Fenomene optice in natura: curcubeul, mirajul

Fenomenele optice din natura sunt rezultatul interactiunii luminii cu mediile prin care trece (aer, apa, sticla etc.). Doua dintre cele mai spectaculoase sunt curcubeul si mirajul. Pentru a le intelege, trebuie sa cunoastem doua concepte de baza: refractia si dispersia luminii.

Refractia este schimbarea directiei luminii cand trece dintr-un mediu in altul (de exemplu, din aer in apa). Dispersia este descompunerea luminii albe in culorile componente (rosu, portocaliu, galben, verde, albastru, indigo, violet) din cauza faptului ca fiecare culoare (frecventa) se refracta usor diferit.

Curcubeul se formeaza atunci cand lumina soarelui traverseaza picaturile de apa din atmosfera (dupa ploaie sau langa o cascada). In interiorul picaturii, lumina sufera mai multe fenomene: 1) refractia la intrarea in picatura, 2) reflectia totala pe peretele interior al picaturii, 3) refractia la iesirea din picatura. In timpul acestor procese, lumina alba este dispersata in culorile spectrului.

Observatorul vede arcul de cerc colorat deoarece picaturile diferite din atmosfera directioneaza spre ochiul sau cate o culoare. De obicei, rosu este pe exteriorul arcului, iar violet pe interior. Exista si curcubeu dublu, cand lumina se reflecta de doua ori in picatura – atunci ordinea culorilor este inversata.

Mirajul este un fenomen optic cauzat de refractia luminii in straturi de aer cu temperaturi (si implicit densitati) diferite. De exemplu, intr-o zi calduroasa, aerul de langa sol este foarte fierbinte (mai putin dens) decat aerul de deasupra. Lumina care vine de la un obiect indepartat (cum ar fi un copac sau o masina) se refracta treptat catre partea mai rece si mai densa (in sus).

Creierul nostru percepe razele de lumina ca venind in linie dreapta, asa ca „vedem” o imagine a cerului sau a apei pe sol – aceasta este iluzia de apa pe sosea. In desert, mirajul face sa para ca exista o oaza de apa, dar este doar o reflexie a cerului. Invers, mirajul superior apare cand aerul de jos este mai rece (de exemplu deasupra apei reci) si imaginea unui vapor sau a unui iceberg apare suspendata deasupra orizontului.

Ambele fenomene ne arata cum lumina „se joaca” cu ochii nostri, dar pot fi explicate riguros folosind legile fizicii (legea reflexiei si legea refractiei – Snell-Descartes).

Exemple

• Exemplul 1 (Curcubeul dupa ploaie): Dupa o ploaie de vara, soarele iese din nori. Daca stai cu spatele la soare si privesti in directia opusa, poti vedea un arc colorat pe cer. De ce? Pentru ca picaturile de apa ramase in aer actioneaza ca niste mici prisme. Ele descompun lumina alba in culori. Culorile apar intotdeauna in aceeasi ordine: rosu (exterior), portocaliu, galben, verde, albastru, indigo, violet (interior).
• Exemplul 2 (Mirajul pe sosea vara): Intr-o zi torida de august, cand conduci pe o sosea asfaltata, de departe pare ca apa s-a adunat pe drum. Cand te apropii, apa „disparea”. Explicatia: aerul fierbinte de langa asfalt are indicele de refractie mai mic decat aerul rece de deasupra. Razele de lumina de la cer se refracta continuu catre zona mai densa (sus), iar creierul tau le interpreteaza ca venind de jos, creand iluzia unei suprafete reflectorizante (apa).
• Exemplul 3 (Mirajul in desert): Un calator in desert vede in departare o oaza cu palmieri si apa. Cand se apropie, constata ca nu exista nimic. Fenomenul este similar: aerul foarte cald de langa nisip devine mai putin dens, iar lumina de la cer se curbeaza in sus. Imaginea cerului apare ca o pata albastra care seamana cu apa. Palmierii pot fi de fapt copaci reali, dar imaginea lor este rasturnata si proiectata deasupra solului.

Concepte cheie: Refractia luminii: schimbarea directiei luminii la trecerea dintr-un mediu in altul, Dispersia luminii: separarea luminii albe in culorile spectrului (ROGVAIV), Curcubeul: fenomen datorat refractiei, dispersiei si reflexiei totale in picaturile de apa, Mirajul inferior: iluzia de apa pe sosea din cauza aerului cald de langa sol, Mirajul superior: imaginea unui obiect peste orizont datorita stratului de aer rece langa sol, Rolul indicelui de refractie (dependent de temperatura si de lungimea de unda)