopiru direktne Sunčeve zrake. Kad ne bi bilo difuzije svjetlosti u atmosferi, nebo bi bilo crno i onda, kad je Sunce na njemu. Ako su čestice materije, koje lebde u atmosferi, krupnije, onda razlika između jačine difuzije za pojedine boje sve više iščezava, t. j. difuzna svjetlost postaje sve bjelja. Ako promjer čestica prijeđe 0,01 mm (te veličine je promjer kapljica vode, koje sačinjavaju maglu), onda su u difuznoj svjetlosti već pomiješane sve boje, pa i bijela, odnosno siva.

Kod izlaza i zalaza Sunca zrake prijeđu u atmosferi mnogo dulji put, nego kad Sunce stoji visoko, a taj se put nalazi dobrim dijelom u najnižim slojevima atmosfere, gdje ima mnogo onih elemenata materije (čestica prašine i dr.), na kojima nastaje difuzija svjetlosti. Kako difuzija uklanja osobito zrake s ljubičastog kraja spektra, to u svjetlosti prevladavaju boje s crvenog kraja, te nastaje jutarnje i večernje rumenilo neba. Boje na jutarnjem i večernjem horizontu to su življe, što više sitnih krutih i tekućih elemenata ima u atmosferi.

Ako se Sunce nalazi nekoliko stupnjeva ispod horizonta prije izlaza i poslije zalaza, onda njegove zrake još mogu da dopru do viših slojeva atmosfere. Ako u atmosferi ima elemenata, na kojima se svjetlost difuzno rasprši, nastaju boje neba, često vrlo žive, koje zapažamo u sumraku.

Vidljivost (vizibilitet). Daljina, do koje se mogu razabrati predmeti, ovisi o stupnju mutnoće atmosfere, t. j. o količini i veličini tekućih i krutih čestica, koje se nalaze u atmosferi. Ako su te čestice (na pr. kapljice magle, prašina) u onom zraku, koji je između opažača i predmeta, osvijetljene Suncem ili svjetlošću neba, onda u oko opažača dolazi ona svjetlost, koja se difuzno odbija od tih čestica, pa se opažaču prikazuju predmeti kao da su zastrti velom. Što je više čestica u zraku (na pr. gušća magla), a što je jače osvjetljenje, to više taj veo zastire predmete, to slabije se razabiru razlike u svjetloći i boji između predmeta i njegove pozadine. Što je predmet udaljeniji, to je deblji sloj mutnoga zraka između opažača i predmeta, to slabije predmet odskače od pozadine. Najveća udaljenost, u kojoj može opažač po danu vidjeti i raspoznati predmete (kuće, drveće i sl.), koji nisu sami izvori svjetlosti, označuje se kao vidljivost (vizibilitet). Kako se u vidljivosti očituju važna svojstva zračnih masa, ono se u meteorologiji sistematično motri. Za tu svrhu postoji ljestvica vidljivosti, utvrđena od svjetske organizacije meteorologije. Za meteorološke stanice višega reda utvrdi se u okolini niz pogodnih predmeta poznate udaljenosti, po kojima će se odrediti vidljivost. Noću je vidljivost određena najvećom udaljenošću, u kojoj se još vidi izvor svjetlosti određene, a umjerene jačine. Uz isto stanje atmosfere ne će vizibilitet danju i noću biti izražen istim brojem, jer danju na vidljivost djeluje difuzija svjetlosti, koja između oka opažača i predmeta stvara veo, dok noću djeluje apsorpcija one svjetlosti, koja dolazi od izvora. Ako noću vlada potpuna tama ili nema svjetlosti osim od zvijezda, a vidljivost noću odredimo udaljenošću, u kojoj treba da bude smješten izvor svjetlosti od 100 svijeća, pa da se upravo još vidi, onda:

vidljivosti po danu od 100 m odgovara vidljivost po noći od 300 m
LIT.: J. M. Pernter i F. M. Exner, Meteorologische Optik, Wien— Leipzig 1922; A. Wegener, Optik dcr Atmosphare i Müller i Pouillet, Lehrbuch der Physik; W. Milch, Optik dcr Atmosphare, Wien, Harms, Handbuch der Experimentalphysik 1928; W. I. Humphreys, Physics of thc air, New York—London 1940.J. G.