Blog poświęcony popularyzacji badań klimatycznych

Zjawiska optyczne

sobota, 08 października 2011

Odblask słonca na wodzie składa się olbrzymiej ilości rozbłysków słońca na wodzie.  Ponieważ odblask słońca od oceanu jest najsilniejszym naturalnym źródłem światła na Ziemi to warto się zastanowić jak taki odblask powstaje.

 

Zakrzywiony odblask słońca na wodzie

Wyobrażmy sobie, że powierzchnia oceanu pokryta jest wieloma milionami (a może i więcej) bardzo małych lusterek o wielkości od 1mm aż do około 1m. Te lusterka mogą być umieszczone pod pewnym kątem od płaskiej powierzchni oceanu, a to jakie są te odchylenia od poziomu zależy głównie od prędkości wiatru. Od tych lusterek odbija się słońce i każde z tych lusterek jest teraz małym słońcem. Kiedy patrzymy na powierzchnię wody zmarszczoną przez wiatr,  to widzimy słońce dochodzące od lusterek o różnych nachyleniach. Intensywność dochodzącego światła zależy od tego ile jest lusterek i jak te lusterka są nachylone i przekręcone – lusterko może mieć to samo nachylenie od płaskiej powierzchni, ale „zajączek” może być puszczany w innym kierunku. Mówimy fachowo, że lusterka mają pewne prawdopodobieństwo rozkładu nachylenia i kąta azymutalnego. A właściwie fachowo nie mówimy o lusterkach tylko o falach kapilarnych i krótkich falach grawitacyjnych (uwaga – fizycy z jakiegoś powodu uważają, że fale grawitacyjne muszą mieć coś wspólnego z teorią względności, ale tu nie o te fale chodzi).   Fale kapilarne to  zmarszczki na powierzchni wody - bardzo małe odchylenia od płaskiej powierzchni wody. Fale te pojawiają się przy najmniejszym wietrze, ale występują nawet przy wiatrach huraganowych. Fale kapilarne mogą powstawać przy zderzeniu kropli wody z jej powierzchnią i przez kilka innych mechanizmów. To właśnie te krótkie fale są lusterkami odpowiedzialnymi za odblask światła. Dlaczego odblask światła czasami się zwęża, a czasami rozszerza?  Może tak być jeżeli lusterka mają w różnych obszarach wody różny rozkład. Dla przykładu, jeżeli rozlać na wodzie olej,  to powoduje to zmianę rozkładu lusterek – żeglarze wiedzą, że olej rozlany wokół jachtu uśmierza fale. Odblask słońca na wodzie zazwyczaj jest w jednym kierunku, ale jeżeli nastąpiła pewna asymetria w rozkładzie lusterek, to odblask słońca może się skręcić.   Taka asymetria rozkładu może nastąpić jeżeli krótkie fale zaczynają oddziaływać z długimi. Np jeżeli na jeziorze przepływała motorówka, to długie fale przez nią wywołane mogą zmodyfikować rozkład lusterek w sposób asymetryczny. Inną możliwością jest kierunek wiatru: rozkład lusterek jest inny od strony nawietrznej (skąd wieje wiatr) niż od strony zawietrznej i jeżeli kierunek wiatru jest prostopadły do kierunku pomiędzy obserwatorem i słońcem to może nastąpić zakrzywienie odblasku. Wspomniałem już, że prędkość wiatru określa rozkład odchylenia od poziomu. Te odchylenia mogą dochodzić do około 30 stopni. Skoro tak, to z odblasku słońca na wodzie można określić prędkość wiatru. Podobny efekt, jest wykorzystywany w pomiarach prędkości wiatru z satelitów. Natomiast nie bardzo można określić wielkość lusterek za pomocą obserwacji słonca na wodzie. Innymi słowy fale o wielkości 1mm, 1cm, 1m będą dawać identyczne efekty.

 

Rozbłysk światła

Okazuje się też, że lusterka nie są na wodzie rozmieszczone przypadkowo. Dlatego odblask słońca składa się z milionów uporządkowanych rozbłysków słońca. To tak jakby lusterka układały się w pętle na wodzie i specjalnie ustawiały nachylenie i kierunek tak, żeby dawać jednocześnie sygnał w tym samym czasie. Te pętle mają bardzo ciekawe własności. Nagle sie pojawiają i znikają.

Pomiary odblasku słońca metodą obserwacji nachyleń zaczęto w roku 1822 w Morzu Tyrreńskim, ale najsłynniejszą metodą są zdjęcia zrobione przez Coxa i Munka i opublikowane w 1954 roku.  Cox i Munk wymyślili, że rozkłady nachyleń można wyznaczyć za pomocą oceny różnych części jasności zdjęcia fotograficznego odblasku słońca.  Specjalnie robili zdjęcie tak, żeby nie było ostre („rozmyte”).  W tym celu robili zdjęcia za pomocą aparatu fotograficznego bez obiektywu. Analizując jasność zdjęć robionych z samolotu przy różnych prędkościach wiatru dostali rozkłady nachyleń lusterek na wodzie. Tę samą procedurę powtórzono niedawno za pomocą analizy kilku milionów zdjęć satelitarnych (instrument POLDER) i wyniki okazały się być podobne.  Odblask słońca ma wiele ciekawych zastosowań. Np obserwując oblask słońca z satelity można wyznaczyć zanieczyszczenia atmosferyczne w atmosferze. Ale to już temat na inną bajkę.

Dla expertów: 

Rozróżnienie pomiędzy odblaskiem słońca na wodzie i rozbłyskiem słońca na wodzie zostało zaproponowane kilka dni temu przez Davida Lyncha w artykule z 1 października 2011 – „Glitter and glints on water”, David K. Lynch, David S. P. Dearborn, and James A. Lock, Applied Optics, vol. 50, F39-F49.  Teoria rozbłysków słońca jest interesująca i opiera się na procesach tworzenia oraz anihilacji. Źródłem odblasku mogą być teź inne obiekty (Księżyc, Wenus) ale i chmury. Analogia z lusterkami zakłada odbicie Fresnela od powierzchni.