ΑΠΛΕΣ ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΣΕ ΚΑΘΗΜΕΡΙΝΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ
( ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΓΙΑ ΟΛΟΥΣ )
Του Λουκά Αθανασέκου
Φυσικός
MSc «Φωτονική & Οπτοηλεκτρονικές διατάξεις»
Υποψ. Διδάκτορας τμημ. Επιστήμης των Υλικών, Παν. Πατρών
Ερωτήσεις: athanasekos@eie.gr
· Πόσο καλά βλέπουμε κάτω από το νερό; Ποιοι παράγοντες επηρεάζουν την ορατότητα υποβρυχίως;
Διαύγεια του νερού :
Οι ακτίνες του ήλιου, όπως και άλλη πηγή φωτός, όταν διέρχονται από ένα χώρο, που περιέχει μικρά σωμάτια ( στην περίπτωση της θάλασσας το πλαγκτόν και τα μόρια της άμμου ή της λάσπης), εκτρέπονται από την αρχική τους διεύθυνση και διαχέονται προς όλες τις κατευθύνσεις. Το φαινόμενο αυτό στη φυσική ονομάζεται σκέδαση. Η ενέργεια του σκεδαζόμενου φωτός προέρχεται από την ενέργεια του αρχικού φωτός, το οποίο γι’αυτό εξασθενεί. (Το ίδιο φαινόμενο παρατηρείται όταν έχει ομίχλη με αποτέλεσμα τα φώτα να μην φωτίζουν μακριά, λόγω διάχυσης). Εξ’αιτίας του φαινομένου αυτού, ιδιαίτερα μετά από θαλασσοταραχή βλέπουμε ότι η θάλασσα είναι θολή.
Το βάθος :
Τα μόρια του νερού απορροφούν τη φωτεινή ενέργεια των ακτινών του ήλιου και το μετατρέπουν σε θερμότητα. Έτσι, η φωτεινή ενέργεια μειώνεται καθώς αυξάνεται το βάθος. Χαρακτηριστικό είναι ότι σε βάθος μόλις 5 μέτρων το φως μειώνεται στο ένα τέταρτο της τιμής στην επιφάνεια, ενώ στα 15 περίπου μέτρα μόλις στο ένα όγδοο! Χαρακτηριστικό είναι ότι οι θαλάσσιοι οργανισμοί που ζουν σε μεγάλα βάθη έχουν μεγάλα μάτια, λόγω ακριβώς του χαμηλού φωτισμού.
Η θέση του ήλιου :
Η ένταση του φωτός του ήλιου εξαρτάται από τη γωνιακή απόσταση του ήλιου από το ζενίθ, από το ύψος του σημείου που γίνεται η μέτρηση( επιφάνεια της θάλασσας ή βάθος), από τη διάχυση στην ατμόσφαιρα κ.α. Είναι γνωστό ότι η ένταση του ήλιου είναι μεγαλύτερη στις ορεινές περιοχές, παρά στην επιφάνεια της θάλασσας(λόγω της μικρότερης απόστασης). Όταν ο ήλιος βρίσκεται στο ψηλότερο σημείο της τροχιάς του, οι ακτίνες θα προσπέσουν στην επιφάνεια της θάλασσας κατά την κάθετο, οπότε δεν θα υποστούν ανάκλαση( το μεγαλύτερο μέρος θα διαθλαστεί προς τη θάλασσα). Συμπερασματικά : το μεσημέρι η υποβρύχια ορατότητα είναι καλύτερη από ό,τι το πρωί ή το απόγευμα!
Ατμοσφαιρικές συνθήκες :
Η ένταση της ολικής ακτινοβολίας στην επιφάνεια της θάλασσας είναι το άθροισμα των εντάσεων της άμεσης και της έμμεσης- διάχυτης- ακτινοβολίας. Όταν ο ουρανός είναι καλυμμένος με σύννεφα, τότε όλη η ακτινοβολία είναι διάχυτη. Το αντίθετο συμβαίνει όταν ο καιρός είναι καθαρός, οπότε η διάχυτη είναι ένα μικρό ποσοστό της ολικής. Και στην περίπτωση αυτή, όμως , η διάχυτη μπορεί να γίνει αρκετά μεγάλη, όταν ο ήλιος δύει και είναι κοντά στον ορίζοντα.
· Φαινόμενα οπτικής μέσα στη θάλασσα :
Ενδιαφέρον παρουσιάζουν φαινόμενα σχετικά με την οπτική, υποβρυχίως. Συγκεκριμένα :
Διάθλαση : Όταν μια ακτίνα φωτός που διαδίδεται σε ένα μέσο (π.χ. αέρας) συναντήσει τη διαχωριστική επιφάνεια ανάμεσα στο μέσο αυτό με ένα άλλο διαφανές μέσο (π.χ. νερό), ένας μέρος της αρχικής ακτίνας ανακλάται, αλλά ένα άλλο μέρος της διαθλάται μέσα στο δεύτερο μέσο. Έτσι, με βάση αυτό τον νόμο- τον νόμο της διάθλασης, όπως είναι γνωστός- αν υποθέσουμε ότι ένα ψάρι βρίσκεται σε βάθος d κάτω από την επιφάνεια μιας λίμνης, με δείκτη διάθλασης διαφορετικό από του αέρα. Τότε το βάθος που θα νομίζει ένας παρατηρητής που βρίσκεται από πάνω ότι βρίσκεται το ψάρι θα είναι τα ¾ του πραγματικού, δηλαδή θα το βλέπει πιο ψηλά από ότι είναι. Επίσης, αν το πραγματικό μήκος του ψαριού είναι 10 cm, τότε ο παρατηρητής θα το βλέπει 7.5 cm, δηλαδή μικρότερο! Το ίδιο φαινόμενο παρατηρείται όταν κοιτάζουμε με τη μάσκα. Οι ακτίνες του φωτός που φτάνουν στο μάτι από ένα αντικείμενο, μέσα στο νερό, παθαίνουν διάθλαση, περνώντας από το γυαλί της μάσκας. Έτσι, οι εικόνες που βλέπει κανείς υποβρυχίως είναι κατά το ⅓ μεγαλύτερες από τις πραγματικές!
Oλική εσωτερική ανάκλαση :
( ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΓΙΑ ΟΛΟΥΣ )
Του Λουκά Αθανασέκου
Φυσικός
MSc «Φωτονική & Οπτοηλεκτρονικές διατάξεις»
Υποψ. Διδάκτορας τμημ. Επιστήμης των Υλικών, Παν. Πατρών
Ερωτήσεις: athanasekos@eie.gr
· Πόσο καλά βλέπουμε κάτω από το νερό; Ποιοι παράγοντες επηρεάζουν την ορατότητα υποβρυχίως;
Διαύγεια του νερού :
Οι ακτίνες του ήλιου, όπως και άλλη πηγή φωτός, όταν διέρχονται από ένα χώρο, που περιέχει μικρά σωμάτια ( στην περίπτωση της θάλασσας το πλαγκτόν και τα μόρια της άμμου ή της λάσπης), εκτρέπονται από την αρχική τους διεύθυνση και διαχέονται προς όλες τις κατευθύνσεις. Το φαινόμενο αυτό στη φυσική ονομάζεται σκέδαση. Η ενέργεια του σκεδαζόμενου φωτός προέρχεται από την ενέργεια του αρχικού φωτός, το οποίο γι’αυτό εξασθενεί. (Το ίδιο φαινόμενο παρατηρείται όταν έχει ομίχλη με αποτέλεσμα τα φώτα να μην φωτίζουν μακριά, λόγω διάχυσης). Εξ’αιτίας του φαινομένου αυτού, ιδιαίτερα μετά από θαλασσοταραχή βλέπουμε ότι η θάλασσα είναι θολή.
Το βάθος :
Τα μόρια του νερού απορροφούν τη φωτεινή ενέργεια των ακτινών του ήλιου και το μετατρέπουν σε θερμότητα. Έτσι, η φωτεινή ενέργεια μειώνεται καθώς αυξάνεται το βάθος. Χαρακτηριστικό είναι ότι σε βάθος μόλις 5 μέτρων το φως μειώνεται στο ένα τέταρτο της τιμής στην επιφάνεια, ενώ στα 15 περίπου μέτρα μόλις στο ένα όγδοο! Χαρακτηριστικό είναι ότι οι θαλάσσιοι οργανισμοί που ζουν σε μεγάλα βάθη έχουν μεγάλα μάτια, λόγω ακριβώς του χαμηλού φωτισμού.
Η θέση του ήλιου :
Η ένταση του φωτός του ήλιου εξαρτάται από τη γωνιακή απόσταση του ήλιου από το ζενίθ, από το ύψος του σημείου που γίνεται η μέτρηση( επιφάνεια της θάλασσας ή βάθος), από τη διάχυση στην ατμόσφαιρα κ.α. Είναι γνωστό ότι η ένταση του ήλιου είναι μεγαλύτερη στις ορεινές περιοχές, παρά στην επιφάνεια της θάλασσας(λόγω της μικρότερης απόστασης). Όταν ο ήλιος βρίσκεται στο ψηλότερο σημείο της τροχιάς του, οι ακτίνες θα προσπέσουν στην επιφάνεια της θάλασσας κατά την κάθετο, οπότε δεν θα υποστούν ανάκλαση( το μεγαλύτερο μέρος θα διαθλαστεί προς τη θάλασσα). Συμπερασματικά : το μεσημέρι η υποβρύχια ορατότητα είναι καλύτερη από ό,τι το πρωί ή το απόγευμα!
Ατμοσφαιρικές συνθήκες :
Η ένταση της ολικής ακτινοβολίας στην επιφάνεια της θάλασσας είναι το άθροισμα των εντάσεων της άμεσης και της έμμεσης- διάχυτης- ακτινοβολίας. Όταν ο ουρανός είναι καλυμμένος με σύννεφα, τότε όλη η ακτινοβολία είναι διάχυτη. Το αντίθετο συμβαίνει όταν ο καιρός είναι καθαρός, οπότε η διάχυτη είναι ένα μικρό ποσοστό της ολικής. Και στην περίπτωση αυτή, όμως , η διάχυτη μπορεί να γίνει αρκετά μεγάλη, όταν ο ήλιος δύει και είναι κοντά στον ορίζοντα.
· Φαινόμενα οπτικής μέσα στη θάλασσα :
Ενδιαφέρον παρουσιάζουν φαινόμενα σχετικά με την οπτική, υποβρυχίως. Συγκεκριμένα :
Διάθλαση : Όταν μια ακτίνα φωτός που διαδίδεται σε ένα μέσο (π.χ. αέρας) συναντήσει τη διαχωριστική επιφάνεια ανάμεσα στο μέσο αυτό με ένα άλλο διαφανές μέσο (π.χ. νερό), ένας μέρος της αρχικής ακτίνας ανακλάται, αλλά ένα άλλο μέρος της διαθλάται μέσα στο δεύτερο μέσο. Έτσι, με βάση αυτό τον νόμο- τον νόμο της διάθλασης, όπως είναι γνωστός- αν υποθέσουμε ότι ένα ψάρι βρίσκεται σε βάθος d κάτω από την επιφάνεια μιας λίμνης, με δείκτη διάθλασης διαφορετικό από του αέρα. Τότε το βάθος που θα νομίζει ένας παρατηρητής που βρίσκεται από πάνω ότι βρίσκεται το ψάρι θα είναι τα ¾ του πραγματικού, δηλαδή θα το βλέπει πιο ψηλά από ότι είναι. Επίσης, αν το πραγματικό μήκος του ψαριού είναι 10 cm, τότε ο παρατηρητής θα το βλέπει 7.5 cm, δηλαδή μικρότερο! Το ίδιο φαινόμενο παρατηρείται όταν κοιτάζουμε με τη μάσκα. Οι ακτίνες του φωτός που φτάνουν στο μάτι από ένα αντικείμενο, μέσα στο νερό, παθαίνουν διάθλαση, περνώντας από το γυαλί της μάσκας. Έτσι, οι εικόνες που βλέπει κανείς υποβρυχίως είναι κατά το ⅓ μεγαλύτερες από τις πραγματικές!
Oλική εσωτερική ανάκλαση :
Όταν το φως μεταβαίνει από ένα οπτικά πυκνό μέσο( μέσο με μεγάλο δείκτη διάθλασης : νερό) σε ένα λιγότερο πυκνό οπτικά μέσο( μικρότερο δείκτη διάθλασης : αέρας), τότε υπό ορισμένες συνθήκες , συντελείται το ενδιαφέρον φαινόμενο της ολικής εσωτερικής ανάκλασης. Κατά το φαινόμενο αυτό, όταν η γωνία πρόσπτωσης μιας ακτίνας είναι μεγαλύτερη από 50ο περίπου( η συγκεκριμένη γωνία προκύπτει ύστερα από υπολογισμό), η ακτίνα ανακλάται ολόκληρη στην επιφάνεια( η επιφάνεια λειτουργεί σαν καθρέφτης). Έτσι, όταν ένας δύτης που βρίσκεται μέσα στη θάλασσα( ή ακόμη και ένα ψάρι!) κοιτάξει προς την επιφάνεια του νερού υπό γωνία μεγαλύτερη από 50ο, τότε βλέπει έναν κύκλο που αντιστοιχεί σε γωνίες μικρότερες των 50ο ,ενώ έξω από τον κύκλο η θάλασσα φαίνεται σαν ασημένιος καθρέφτης!
Εφαρμογή: τι βλέπει …ένα ψάρι;
Όταν η γωνία πρόσπτωσης είναι 40ο, το ψάρι βλέπει τι γίνεται έξω από το νερό( θα νομίζει, όμως, ότι τα αντικείμενα έξω από το νερό βρίσκονται πιο ψηλά από την πραγματική τους θέση). Όταν η γωνία ισούται με 50ο ( για την ακρίβεια, η γωνία είναι 49ο ), που είναι η οριακή γωνία νερού- αέρα, το φως που φτάνει στο μάτι του ψαριού είναι αυτό που οδεύει εφαπτομενικά και παράλληλα προς τη διαχωριστική επιφάνεια νερού- αέρα. Όταν η γωνία υπό την οποία κοιτάζει είναι 60ο, τότε το ψάρι βλέπει τον βυθό, διότι οι ακτίνες που φτάνουν στο μάτι του έχουν υποστεί ολική εσωτερική ανάκλαση!
· Τι ακριβώς συμβαίνει με το χρώμα υποβρυχίως;
Το ορατό φάσμα, κατά αύξουσα σειρά συχνότητας, είναι : κόκκινο, πορτοκαλί, κίτρινο, πράσινο, γαλάζιο και ιώδες. Το νερό λειτουργεί σαν φίλτρο των ηλιακών ακτινών και απορροφά κατά διαφορετικό τρόπο τα διάφορα χρώματα του ορατού φάσματος. Μερικά χρώματα απορροφούνται πιο γρήγορα από άλλα, όταν περνούν στο νερό, όπως το κόκκινο και το κίτρινο. Τη νύχτα , το κόκκινο είναι το λιγότερο διαθέσιμο. Το γεγονός αυτό έχει σημαντικές επιπτώσεις στα όντα που ζουν κάτω από το νερό. Τα ψάρια που ζουν σε ρηχά, καλά φωτισμένα νερά έχουν “έγχρωμη” όραση. Τα ψάρια, όμως, που ζουν σε βαθιά νερά ή είναι ενεργά μόνο τη νύχτα, σπάνια έχουν αντίληψη του χρώματος. Τα ψάρια που ζουν σε σκοτεινά ή λασπώδη νερά είναι σχεδόν τυφλά και εξαρτώνται από την αφή, την όσφρηση ή τα ηλεκτρικά πεδία για να αντιληφθούν το περιβάλλον. Το νερό απορροφά διαφορετικές συχνότητες φωτός , με την απόσταση. Για παράδειγμα, όσο πιο βαθιά καταδυόμαστε, τόσο περισσότερο φως απορροφάται από το νερό. Αν καταδυθούμε αρκετά βαθιά , θα παρατηρήσουμε ότι όλα τα αντικείμενα φαίνονται να έχουν αποχρώσεις του μπλε. Αυτό συμβαίνει γιατί το μπλε είναι η τελευταία συχνότητα φωτός που απορροφάται. Έτσι, σε μεγάλα βάθη πρέπει να χρησιμοποιηθεί άλλη κατάλληλη πηγή φωτός , για να δούμε το πραγματικό χρώμα των αντικειμένων. Το μπλε και το πράσινο χρώμα, έχοντας μικρότερα μήκη κύματος από άλλα χρώματα στο ορατό φάσμα, ταξιδεύουν πιο βαθιά στη θάλασσα και έχουν μεγαλύτερη λαμπρότητα από το κόκκινο, το οποίο βρίσκεται στην άλλη άκρη του φάσματος. Συγκεκριμένα, το κόκκινο θα υποστεί απώλειες στην έντασή του της τάξης του 50% για 2 μόνο μέτρα στη θάλασσα, ενώ το μπλε και πράσινο πρέπει να ταξιδέψουν 35 μέτρα για να αποκτήσουν τέτοιας τάξης απώλειες!
Εφαρμογή: τι βλέπει …ένα ψάρι;
Όταν η γωνία πρόσπτωσης είναι 40ο, το ψάρι βλέπει τι γίνεται έξω από το νερό( θα νομίζει, όμως, ότι τα αντικείμενα έξω από το νερό βρίσκονται πιο ψηλά από την πραγματική τους θέση). Όταν η γωνία ισούται με 50ο ( για την ακρίβεια, η γωνία είναι 49ο ), που είναι η οριακή γωνία νερού- αέρα, το φως που φτάνει στο μάτι του ψαριού είναι αυτό που οδεύει εφαπτομενικά και παράλληλα προς τη διαχωριστική επιφάνεια νερού- αέρα. Όταν η γωνία υπό την οποία κοιτάζει είναι 60ο, τότε το ψάρι βλέπει τον βυθό, διότι οι ακτίνες που φτάνουν στο μάτι του έχουν υποστεί ολική εσωτερική ανάκλαση!
· Τι ακριβώς συμβαίνει με το χρώμα υποβρυχίως;
Το ορατό φάσμα, κατά αύξουσα σειρά συχνότητας, είναι : κόκκινο, πορτοκαλί, κίτρινο, πράσινο, γαλάζιο και ιώδες. Το νερό λειτουργεί σαν φίλτρο των ηλιακών ακτινών και απορροφά κατά διαφορετικό τρόπο τα διάφορα χρώματα του ορατού φάσματος. Μερικά χρώματα απορροφούνται πιο γρήγορα από άλλα, όταν περνούν στο νερό, όπως το κόκκινο και το κίτρινο. Τη νύχτα , το κόκκινο είναι το λιγότερο διαθέσιμο. Το γεγονός αυτό έχει σημαντικές επιπτώσεις στα όντα που ζουν κάτω από το νερό. Τα ψάρια που ζουν σε ρηχά, καλά φωτισμένα νερά έχουν “έγχρωμη” όραση. Τα ψάρια, όμως, που ζουν σε βαθιά νερά ή είναι ενεργά μόνο τη νύχτα, σπάνια έχουν αντίληψη του χρώματος. Τα ψάρια που ζουν σε σκοτεινά ή λασπώδη νερά είναι σχεδόν τυφλά και εξαρτώνται από την αφή, την όσφρηση ή τα ηλεκτρικά πεδία για να αντιληφθούν το περιβάλλον. Το νερό απορροφά διαφορετικές συχνότητες φωτός , με την απόσταση. Για παράδειγμα, όσο πιο βαθιά καταδυόμαστε, τόσο περισσότερο φως απορροφάται από το νερό. Αν καταδυθούμε αρκετά βαθιά , θα παρατηρήσουμε ότι όλα τα αντικείμενα φαίνονται να έχουν αποχρώσεις του μπλε. Αυτό συμβαίνει γιατί το μπλε είναι η τελευταία συχνότητα φωτός που απορροφάται. Έτσι, σε μεγάλα βάθη πρέπει να χρησιμοποιηθεί άλλη κατάλληλη πηγή φωτός , για να δούμε το πραγματικό χρώμα των αντικειμένων. Το μπλε και το πράσινο χρώμα, έχοντας μικρότερα μήκη κύματος από άλλα χρώματα στο ορατό φάσμα, ταξιδεύουν πιο βαθιά στη θάλασσα και έχουν μεγαλύτερη λαμπρότητα από το κόκκινο, το οποίο βρίσκεται στην άλλη άκρη του φάσματος. Συγκεκριμένα, το κόκκινο θα υποστεί απώλειες στην έντασή του της τάξης του 50% για 2 μόνο μέτρα στη θάλασσα, ενώ το μπλε και πράσινο πρέπει να ταξιδέψουν 35 μέτρα για να αποκτήσουν τέτοιας τάξης απώλειες!
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου