V rámci kurzu Meteorologie projektu Talnet1 se věnujeme vybraným tématům fyziky atmosféry, mezi něž patří i základy atmosférické optiky. Při práci s žáky předpokládáme elementární znalosti popisu (elektromagnetického) vlnění, rozkladu, odrazu a ohybu světla. Sluneční záření není jen hlavním energetickým zdrojem pro Zemi, ale též původcem celé řady zajímavých optických jevů, s kterými se běžně setkáváme. V tomto článku se budeme zabývat halovými jevy a možnostmi, jak přiblížit toto téma nadaným žákům i v hodinách fyziky.
Ačkoli se žáci většinou s pojmem halových jevů při výuce fyziky nesetkali, patří toto téma k oblíbeným. Nabízí se porovnání s duhou, kterou žáci dobře znají. Zatímco duha vděčí za svůj vznik lomu slunečních paprsků na kapičkách vody, halové jevy mají původ v interakci světla a oblačných ledových krystalků různých tvarů. Ledové oblačné částice se, na rozdíl od tvarově stejnorodých vodních kapek, vyskytují v několika základních a mnoha odvozených podobách. Díky této rozmanitosti ledových forem a jejich různé orientaci může vznikat velké množství nejrůznějších halových jevů, z nichž některé jsou vcelku běžné, zatímco jiné vyžadují velmi specifické podmínky a lze je pozorovat jen extrémně vzácně. Pro vznik halových jevů je důležitý tvar ledových částic, jejich orientace a výška slunce nad obzorem. Potom mohou kombinací odrazu a lomu světla nastávat mnozí efektové, mezi nimiž k nejdůležitějším patří:
Představu o poloze těchto základních halových úkazů si lze udělat z následujícího obrázku:
 |
| 1. Základní typy halových jevů |
| Autor díla: Zdroj: ukazky.astro.cz |
Jedná se ale jen o menší část teoreticky možných halových jevů. Halovým jevům je na internetu věnována řada zajímavých stránek, kde můžete najít další, podrobnější informace včetně obrázků jednotlivých jevů. Z českých zdrojů doporučujeme ukazy.astro.cz, kde se rovněž nacházejí odkazy na další internetové zdroje informací o této problematice. Halovým jevům a jejich simulaci je věnován též následující úkol.
Tento úkol je věnován studiu halových jevů a závislosti jejich výskytu a vzhledu na panujících podmínkách. Základní principy vzniku těchto optických efektů lze studovat analyticky, tj. přímým výpočtem stanovit charakteristiky trajektorie paprsků. To je nicméně pro řadu konfigurací složité, a obtížně by se takovým způsobem studovaly složitější soustavy, například složené z více druhů ledových částic. V takových případech se zpravidla uplatňují metody využívající postupy numerické matematiky, v tomto případě konkrétně tzv. raytracing. Jde o sledování tisíců až milionů světelných paprsků různých směrů, které interagují se soustavami ledových krystalů konkrétně definovaných ledových částic. Za pomoci optických zákonů lomu a odrazu je propočítán směr a intenzita výsledného proudu světla a příspěvky od jednotlivých paprsků se skládají, až je nakonec získán model vzhledu oblohy.
Není samozřejmě třeba, aby si žáci příslušné matematické a zobrazovací procedury programovali sami. K tomu jim poslouží program HaloSim, který vytvořili Les Cowley a Michael Schroeder a který si můžete stáhnout ze stránky http://www.sundog.clara.co.uk/halo/halfeat.htm . Program je v angličtině, ale nikterak složitý a opatřený nápovědou a též popisem na příslušné webové stránce. Základní nastavení pro simulaci vybraných halových jevů lze nahrát z předpřipravených souborů přes File/Load simulation parameters. Dále je možné mimo jiné možné nastavovat (přes dialog Controls, viz obrázek):
a) Výšku slunce nad obzorem a jeho průměr (I). Průměr slunce je implicitně 0.5 úhlového stupně, jiné hodnoty ale mohou posloužit třeba při simulaci vzhledu halových jevů na jiných tělesech sluneční soustavy.
b) Počet paprsků (v tisících - II) - čím vyšší číslo, tím sytější bude výsledek a pomalejší výpočet.
c) Počet úrovní jasu výsledného obrazu, tedy počet odstínů, kterými mohou jednotlivé pixely projít před dosažením saturace (III). Vyšší hodnota bude produkovat obrázky s plynulejšími přechody, ale pro stejný počet paprsků méně výrazné.
 |
| 2. |
Samozřejmě je možné též volit způsob zobrazení oblohy, detailně nastavovat typ a orientaci ledových krystalů a provádět některé další úpravy nastavení.
Žáci se seznámí s ovládáním programu při řešení těchto dílčích aktivit:
a) Nakreslit obrázky základních halových efektů jako je malé a velké halo, cirkumzenitální oblouk či boční slunce. Využít můžete simulace předdefinované v programu a parametry zobrazení podle libosti modifikovat.
b) Simulovat vzhled běžných halových jevů pro různé výšky slunce, které se mohou v průběhu roku vyskytovat na 50° severní šířky. Zkuste srovnat výsledky pro polohu slunce těsně u obzoru a pro výšky ve kterých slunce kulminuje během zimního a letního slunovratu a rovnodennosti. Nastavení parametrů souboru ledových částic můžete převzít třeba ze základního demonstračního nastavení simulace (startup.sim).
c) Samostatně zkusit vytvořit co nejzajímavější simulaci vzhledu oblohy, s využitím (modifikovaných) přednastavení či zkonstruovanou zcela volně podle Vaší fantazie.
Žáci se mohou pokusit vyfotografovat halové či jiné zajímavé optické atmosférické jevy. Protože je ale nejisté, zda se po zadání úkolu v několika následujících týdnech vůbec podaří takový jev spatřit, zařazujeme tento úkol pouze jako bonusový.
1 Více informací o projektu Talnet a o aktuálních aktivitách, do kterých se vaši žáci mohou zapojit, najdete na webových stránkách www.talnet.cz
Všechny články jsou publikovány pod licencí Creative Commons BY-NC-ND.
Článek nebyl prozatím komentován.
Pro vložení komentáře je nutné se nejprve přihlásit.
Článek není zařazen do žádného seriálu.
