Atmosferde Optik Olaylar - Atmosfer Optiği

GECE YILDIZLARIN GÖRÜNÜŞÜ

Bilindiği gibi daha yoğun bir ortama giren ışığın hızı azalır. Eğer ışık ortama bir açıyla girerse, ilerleme doğrultusunu değiştirir, bu olaya kırılma denir. Kırılma miktarı iki faktöre bağlıdır: Ortamın yoğunluğu ve ışığın bu ortama giriş açısı. Az yoğun bir ortamdan daha yoğun bir ortama giren ışığın hızı azalır ve normale yaklaşır; tersi durumda ise hızı artar ve normalden uzaklaşır.

Işığın atmosferde uğramış olduğu kırılma, çeşitli görsel olaylara neden olur. Örneğin, gece tam tepemizdeki bir yıldızın ışığı her hangi bir kırılmaya uğramaz ancak bir açıyla atmosfere giren yıldız ışığı ilerleme doğrultusunu değiştirir. Diğer taraftan ufkun hemen üzerinde atmosfere giren yıldız ışığının katedeceği yol daha fazladır, bu nedenle kırılma da fazla olur.

Sağdaki şekilde de görüldüğü gibi, Yıldız ışığı daha yoğun bir ortama girdiği için, kırılan ışık normale yaklaşmaktadır. Kırılmış yıldız ışığı gözlerimize ulaştığında, yıldızı gerçek konumundan daha yüksek bir noktadaymış gibi görürüz. Çünkü gözlerimiz ışığın bükülmesini algılayamaz. Dolayısı ile ışığı belli bir doğrultudan geliyormuş gibi algıladığımız için , yıldızı da o doğrultu üzerinde görürüz. Gece ufka yakın belli bir yıldızın göründüğü konumu dikkate alalım. Yıldızın gerçek konumu, görünen konumundan yaklaşık 0.5o daha aşağıdadır, (Alttaki tablo).

Yıldız ışığı atmosfere girdiğinde farklı yoğunluklarda atmosfer katmanlarından geçer. Her bir katmanın gelen yıldız ışığını farklı oranda kırılmasına, dolayısı ile yıldızın görünen konumunun sürekli olarak değişmesine neden olur. Bunun sonucunda yıldız ışığı bize titrek (yanıp-söner veya göz kırpar) bir ışık şeklinde ulaşır.

Deniz seviyesinde atmosferik kırılma miktarları (60'=1o)
Dünyaya yakın olan gezegenler daha büyük görünürler ve ışıkları titrek değildir. Çünkü bu gezegenlerin büyüklüğü, ışıklarının atmosferdeki sapma açısından daha büyüktür. Eğer gezegenler ufka yakınsa, kırılma daha fazla olacağından ışıkları bazen titrek görünür.

Işığın atmosferde uğradığı kırılma bazı ilginç sonuçların ortaya çıkmasına neden olur. Örneğin, Atmosfer, gün doğarken ya da batarken ( ay için de geçerlidir) gelen ışınların derece derece bükülmesine neden olur. Güneşin (ya da ayın) alt kısmından gelen ışık ışınları, üst kısmından gelen ışık ışınlarına göre daha fazla bükülürler. Bu durum güneşin bir elips şeklinde (yassılaşmış) gibi görünmesine neden olur. Işığın kırılması ufukta en fazla olduğu için, güneş ve ayın görünen konumları gerçek konumlarından daha yüksektir. Dolayısı ile güneş ve ay yaklaşık iki dakika erken doğar ve bu süre kadar da geç batar. Eğer atmosfer olmasaydı güneş ve ayın doğuş ve batışını gerçek zamanda izleyebilecektik.


SERAP OLAYI

Atmosferde bir nesnenin gerçek konumuna göre yer değiştirmiş gibi görünmesine serap denir. Serap, bir hayal ürünü değildir. Bu olayda bizi yanıltan zihnimiz değil, atmosferdir.

Atmosferdeki seraplara ışığın farklı yoğunluktaki hava katmanlarından geçmesi ve kırılması neden olur. Bu tür belirgin yoğunluk değişimleri hava sıcaklığındaki belirgin değişimlerin bir sonucudur. Sıcaklıktaki değişim ne kadar fazla ise ışığın kırılması da o kadar fazla olur. Örneğin sıcak ve güneşli bir günde, asfalt yollar önemli miktarda güneş enerjisi absorblar ve aşırı derecede ısınırlar ve yol yüzeyi ile temas halindeki havayı kondüksiyonla ısıtırlar. Ancak hava zayıf bir termal iletken olduğu için, bu yolla ısı iletimi yüzeye yakın bir tabaka ile sınırlı kalır. Dolayısı ile daha serin hava yerden biraz daha yukarıdadır. Sıcak günlerde bu yollar ıslakmış gibi görünür. Yolun bu şekilde görünmesinin nedeni, farklı yoğunluktaki hava katmanlarını geçerek gelen ışığın yukarı doğru kırılarak gözlerimize ulaşmasıdır. Benzer serap olayı sıcak yaz günlerinde çöllerde sıklıkla gözlenir. Çölde yolculuk eden insanlar, uzaktan su birikintisi zannettikleri şeyin gerçekte kızgın çöl kumu olduğuna sıklıkla tanık olurlar. Bazen bu gibi yüzeyler titrek bir görüntü ortaya koyar. Bunun nedeni yüzey yakınındaki yükselen ve çöken hava parsellerinin neden olduğu yoğunluk değişimidir. Dolayısı ile ışık böyle bir ortamdan geçerken ilerleme doğrultusu sürekli değişir ve yüzeyin titrek bir şekilde görünmesine neden olur.

Yer yakınıdaki havanın yukarı seviyedeki havadan daha sıcak olması durumunda, cisimler bulundukları konumdan daha aşağıda ve (sıklıkla) ters dönmüş olarak görünürler. Bu tür seraplar alçak seraplar olarak adlandırılır. Şekil 5’deki ağacı dikkate alalım ve bu ağacı neden ters dönmüş olarak gördüğümüzü açıklamaya çalışalım. Yüzey üzerindeki sıcak ve az yoğun havaya giren ışık ışınları yukarı doğru kırılır ve gözümüze aşağı seviyelerden (yer seviyesinden) gelerek ulaşırlar.


Beynimizin, gözümüze ulaşan bu ışık ışınlarını yeryüzeyinin altından geliyormuş gibi algılaması sonucu ağaç ters dönmüş olarak görünür. Ağacın tepesinden gelen ışınların bir kısmı yaklaşık olarak aynı yoğunluktaki hava içinden geçerek gelir ve bu nedenle çok az kırılmaya uğrar. Bu ışınlar göze doğrudan ulaştığı için ağaç düz olarak görünür. Dolayısı ile belli bir mesafenin dışında, hem ağacın kendisinin hem de ters dönmüş halinin birlikte görünmesi de mümkündür. Bu son durumda ağacın ve gözlemcinin boylarının karşılaştırılabilir olması önemlidir.

Serap olayları yalnızca çok sıcak bölgelerde değil, çok soğuk bölgelerde de meydana gelir. Kutup bölgelerinde, karla örtülü alanların üzerindeki hava, daha yukarılardaki havaya göre çok soğuktur. Soğuk hava çok daha yoğundur dolayısı ile uzaktaki nesnelerden gelen ışık normale yaklaşarak kırılır. Bunun sonucunda uzaktaki nesne gerçek konumundan daha yukarıda görünür. Bu tip seraplar yüksek seraplar olarak adlandırılır.


HALE, PARHELIA VE IŞIKLI KOLON

Güneş veya ayın etrafında görülen dairesel ışıklar hale olarak adlandırılır. Bu görüntü, güneş ya da ay ışıklarının buz kristalleri içinden geçerken kırılması nedeniyle oluşur. Bundan dolayı halenin görülmesi sirüs türünden bulutların varlığına işaret eder.

En yaygın görülen hale, 22o yarıçaplı haledir, buna küçük hale denir. Bu haleler, kolon tipindeki çok küçük buz kristallerinin (çapı 20 μm’den küçük) varlığında meydana gelirler. 46o yarıçaplı hale (büyük hale) durumunda da kolon tipindeki buz kristalleri sözkonusudur. Ancak bu durumda buz kristallerinin çapı 15-25 μm arasında değişir.

Bazen küçük halelerin üst kısmında parlak bir ışık yayı görülebilir. Bu yay, haleye teğet olduğu için teğet yay olarak adlandırılır. Yay, büyük hegzagonal buz kristallerinin uzun eksenleri yeryüzüne paralel olacak şekilde düşmeleri halinde meydana gelir. Parlak ışık yayı, güneş ışınlarının buz kristalleri tarafından kırılması sonucu meydana gelir. Güneş ufukta iken, halenin üst kısmında görülen yay üst teğet yay; güneş ufkun üzerinde iken, halenin alt kısmında görülen yay ise alt teğet yay olarak adlandırılır. Yayın şekli önemli ölçüde güneşin konumuna bağlıdır.

Küçük halenin üst kısmında oluşan teğet yayların benzeri büyük halede de gözlenir. Bu durumda buz kristalleri hegzagonal plaka şeklindedir ve yere paralel konumdaır. Güneş ışınları buz kristallerinin üst kısmından girer ve kırılarak kenarlarından çıkar. Bu tip teğet yay dolayzenital yay olarak adlandırılır. Gökyüzünde uçları yukarı doğru olan bir gökküşağına benzer. Bu yayın gökkuşağı ile karıştırılması mümkündür. Oysa gökkuşağı sadece yağmurlu günlerde oluşan bir optik olaydır.

Hale genellikle parlak, beyaz bir çember şeklinde görünür. Bununla birlikte renkli göründüğü durumlar da vardır. Neden böyle olduğunun daha iyi anlaşılması için kırılma olayının yakından incelenmesi gerekir. Işık bir cam prizmanın içinden geçtiğinde kırılır ve görünür ışık bileşenlerine ayrılır. Görünür ışığın her bir dalga boyu cam tarafından yavaşlatılır. Ancak yavaşlama miktarı her bir dalga boyu için az da olsa bir farklılık gösterir. Uzun dalga boyları (örneğin kırmızı) daha az, kısa dalga boyları (örneğin mor) ise daha fazla yavaşlatılır. Bu nedenle kırmızı ışık daha az, mor ışık ise daha fazla bükülür. Beyaz ışığı oluşturan dalga boylarının seçici kırılmaya uğrayarak bileşenlerine ayrılması dispersiyon olarak adlandırılır. Dispersiyon, ışık buz kristallerinin içinden geçerken, kırmızı ışığın halenin iç kısmında; mavi ışığın ise dış kısmında yer almasına neden olur.

Çapı yaklaşık 30 μm’den büyük olan plaka şeklindeki hegzagonal buz kristalleri bu büyüklüğe ulaştıklarında yavaş ve yatay bir konumda düşme eğilimi gösterirler. Bu durumda her bir buz kristali küçük birer prizma gibi davranarak ışığın kırılmasına ve dağılmasına neden olurlar.


Eğer güneş ufka yakın bir konumda ise gözlemci ve buz kristalleri aynı yatay düzlemde bulunurlar. Böyle bir durumda gözlemci, güneşin her iki tarafında dışa doğru incelen, parlak renklerden oluşmuş bir ışık demeti görür. Bu optik oluşum parhelia (sundog) olarak adlandırılır. Parheliada güneşe yakın renk (en az bükülen) kırmızı; uzak olan renk ise (daha fazla bükülen) mavidir.

Parhelia, teğet yay ve hale güneş ışıklarının buz kristalleri tarafından kırılmaya uğratılmasıyla oluşur. Işıklı kolonlar ise güneş ışınlarının buz kristalleri tarafından yansıtılması sonucu oluşur.

Işıklı kolonlar gündoğumunda ve günbatımında güneşten yukarıya veya aşağıya doğru uzamış, düşey ışık demeti şeklinde sıklıkla gözlenen optik bir olaydır. Buraya kadar bahsedilen tüm optik olaylar sirüs tipi bulutların varlığında meydana gelirler.


GÖKKUŞAĞI

Gökkuşağı, gökyüzünün bir kısmında yağmur, diğer kısmında güneş varken görülen yaygın bir optik olaydır. Bu olay havaya püskürtülen spreylerde, su fıskiyelerinde ve çağlayanlarda sıklıkla görülür. Gökkuşağını görebilmek için, güneş arkamızda olacak şekilde yağışın olduğu tarafa bakmamız gerekir. Şekil 9’dan da görüldüğü gibi, eğer gökkuşağını sabah saatlerinde görmüş isek, yüzümüz batıya (yani yağışın olduğu tarafa) dönük demektir. Orta enlemlerde bulutlar batıdan doğuya doğru hareket ettiği için, bulutlar ve dolayısı ile de yağış yakında bulunduğumuz yere ulaşacak demektir.


Bunun aksine, akşam vakti gökkuşağını görebilmek için doğuya (yağışın olduğu tarafa) dönmemiz gerekir, batıda havanın açık olması, yağışın ardından havanın tamamen açacağını gösterir.

Şekil 10’da görüldüğü gibi şimdi de gökkuşağının nasıl oluştuğunu yakından inceleyelim. Güneş ışığı yağmur damlasının içine girdiğinde hızı yavaşlar ve mor en fazla, kırmızı en az olmak üzere kırılmaya uğrar. Bu ışığın önemli bir kısmının damlanın içinden tamamen geçmesine ve tarafımızdan görülmemesine rağmen, bir kısmı da (geliş yönüne göre) damlanın arka kısmına belli bir açıyla çarparak, damla içinde yansımaya uğrar. Bu tür bir yansımanın gerçekleştiği açı kritik açı olarak adlandırılır. Su için bu açı 48o’dir. Kritik açıdan daha büyük açılarda gelen güneş ışınlarının uğramış olduğu bu yansıma iç yansıma olarak gözlerimize ulaşır, (Şekil 10a). Diğer taraftan Şekil 10b’de görüldüğü gibi, her ışık ışını diğerlerinden farklı bükülür ve farklı bir açıyla da damlayı terkeder. Bu açı, gelen güneş ışınları ile kırmızı ışık arasında 42o, mor ışık durumunda ise 40o’dir. Dolayısı ile damlayı terkeden ışık bir uçta kırmızı, diğer uçta mor olmak üzere spektrumuna ayrılır. Her bir damladan tek bir renk görmemiz nedeniyle (Her bir damlanın ışığı kırması ve yansıtması sonucu gözlerimize ulaşan ışık, çok küçük de olsa farklı bir açıya sahiptir) birincil gökkuşağının parlak renklerinin oluşumu için oldukça çok sayıda yağmur damlasına gereksinim vardır.

Soldaki şekil yakından incelendiğinde, gökkuşağında kırmızı halkanın içte, mor halkanın ise dışta yer alşması gerektiği gibi yanlış bir sonuç çıkarılabilir.

Alttaki şekilde, iki yağmur damlasını terkeden ışınları dikkate alalım. Aşağıdaki damladan gelen mor ışık gözlerimize ulaştığı zaman, aynı damladan gelen kırmızı ışık gözlerimizden daha aşağı bir seviyeye gelir. Şekilden görüldüğü gibi gözlerimize gelen kırmızı ışık daha üstteki damladan gelir. Kırmızı ışığın daha üstte bulunan damladan, mor ışığın ise daha aşağıdaki damladan gelmesi nedeniyle birincil gökkuşağının renkleri, kırmızı üstte ve mor altta olmak üzere sıralanır.


Birincil gökkuşağının yanında ikinci bir gökkuşağı da sıklıkla görülen bir durumdur. Bu ikinci gökkuşağı birincil gökkuşağının üzerinde yer alır ve renk dizilişi birinciye göre tersdir. Bu gökkuşağının renkleri birincil gökkuşağına göre daha solgundur ve ikincil (tali) gökkuşağı olarak adlandırılır.

İkincil gökkuşağı, güneş ışığının belli bir açıda yağmur damlasına girmesi ve iki kez iç yansımaya uğraması sonucu oluşur. Her bir yansıma ışığın şiddetinin biraz daha azalmasına neden olur. Bunun sonucunda ikincil gökkuşağı birinciye göre daha solgun görünür. İkincil gökkuşağında renklerin ters dizilişinin nedeni sağdaki şekille kolaylıkla izah edilebilir.


KORONA, GLORİ VE HEILIGENSCHEIN

Küresel su damlacıklarından oluşmuş ince bulutların arkasında ayı çevreleyen ışıklı görünüm korona olarak adlandırılır. Korona güneşin etrafında da oluşur, ancak güneşin parlak ışıklarından dolayı farkedilmesi zordur. Korona, ışığın difraksiyonu sonucu oluşur. Difraksiyon, ışığın bir engelin etrafından geçerken bükülmesi şeklinde tanımlanır. Koronanın nasıl oluştuğunu bir örnekle açıklamaya çalışalım. Su dalgalarının küçük bir havuza bırakılan taşın etrafındaki davranışını dikkate alalım.Dalgalar taşın etrafında yayılırken, birinin çukuru diğerinin tepesi ile üst üste gelebilir. Bu durumuda dalgalar birbirlerini sönümlendirir, dolayısı ile bu kısımlarda su yüzeyi sakindir. Dalgaların bu türden girişimi sönümlendirici girişim olarak adlandırılır. Diğer taraftan iki dalga tepesinin üst üste binmesi durumunda daha büyük bir dalga meydana gelir, bu da şiddetlendirici girişim olarak adlandırılır. Işık küçük su damlacıklarının etrafından geçerken benzer olaylar meydana gelir. Işık ışınlarının şiddetlendirici girişiminde daha parlak ışık, sönümlendirici girişiminde ise ortam karanlıktır. Korona bazı durumlarda beyaz, bazı durumlarda ise renkli görünebilir.

Bulut damlacıkları üniform boyutta olduğu zaman korona renkli görünür. Difraksiyon nedeniyle olan bükülme ışığın dalga boyuna bağlı olduğu için, kısa dalga boylu ışık (mavi) koronanın iç kısmında, uzun dalga boylu ışık (kırmızı) ise dış kısmında yer alır. Yeni oluşmuş bulutlar (örneğin ince As ve Ac) korona oluşumu için en uygun bulutlardır.

Bulut damlacıklarının üniform olmaması durumunda koronanın görünüşü oldukça düzensizdir. Bulutun görünüşü pembe, mavi veya yeşilin pastel tonlarından oluşmuş renkli yamalar şeklindedir. Işığın difraksiyonu sonucu oluşan bu parlak görünüm sedeflenme olarak adlandırılır.

Korona gibi glori’de difraksiyon olayının bir sonucudur. Bir uçağın, 50 μm’den daha küçük damlacıklardan oluşan bir bulut tabakasının üzerinde uçarken, uçağın gölgesinin etrafında oluşan renkli halkalar glori olarak adlandırılır. Sırtımız güneşe dönükken bir bulut ya da sis tabakasına baktığımızda, su damlalarının gölgesi etrafında parlak ışık halkaları görülebilir. Glori oluşumunda ışık Şekil 13’de görüldüğü gibi damlaya üst kısımdan girerek, önce kırılmaya daha sonra da damlanın (ışığın geliş yönüne göre) arka kısmı tarafından yansımaya uğratılır. Damlanın alt kımından çıkan ışık bir kez daha kırılmaya uğrar. Bununla birlikte ışığın gözlerimize ulaşması için, çok kısa bir mesafe boyunca yüzey dalgası şeklinde damlanın kenarından bükülmesi gerekir. Damlaların kenarlarından gelen ışığın difraksiyonu glori olarak görmüş olduğumuz ışık halkalarını meydana getirir.

Çimenler üzerinde eğer çiğ oluşmuş ise güneşli sabah saatlerinde ilginç bir optik olayı gözlemek mümkündür. Sırtı güneşe dönük olan gözlemcinin başının gölgesi etrafında heiligenschein olarak adlandırılan ışıklı bir alan oluşur. Heiligenschein, hemen hemen küresel çiğ damlaları üzerine gelen güneş ışınlarının odaklanması ve gelen ışınlarla yaklaşık aynı doğrultuda tekrar yansıtılması sonucu meydana gelir.