Obłoki srebrzyste – chmury, które świecą po zachodzie Słońca
Wyobraź sobie letnią noc. Słońce schowało się już za horyzontem, niebo pociemniało, a wysoko nad północnym horyzontem pojawiają się delikatne, srebrzyste smugi przypominające cienkie, świecące chmury.
To obłoki srebrzyste, nazywane również NLC (Noctilucent Clouds). Nie wytwarzają własnego światła. Nie są też zwykłymi chmurami oświetlonymi przez Księżyc. Ich niezwykły wygląd można wyjaśnić za pomocą kilku zagadnień, które dobrze zna każdy maturzysta przygotowujący się do rozszerzonej matury z fizyki.
Najwyższe chmury w atmosferze
Typowe chmury związane z pogodą powstają przede wszystkim w troposferze, czyli najniższej warstwie atmosfery. Obłoki srebrzyste znajdują się znacznie wyżej – w mezosferze, zwykle na wysokości około 80–85 km nad powierzchnią Ziemi.
Dla porównania samoloty pasażerskie latają zazwyczaj na wysokości około 10–12 km. Obłoki srebrzyste znajdują się więc wielokrotnie wyżej.
Tworzą je niezwykle małe kryształki lodu. Aby mogły powstać, potrzebne są między innymi bardzo niskie temperatury oraz odpowiednie warunki umożliwiające tworzenie się kryształków.
Co ciekawe, obłoki srebrzyste najlepiej obserwuje się w miesiącach letnich na średnich i wysokich szerokościach geograficznych. Choć może wydawać się to paradoksalne, mezosfera w okolicach mezopauzy osiąga właśnie latem wyjątkowo niskie temperatury.
Zapamiętaj!
Obłoki srebrzyste należą do najwyżej występujących chmur w atmosferze Ziemi. Powstają w okolicach mezopauzy, na wysokości około 80–85 km.
Dlaczego widzimy je po zachodzie Słońca?
Po zachodzie Słońca powierzchnia Ziemi i znajdujący się na niej obserwator mogą już znajdować się w cieniu Ziemi. Promienie słoneczne nie docierają więc bezpośrednio do obserwatora. Obłoki srebrzyste znajdują się jednak kilkadziesiąt kilometrów nad jego głową. Ze względu na kulisty kształt Ziemi promienie Słońca mogą nadal docierać do obłoków znajdujących się wysoko nad powierzchnią, mimo że niższe warstwy atmosfery są już zacienione. Można więc powiedzieć: obserwator znajduje się już w cieniu Ziemi, natomiast obłoki srebrzyste wciąż znajdują się w świetle słonecznym. To właśnie dlatego są szczególnie dobrze widoczne podczas zmierzchu.
Czy obłoki srebrzyste naprawdę świecą?
Nie. Obłoki srebrzyste nie emitują światła widzialnego, lecz rozpraszają docierające do nich promieniowanie słoneczne. Światło pada na znajdujące się w nich drobne kryształki lodu, a jego część zostaje skierowana w stronę obserwatora. Podobną różnicę warto pamiętać w przypadku Księżyca. Księżyc widzimy nie dlatego, że sam wytwarza światło widzialne, lecz dlatego, że odbija i rozprasza światło pochodzące od Słońca.
Co ma z tym wspólnego rozpraszanie światła?
Obłoki srebrzyste składają się z bardzo małych kryształków lodu. Padające na nie promieniowanie słoneczne ulega rozpraszaniu. Warto przy tej okazji przypomnieć sobie szerszy kontekst. Światło widzialne jest częścią widma fal elektromagnetycznych, a jego barwa związana jest z długością fali i częstotliwością.
Obowiązuje zależność: c = λf
gdzie:
- c – prędkość światła w próżni,
- λ – długość fali,
- f – częstotliwość.
Im większa częstotliwość fali elektromagnetycznej, tym mniejsza jej długość. W atmosferze sposób rozpraszania światła zależy między innymi od rozmiarów cząstek, na których zachodzi to zjawisko. Dlatego analiza wyglądu obłoków może prowadzić do znacznie szerszych zagadnień z optyki i fizyki atmosfery.
Dlaczego ten temat może zainteresować maturzystę?
Obłoki srebrzyste są świetnym przykładem zjawiska, które można wykorzystać do sprawdzenia kilku różnych umiejętności jednocześnie.
W zadaniu maturalnym mogłyby pojawić się:
- geometria związana z kulistym kształtem Ziemi,
- promień Ziemi i wysokość nad jej powierzchnią,
- rozchodzenie się światła,
- rozpraszanie promieniowania,
- fale elektromagnetyczne,
- analiza schematu,
- interpretacja danych,
- przeliczanie kilometrów na metry,
- funkcje trygonometryczne,
- wnioskowanie na podstawie opisu zjawiska.
Zadanie 1.
Oblicz odległość obłoku od środka Ziemi.
Zadanie 2.
Narysuj Ziemię, obserwatora, obłok oraz promień światła słonecznego styczny do powierzchni Ziemi. Zaznacz na rysunku promień Ziemi oraz wysokość obłoku.
Zadanie 3.
Wyjaśnij, dlaczego po zachodzie Słońca obserwator może znajdować się już w cieniu Ziemi, podczas gdy obłok srebrzysty pozostaje oświetlony.
Zadanie 4.
Wyjaśnij, dlaczego stwierdzenie „obłoki srebrzyste emitują srebrzyste światło” jest niepoprawne z punktu widzenia fizyki.
Patrz na niebo jak fizyk
Obłoki srebrzyste są piękne, ale dla fizyka są czymś więcej niż efektownym zjawiskiem atmosferycznym.
Ich obserwacja prowadzi nas od budowy atmosfery, przez geometrię kuli ziemskiej, aż do optyki i właściwości fal elektromagnetycznych.
Fizyka zaczyna się wtedy, kiedy potrafisz wyjaśnić świat.