Sólin Sólin Rís 05:26 • sest 21:28 í Reykjavík
Tunglið Tunglið Rís 21:24 • Sest 05:22 í Reykjavík
Flóð Flóð Árdegis: 06:10 • Síðdegis: 18:30 í Reykjavík
Fjaran Fjara Árdegis: 00:11 • Síðdegis: 12:20 í Reykjavík

Berast ljósgeislar í andrúmsloftinu til okkar eftir beinni línu eða geta þeir bognað?

Ari Ólafsson

Hraði ljósbylgna í lofti ræðst af þéttleika loftsins, fjölda sameinda á rúmmálseiningu. Þéttleikinn stjórnast svo af þrýstingi og hitastigi; vex með hækkandi þrýstingi og fallandi hitastigi. Hraðanum v er lýst með jöfnunni v=c/n, þar sem c er ljóshraðinn í lofttæmi og stærðin n er svokallaður ljósbrotsstuðull (e. index of refraction).

Við staðlaðar aðstæður í andrúmslofti (þrýstingur 1,0 bar og hitastig 0°C) er brotstuðull loftsins n=1,00030. Við tölum um einsleitt efni ef brotstuðullinn er sá sami alls staðar í efninu. Ljósgeislar fara eftir beinni línu í einsleitu efni. Þegar við horfum á eitthvert fyrirfæri í fjarska, nema augu okkar ljósgeisla sem hafa speglast/dreifst af fyrirbærinu. Augun nema styrk, lit og stefnu ljósgeislanna og heilinn les úr þessum merkjum. Hann túlkar stefnu ljósgeislanna að augunum sem upplýsingar um stefnu til fyrirmyndarinnar.

Með misleitu efni, þar sem brotstuðullinn breytist með staðsetningu í efninu, verður tilveran mun fjölbreyttari. Ljósgeislar svigna á ferð sinni um efnið. Mynd 1 sýnir hvernig grænn leisigeisli svignar í sykurlausn, þar sem sykurstyrkurinn dofnar með hæð í lausninni. Brotstuðull lausnarinnar lækkar með lækkandi sykurstyrk. Lengd kersins er 40 cm.

Mynd 1. Grænn leisigeisli í sykurlausn. Sykurstyrkurinn dofnar með hæð í kerinu. Geislinn sveigir því ljóshraðinn vex með hæð í kerinu. Lengd kersins er 40 cm.

Til að nálgast skilning á hvað hér er á ferðinni skulum við skoða aðstæður á Segway-hjóli. Þar stendur reiðmaður á palli milli tveggja rafdrifinna hjóla, annað er á vinstri hönd og hitt á hægri hönd. Þegar bæði hjólin snúast jafn hratt, heldur farartækið beinni stefnu. En ef vinstra hjólið snýst hraðar en það hægra, sveigir farartækið til hægri. Sama gerist með ljósgeisla í misleitu efni. Geislinn hefur alltaf endanlega breidd, svo til hægðarauka skulum við tala um vinstri hluta og hægri hluta, sitt hvoru megin við miðju geislans. Ef vinstri hlutinn skynjar lægri brotstuðul en sá hægri, ferðast hann hraðar um efnið en hægri hlutinn. Þetta kallar á stefnubreytingu geislans. Hann svignar og leitar í átt að hærri brotstuðli og þar með lægri ljóshraða.

Svignun ljósgeisla í misleitu efni veldur hillingum í neðstu lögum andrúmsloftsins þegar hitastig breytist með hæð. Nánar er fjallað um hillingar í svari við spurningunni Hvað eru hillingar og eru til mismunandi tegundir af þeim?

Mynd:
  • AÓ.

Höfundur

Ari Ólafsson

dósent emeritus í eðlisfræði við HÍ

Útgáfudagur

21.3.2024

Spyrjandi

Gunnar Már, ritstjórn

Tilvísun

Ari Ólafsson. „Berast ljósgeislar í andrúmsloftinu til okkar eftir beinni línu eða geta þeir bognað?“ Vísindavefurinn, 21. mars 2024. Sótt 23. apríl 2024. http://visindavefur.is/svar.php?id=86396.

Ari Ólafsson. (2024, 21. mars). Berast ljósgeislar í andrúmsloftinu til okkar eftir beinni línu eða geta þeir bognað? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/svar.php?id=86396

Ari Ólafsson. „Berast ljósgeislar í andrúmsloftinu til okkar eftir beinni línu eða geta þeir bognað?“ Vísindavefurinn. 21. mar. 2024. Vefsíða. 23. apr. 2024. <http://visindavefur.is/svar.php?id=86396>.

Chicago | APA | MLA

Spyrja

Sendu inn spurningu LeiðbeiningarTil baka

Hér getur þú sent okkur nýjar spurningar um vísindaleg efni.

Hafðu spurninguna stutta og hnitmiðaða og sendu aðeins eina í einu. Einlægar og vandaðar spurningar um mikilvæg efni eru líklegastar til að kalla fram vönduð og greið svör. Ekki er víst að tími vinnist til að svara öllum spurningum.

Persónulegar upplýsingar um spyrjendur eru eingöngu notaðar í starfsemi vefsins, til dæmis til að svör verði við hæfi spyrjenda. Spurningum er ekki sinnt ef spyrjandi villir á sér heimildir eða segir ekki nægileg deili á sér.

Spurningum sem eru ekki á verksviði vefsins er eytt.

Að öðru leyti er hægt að spyrja Vísindavefinn um allt milli himins og jarðar!

=

Senda grein til vinar

=

Berast ljósgeislar í andrúmsloftinu til okkar eftir beinni línu eða geta þeir bognað?
Hraði ljósbylgna í lofti ræðst af þéttleika loftsins, fjölda sameinda á rúmmálseiningu. Þéttleikinn stjórnast svo af þrýstingi og hitastigi; vex með hækkandi þrýstingi og fallandi hitastigi. Hraðanum v er lýst með jöfnunni v=c/n, þar sem c er ljóshraðinn í lofttæmi og stærðin n er svokallaður ljósbrotsstuðull (e. index of refraction).

Við staðlaðar aðstæður í andrúmslofti (þrýstingur 1,0 bar og hitastig 0°C) er brotstuðull loftsins n=1,00030. Við tölum um einsleitt efni ef brotstuðullinn er sá sami alls staðar í efninu. Ljósgeislar fara eftir beinni línu í einsleitu efni. Þegar við horfum á eitthvert fyrirfæri í fjarska, nema augu okkar ljósgeisla sem hafa speglast/dreifst af fyrirbærinu. Augun nema styrk, lit og stefnu ljósgeislanna og heilinn les úr þessum merkjum. Hann túlkar stefnu ljósgeislanna að augunum sem upplýsingar um stefnu til fyrirmyndarinnar.

Með misleitu efni, þar sem brotstuðullinn breytist með staðsetningu í efninu, verður tilveran mun fjölbreyttari. Ljósgeislar svigna á ferð sinni um efnið. Mynd 1 sýnir hvernig grænn leisigeisli svignar í sykurlausn, þar sem sykurstyrkurinn dofnar með hæð í lausninni. Brotstuðull lausnarinnar lækkar með lækkandi sykurstyrk. Lengd kersins er 40 cm.

Mynd 1. Grænn leisigeisli í sykurlausn. Sykurstyrkurinn dofnar með hæð í kerinu. Geislinn sveigir því ljóshraðinn vex með hæð í kerinu. Lengd kersins er 40 cm.

Til að nálgast skilning á hvað hér er á ferðinni skulum við skoða aðstæður á Segway-hjóli. Þar stendur reiðmaður á palli milli tveggja rafdrifinna hjóla, annað er á vinstri hönd og hitt á hægri hönd. Þegar bæði hjólin snúast jafn hratt, heldur farartækið beinni stefnu. En ef vinstra hjólið snýst hraðar en það hægra, sveigir farartækið til hægri. Sama gerist með ljósgeisla í misleitu efni. Geislinn hefur alltaf endanlega breidd, svo til hægðarauka skulum við tala um vinstri hluta og hægri hluta, sitt hvoru megin við miðju geislans. Ef vinstri hlutinn skynjar lægri brotstuðul en sá hægri, ferðast hann hraðar um efnið en hægri hlutinn. Þetta kallar á stefnubreytingu geislans. Hann svignar og leitar í átt að hærri brotstuðli og þar með lægri ljóshraða.

Svignun ljósgeisla í misleitu efni veldur hillingum í neðstu lögum andrúmsloftsins þegar hitastig breytist með hæð. Nánar er fjallað um hillingar í svari við spurningunni Hvað eru hillingar og eru til mismunandi tegundir af þeim?

Mynd:
  • AÓ.
...