לוגו של תכנית גפ"ן

על קשת מחייכת בשמים, כלבי שמש ועוד תופעות אופטיות מגוונות בשמים, וגם איך ניתן להכין אותן בבית

אם רק תביטו היטב בשמים תגלו שיש מגוון תופעות אופטיות מעליכם. אסקור ואדגים פה חלק מהן.

תוכן עניינים

בתמונה של הפוסט, ניתן לראות קשת הפוכה. כמו חיוך של השמים. הקשת הזו הופיעה בנובמבר 2018 בשמי הנגב הישראלי. הקשת הופיעה מעל השמש שהייתה כבר לקראת שקיעה.

הילה סביב השמש עם "כלבי שמש"

בסוף נובמבר 2018 נסעתי לנגב, לנחל כרכום. השמים היו מרהיבים עם עננים דקים דקים וקפואים קפואים… ופתאום, בשעות אחר הצהרים המוקדמות, הבחנתי בתופעות האופטיות המרהיבות בתמונות…

איך הן נוצרות? נתחיל בלהבין

מה זה אור:

"אלומות אור" בבקעת עם המלח שבמדבר יהודה.

השאלה מהי אור היא שאלה שהעסיקה את המדע רבות ועדיין מעסיקה. למעשה, אין תשובה אינטואיטיבית עדיין. לאור יש תכונות שמאפיינות חלקיקים ויש תכונות שמאפיינות גלים ולכן יש המכנים אותו "גלקיק". ההבדל העיקרי בין התייחסות לאור כחלקיק ובין התייחסות אליו כגל היא שחלקיק זה דבר בדיד.. כלומר יש 1, 2, 3, וכד'… אין 1.5 ואין -1. לעומת זאת גל- אפשר להגביר ולהקטין את העוצמה שלו לכל גודל ולא רק מספרים שלמים או כפולות שלמות של מספר מסוים. לגל יש גם כיווניות: גל בשיא ועוד גל בשפל יכולים "לבטל" אחד את השני (זה נקרא התאבכות הורסת) בעוד שני חלקיקים לא יכולים לבטל אחד השני.. למרות שזה גם קיים וזה נקרא אִיּוּן, אבל שם זה חלקיק עם אנטי חלקיק וזה כבר נושא לפוסט של מישהו אחר…

למה אי אפשר להכריע? האור הוא גל או חלקיק? כי ניסויים מסוימים "מוכיחים" שהאור הוא חלקיק וניסויים אחרים "מוכיחים" שהאור הוא גל! לרוב התופעות שבהם אנחנו נסתכל על האור בטבע יהיה לנו יותר נוח להבין את האור כגל.

התכונות הבסיסיות של גל (ראו איור) הם המשרעת (הגובה) של הגל ואורך הגל (המרחק בין שיא לשיא בגל). באור נראה- המשרעת היא כמות האור ואילו אורך הגל זה הצבע של האור. בקול- המשרעת היא העוצמה (ווליום) של הקול ואילו אורך הגל זה הטון של הקול.

התכונות הבסיסיות של גל הן המשרעת ואורך הגל. באור הנראה אורך הגל הוא הצבע של הגל ואילו המשרעת היא עוצמת האור.
טווח האור הנראה הוא בין אורך גם של 390 ננומטר ל710 ננומטר. בשוליים הצבע נהיה שחור כי העין האנושית אינה רגישה לאורכי גל אלו ולכן היא לא רואה אותם. ישנם בעלי חיים שרואים טווחים נוספים של אור. ניתן לראות שהצבע הלבן הוא לא חלק מהספקטרום (וגם ורוד! מה שנקרא מג'נטה. מג'נטה הוא צבע שמתקבל משילוב של כחול ואדום.

ראיית צבעים

האור שמגיע מהשמש הוא אור לבן. אמנם השמש נראית צהובה (נושא לפוסט אחר), אבל כשמתבוננים על הירח הוא לבן לגמרי והרי ידוע שהאור של הלבנה הוא אור השמש. אבל חשבתם על זה פעם שבכלל אין צבע כזה בצבעי הקשת?

לבן זה למעשה מה שהמוח שלנו קורא לשילוב של אדום, ירוק וכחול בעוצמה שווה וחזקה. עוצמה פחותה יותר תהיה צבע אפור ועד לעוצמה אפסית שזה צבע שחור (נסו לשחק בהגדרות צבעים במסמכים דיגיטליים ותיווכחו בכך).

שלושת הצבעים בעוצמה מלאה= צבע לבן.

שלושת הצבעים במידה פחותה יפורשו אצלינו במוח כ"אפור" ואילו חוסר אור מוחלט יתפרש כצבע "שחור".

חיבור צבעים. 3 הצבעים ביחד- לבן. אדום וירוק= צהוב. ירוק וכחול= טורקיז. אדום וכחול= ורוד (שימו לב זה צבע שגם לא נמצא בקשת בענן ולמעשה המוח שלנו המציא אותו. הסיבה היא שהאדום והכחול הם קצות הספקטרום הנראה ואין צבע מסוים שהוא ביניהם.

ומי שלמד מהגננת בגן שאם מערבבים את כל הצבעים יוצא צבע שחור וממש לא לבן זה בגלל שכאשר מערבבים צבעים כמו צבעי גואש, אנחנו למעשה מחסירים צבעים וכאשר מערבבים אלומות אור זה חיבור צבעים. צבע גואש כחול בולע את כל הצבעים מלבד כחול וצבע גואש אדום בולע את כל הצבעים חוץ מאדום וכו'. אם מערבבים את כל הצבעים הם מחזירים פחות ופחות צבעים ולכן יוצא מן צבע כהה.

חיסור צבעים. תרשים זה יותר דומה לערבוב של צבעי גואש כמו בגן.

שבירת אור

תארו לעצמכם עלם חמודות במצוקה, טובע בים בחלק הצפוני של החוף מסוים. הולך רגל שהולך על החוף מדרום מבחין בעלם החמודות ומיד רץ להציל אותו. מה המסלול שעל הולך הרגל לבחור על מנת להגיע הכי מהר אל הטובע? האם עליו לרוץ על החוף עד שמגיע לאותו קו של הטובע ואז להיכנס לים ולשחות עד אליו? אבל אז זו דרך ארוכה יותר.. אולי עליו להיכנס ישר למים ולהתחיל לשחות?

התשובה תלויה בהבדל בין מהירות הריצה למהירות השחיה של אותו עובר אורח. ניתן לחשב בדיוק את הנקודה בה כדאי לו להיכנס למים על מנת שיגיע הכי מהר לטובע ע"י פתרון בעיית מינימום זמן.

המסלול הקצר ביותר במרחב הוא המסלול האפור המקווקו אך מכיוון שהאדם רץ בהרבה יותר מהר מאשר הוא שוחה, המסלול הקצר ביותר בזמן יהיה המסלול האדום.

כך גם קורה לאור. מהירות האור באוויר (בעקרון איינשטיין גילה שהוא תמיד נע במהירות האור אבל האינטראקציה של האור עם החומר יכולה להאט אותו. לדוגמה כאשר פוטון נבלע ואז נפלט שוב יש השהיה קלה בזמן) שונה ממהירות האור דרך מים או זכוכית ולכן כאשר קרן אור עוברת מאוויר למים או להפך מהמים לאוויר, היא "נשברת". הזווית של השבירה תלויה ביחס בין מהירויות האור בתווכים השונים. האור תמיד נע בדרך המהירה ביותר (יש הבדל בין דרך מהירה (קצרה בזמן) לדרך קצרה (באורך, במרחב)

נפיצה

כאשר אור נשבר הוא מתפצל למרכיביו- הצבעים

מהירות האור בחומר תלויה גם בצבע של האור. זה כמו שאם היו מלא אנשים על החוף באותה נקודה, כל אחד היה צריך להיכנס בנקודה שונה למים, בהתאם למהירות השחייה שלו. ככל ששוחים יותר לאט כדאי לעבור דרך קצרה יותר במים. הצבע האדום, בעל האורך גל הארוך ביותר באור הנראה (את רוב האור אנחנו לא רואים, ואז אנחנו קוראים לו קרינה אלקטרומגנטית- גלי רדיו, מיקרוגל, תת אדום, על סגול, רנטגן וכו'. ההבדל ביניהם הוא אורך הגל), מהירות האור של האור האדום בתווך היא הכי מהירה, ולכן הוא נשבר הכי מעט ואילו לצבע הכחול סגול, יש את המהירות הכי איטית בתווך ולכן הוא נשבר הכי הרבה. אז כל אורך גל (צבע) נשבר בזווית אחרת, ולכן הוא נפרס לצבעיו!

האור האדום נע הכי מהר בתווך (בריק המהירות של כולם זהה) ולכן האור האדום נשבר הכי פחות. ההבדל בין המהירויות בצבעים השונים הוא היוצר את התפצלות האור לצבעיו.

קשת בענן

על מנת שתהיה קשת אנחנו צריכים שמש וגשם. קרני השמש מגיעות לטיפת הגשם, ובגלל המעבר מהאוויר למים, מתרחשת שבירת אור בכניסה של האור אל הטיפה. כשהאור מגיע לקצה הטיפה הוא מוחזר כמו ממראה ואז נשבר שוב ביציאה של האור מהטיפה. העובדה שהקרן גם מוחזרת מהטיפה היא הסיבה שהקשת תמיד תהיה מול השמש (מרכז הקשת הוא בדיוק מול השמש).

קרן לבנה נכנסת לטיפת מים ונשברת בכניסה. לאחר מכן היא מוחזרת ונשברת שוב ביציאה מהטיפה.

כל טיפה מפצלת את האור לצבעיו, אבל איך נוצרת הקשת העגולה הזו? בעקרון הקשת היא חלק ממעגל אבל רואים רק את החלק של המעגל שמעל הקרקע. לפעמים יש גשם רק במקום אחד ואז רואים רק חלק קטן מהקשת.

כל טיפה מפצלת את האור לצבעים השונים אבל לא כל האור המפוצל מכל טיפה מגיע לצופה. אנחנו לא רואים אור, אנחנו רק חשים באור שנכנס לעין שלנו ופוגע בקולטני האור ברשתית. מרוב הטיפות, האור מוחזר לא לעין של הצופה, אלא לשאר המרחב. רק אור מסוים, שהוא 40-42 מעלות ממרכז המעגל של הקשת אל הקשת, מוחזר מהטיפות דווקא לכיוון העין של הצופה. אם נזוז מהנקודה שלנו נראה אור שמוחזר מטיפות אחרות ונראה את הקשת שוב ב42 מעלות ממרכז הקשת.

ככל שהצבע של האור כחול יותר (אורך גל קצר יותר) כך האור נשבר יותר. מכל טיפה, האור הכחול יוצא מעל האור האדום כמתואר באיור. מהטיפות בחלקים בשפת הקשת החיצונית יגיע אלינו האור האדום ואילו משפת הקשת הפנימית יגיע תמיד הצבע הכחול (וכל שאר הגוונים ביניהם). לכן סדר הצבעים בקשת הוא תמיד קבוע

מכל גובה מוחזר אלינו מהטיפות צבע אחר.

ענני צירוס גבוהים

באותו יום שצילמתי את התמונות היו ענני צירוס גבוהים. זה קורה הרבה בסתיו לכן אני ממליצה בעיקר להסתכל בסתיו בשמים ולחפש תופעות.

ענני צירוס גבוהים בנגב

ענני צירוס גבוהים הם עננים העשויים מגבישי קרח. עננים כאלה הם בד"כ עדינים ודקים עם פסים לבנים, המכונים ענני נוצה. יש כל מיני גדלים וצורות של גבישים בעננים אלו, וכל צורה וגודל יוצרים תופעה אופטית. כיוון שהתופעות נובעות משבירה ע"י גבישים ולא משבירה והחזרה מטיפות גשם, התופעות הללו כולן בצד של השמש ולא מול השמש, כמו במקרה של קשת בענן (rainbow- מתרחש רק כשיש rain). כל התופעות בתמונות מתרחשות ע"י שבירת אור דרך גביש קרח בצורה של משושה שטוח.

אסביר את התופעות אחת אחת:

הילה של 22 מעלות

הילה היא מעגל אור המקיף את השמש (או הירח). ההילה מופיעה כאשר הגבישים הם קטנים (ברדיוס של פחות מ20 מיקרון) בצורת משושה שטוח. כיוון שהגבישים קטנים, הם לא נופלים למטה אלא מושהים באוויר ומכוונים בצורה אקראית (כלומר בכל הכיוונים השונים). האור שמגיע מהשמש, מכוון כולו באותו כיוון ומוסט ע"י שבירה ב22 מעלות (זה בגלל הצורה של הגביש) מהגבישים ולכן נוצרת הילה בזווית של 22 מעלות מהשמש (מרכז ההילה).

הילת 22 מעלות וכלבי שמש.

כלבי שמש

לגבישים גדולים יותר, כ-30 מיקרון, כבר יש משקל משמעותי יותר ולכן הם נופלים לאיטם כלפי מטה. בנפילתם הם מסתדרים כך שהצד השטוח שלהם מקביל לקרקע ולא מכוון אקראית. כאשר האור נכנס או הגבישים הוא תמיד מוסט לכיוון 22 מעלות אבל מכיוון שהם לא מסודרים אקראית האור מוסט רק הצידה, ולכן רואים שני כתמי אור חזקים (וצבעוניים) 22 מעלות הצידה מהשמש.

כלבי שמש. האור נשבר בגבישי המשושה ב 22 מעלות.

קשת ההפוכה (circumzenithal arc)

החיוך של השמים 😊

זו אחת ההילות הכי צבעוניות ובהירות במשפחת ההילות. זו לא תופעה נדירה אבל בדרך כלל לא רואים אותה כי הקשת הזו די גבוהה בשמים. בדרך כלל מצטרפים לקשת גם "כלבי השמש". על מנת שהתופעה הזו תתרחש צריך שמש נמוכה (פחות מ-30 מעל האופק) כיוון שהקשת ההפוכה נוצרת 45 מעלות מעל השמש. זווית זו היא זווית ההסטה של כיוון הקרן המקורית לאחר המעבר בגביש כאשר הקרן נכנסת מהפאה העליונה של הגביש ויוצאת מצלע המשושה.

הקשת ההפוכה נוצרת כאשר האור נכנס לגביש משושה מפאתו העליונה. אם יש "כלבי שמש" סיכוי גדול שתהיה גם קשת הפוכה למעלה.
יצירת הקשת ההפוכה בבית. פה הקשת מוקרנת על הרצפה אבל אם היו גבישים בכל מקום הויו רואים אותה באוויר, מעל הכוס, בהמשך של הקרניים המצוירות.

ישנן עוד תופעות אופטיות רבות בשמים. מוזמנים לכתוב לי על אחת שראיתם ואנסה להסביר אותה..

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר. שדות החובה מסומנים *

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר. שדות החובה מסומנים *