Stínohra: Nebeské kino na zemi? Určitě jste si při nedělní letní procházce lesem již někdy všimli, že z hřejivých paprsků slunce, které je vysoko nad lesem, jich zrovna moc přes koruny stromů na zem nedopadá. Proto je zde i za nesnesitelně horkých letních dní relativně příjemný chládek. Ze slunce jsou vidět většinou jen malé svítící skvrny, které se na jinak stinné lesní zemi pohybují v mírném letním vánku zlehka sem a tam. Ony by letní hry světla na zemi pod hustou střechou z listí nebyly nijak zajímavé, kdyby zde neexistovaly jisté zvláštnosti. Všechny světelné plošky, které tančí na zemi, jsou téměř vždy přibližně stejně velké. Kromě toho mají všechny do jedné oválný tvar. Přece ale nemůže být pravda, že jsou všechny mezery v listové střeše náhodou stejné. Pohled nahoru nám to samozřejmě okamžitě potvrdí – jak jsme očekávali, jsou zde mezery malé a velké, navíc kruhového, trojúhelníkového nebo mnohoúhelníkového tvaru, a většinou dokonce naprosto nepravidelné. A přesto mají všechny světelné skvrny na zemi stejnou velikost. Jak je to možné? Rozluštěním hádanky je průchod paprsků listím. Každá mezera v korunách stromů působí stejně jako jednoduchá dírková komora. Nezávisle na své skutečné velikosti vytváří proto každá mezera v korunách stromů na lesní zemi zmenšený obraz Slunce. Vzhledem ke skutečnosti, že ve střední Evropě dopadá i uprostřed léta sluneční světlo šikmo, deformují se vlastně sluneční kotouče na malé elipsy. Že tyto světelné skvrny jsou skutečně obrazy Slunce, a nikoli jen světla, jaká umí vykouzlit divadelní reflektory na pódiu, objevil již známý astronom Johannes Keppler (1571–1630) a tím jako jeden z prvních spolehlivě dokázal, že se světlo za 13
normálních okolností šíří zcela přímočaře – což v jeho době nebylo v žádném případě všeobecně uznávaným poznatkem. Při podrobnějším pozorování ho také udivilo, že tato spousta malých obrazů Slunce pod hustými korunami stromů je zrcadlově otočená: Když před Sluncem proplouvá pár malých mraků, je směr jejich pohybu v obraze na zemi vždy opačný než skutečný pohyb mraků na obloze.
Efekt Capri: Proč je nebe modré? Po černočerné noci a neutrálních odstínech šedi probouzejícího se rána, při návratu netopýrů a jiných nočních tvorů domů vás krátce nato rozradostní začínající letní den dokonale modrou oblohou. To je vaše šance. Nyní totiž můžete své okolí uvést do rozpaků otázkou, proč vlastně nebe vypadá modré nebo alespoň mezi případnými mraky modrá prosvítá. Tato otázka vůbec není absurdní či dokonce naivní, byli z ní přece zoufalí i mnozí antičtí přírodovědci. Také pozdější generace přírodních filozofů nebo badatelů usilovaly o věrohodné vysvětlení tohoto téměř každodenního fenoménu. Jeho výklad předložil ve své Nauce o barvách dokonce všestranný génius Johann Wolfgang von Goethe. Reagoval tím na zveřejněnou teorii rozkladu slunečního světla (objevenou krátce předtím slavným Isaakem Newtonem), podle níž ho lze pomocí skleněného hranolu snadno rozložit na sedm barev duhy. Přijít na kloub nebeské modři se snažilo mnoho známých přírodovědců, brzy ale ztroskotávali na svých tenkrát ještě omezených možnostech tento jev vysvětlit. Úspěch slavil až John William Strutt (1842–1919), který po smrti svého otce v roce 1873 získal šlechtický titul lord 14
Rayleigh. V bývalé konírně statku rodičů si zřídil pokusnou laboratoř a kromě správy otcovy pozůstalosti se věnoval téměř výhradně svým fyzikálním experimentům. Modř nebe vysvětlil rozptylem světla na molekulách, popřípadě atomech, ve vzduchu, i když v jeho době nebyla teorie atomu ještě vůbec rozvinutá. Skutečně – to tajemné a příslovečné modré z nebe je složitým efektem vznikajícím vzájemným působením slunečního světla a molekul plynu v atmosféře. Vyzáření světelných paprsků molekulou plynu do všech možných směrů se dnes podle svého objevitele nazývá Rayleighův rozptyl nebo Rayleighův efekt. Při cestě slunečních paprsků zemskou atmosférou dochází neustále ke vzájemné interakci s hmotou. Světelné vlny vybuzují vázané elektrony molekul vzduchu k silným vibracím a tato energie se pak vyzáří zpět ve formě vlnění všemi směry – tím vzniká rozptýlené světlo atmosféry. Rayleighův rozptyl je možný jen tehdy, když jsou molekuly plynu podstatně menší než vlnová délka viditelného spektra. Takzvaný Rayleighův zákon popisuje tuto souvislost dokonce exaktně matematicky, početním detailům se zde ale věnovat nebudeme. Rozptýlené světlo dopadající z oblohy na zem je v každém případě sice vždy směsí celého spektra barev slunečního světla rozptýleného na molekulách vzduchu, avšak četnost rozptýlení je nepřímo úměrná vlnové délce, proto výraznou většinu tvoří krátkovlnné, tedy modré podíly. Protože ještě kratší vlnovou délku má fialové světlo, měla by být obloha vlastně fialová. Fialová barva ovšem není ve slunečním světle příliš zastoupena, proto ji lze relativně špatně rozpoznat i v duze. Kromě toho jsou naše oči na tuto oblast spektra málo citlivé. Rozptýlené fialové světlo proto v našem vnímání oblohy zcela zaniká. Převažuje tedy silně rozptýlený 15
modrý podíl a ten pak tvoří barvu oblohy. Velmi zářivá modrá vzniká tehdy, když atmosféra obsahuje relativně málo vodních kapek anebo prachových částic. Britský odborný časopis National Physical Laboratory jednou zveřejnil žebříček, podle kterého je nejzářivěji modré nebe nad Rio de Janeirem. Mimochodem, Rayleighův zákon hraje roli také u krásných modrých očí vašeho protějšku (srov. str. 134).
Bouře na obloze: Jak vysoko jsou mraky na pólu a rovníku? Již pouhým okem lze při pohledu na horizont snadno rozpoznat, že oblaka nejsou jako na dětském obrázku na obloze úplně nahoře. Velmi jemné závoje ledových oblak (cirrů) se táhnou nad zemí výrazně výše než hustá dešťová oblaka, která se lopotně posouvají přes horské hřbety. Někdy dokonce stojíme uprostřed oblaku. Mlha totiž není ničím jiným než oblakem z kapiček vody sahajícím až k zemi. Jak vysoko jsou ale mraky skutečně? Pro zodpovězení této otázky je třeba vzít v úvahu dvě věci. Za prvé se oblaka nacházejí v různých atmosférických výškách, za druhé existuje vrstva atmosféry, ve které se odehrávají veškeré meteorologické jevy, takzvaná troposféra. Ale jedno po druhém: Meteorologové rozlišují nízká, střední a vysoká oblaka. V přízemí troposféry se zdržují nízká oblaka, ke kterým patří například kupovité oblaky (cumulus), válcovité oblaky (arcus) a nízké oblačné vrstvy (stratus). Střední oblaka jsou doma v prvním patře troposféry. Zde se řidšími vrstvami vzduchu toulají nejen oblaka „pěkného počasí“ (cumulus humilis nebo cumulus mediocris), ale také dešťová oblaka, ze kterých při 16
nízkých teplotách sněží. V podkroví troposféry pak přebývají průsvitné pásy a vlákna ledových oblak. Bouřková oblaka, která se ani jindy nezdržují tam, kde běžná oblaka s ledem, sněhem nebo deštěm, tvoří výjimku: Jako mohutné věže začínají několik stovek metrů nad zemským povrchem, prostupují každým patrem spodní atmosféry a náhle a ploše končí na vrcholu troposféry. Co to ale vlastně troposféra je? Zemská atmosféra je vysoká přibližně 500 kilometrů. Povětrnostní jevy, jako je proudění vzduchu, tvorba oblaků, déšť a sněžení, se však neodehrávají v celé zemské atmosféře, ale jen v její nejspodnější vrstvě, kterou nazýváme troposféra. Troposféra obklopuje Zemi jako slupka jablko – ale pozor, toto přirovnání není úplně přesné: Zatímco slupka jablka je všude stejně silná, troposféra není. Na chladných pólech těsně přiléhá k Zemi, jako kdyby jí dále od Země bylo příliš zima, a končí již ve výšce osmi kilometrů. V horkých tropech kolem rovníku se ale troposféra mohutně rozpíná. Zde má výšku až 17 kilometrů a je tak dvojnásobná oproti troposféře nad severním nebo jižním pólem. U nás, ve středních šířkách, je i troposféra středně vysoká a končí ve výšce 12 až 13 kilometrů. Důvodem této rozdílné tloušťky je odstředivá síla vznikající v důsledku otáčení Země, kvůli které je i Země na pólech mírně zploštělá. Tato výrazná změna výšky troposféry působí také na oblaka. Jestliže jsou v našich zeměpisných šířkách cirry ve stejné výšce nad zemí jako letadla, pozoruje pilot tyto ledové závoje při přeletu jižního pólu pod sebou. A bouřková oblaka, která u nás končí ve výšce 13 kilometrů, sahají na rovníku ještě o další čtyři kilometry výše.
17
Paleta na pár minut: Co se děje v duze? I když určitě každý z nás někdy s údivem pozoroval tento mnohobarevný pás světla, nedokážou mnozí pořadí barev duhy bezchybně vyjmenovat. Začíná duha červenou nahoře a končí fialovou dole, nebo je to právě naopak? Je zelená uprostřed, nebo snad na okraji? Vyzkoušejte své známé – zmatení je většinou dokonalé, někdy ovšem i v odborných knihách. Když italské mírové hnutí zavedlo dnes již celosvětově známou duhovou vlajku s bílým nápisem PACE, její designéři se také nedívali úplně pozorně. Celý emblém je totiž oproti svému přírodnímu vzoru přesně opačný s modrou nahoře a červenou dole. Fialová chybí, ale na rozdíl od skutečné duhy je navíc uprostřed světle modrá. Fyzikálně správné pořadí zahrnuje shora dolů sedm barevných pásů – červený, oranžový, žlutý, zelený, modrý, indigový a fialový. V poezii, hudbě a malířství poměrně často zachycovaná duha je neobyčejně zajímavou hříčkou přírody. Barevnými pásy se nechávali okouzlovat lidé ve všech kulturách, protože dlouho neexistovalo přirozené, to znamená logické vysvětlení. Své problémy měl s duhou také Goethe, jelikož úplně nezapadala do jeho, z dnešního pohledu mírně chaotické, Nauky o barvách. Kompletní teorie vzniku duhy je skutečně dost obsáhlá a plní tlusté odborné knihy. My se ale omezíme jen na několik důležitých aspektů. Jestliže má většina pozorovatelů problém zapamatovat si pořadí barev, je pravděpodobné, že přehlédnou také mnoho zajímavých vedlejších efektů duhy. Pozorované jevy jako takové lze přitom vysvětlit poměrně snadno. Jen pochopení jejich fyzikální podstaty skrývá pro mnohé řadu úskalí. Aby se vůbec duha objevila, potřebujete „závěs“ dešťových kapek před sebou a slunce za zády. Barevnou duhu se sedmi 18
barvami, nazývanou také hlavní nebo primární duha, lze pozorovat vždy na pozadí oblaků, ze kterých vypadávají srážky, a pod pozorovacím úhlem 42°. Oko pozorovatele přitom tvoří jakoby vrchol ležícího kuželu s vrcholovým úhlem 42° a duha se objeví jako část oblouku na jeho podstavě. Sedm barevných pruhů má v úhlových mírách šířku téměř přesně 2°. Skoro vždy je možné mimo hlavní duhu spatřit mírně slabší vedlejší čili sekundární duhu. Protože je na obloze o něco výše, objevuje se pod pozorovacím úhlem 51°. Pořadí barev je v ní opačné než v hlavní duze – začíná tedy červenou uvnitř a končí vybledlou fialovou na vnějším okraji. Úhlová šířka jejího světelného pásu je přibližně 4°, tedy téměř dvojnásobek hlavní duhy. Mezi hlavní a vedlejší duhou vypadá nebe výrazně tmavší než okolo. Tuto asi 9° širokou oblast nazýváme „Alexandrův tmavý pás“ podle Alexandra z Afrodisiady (cca 174–220 př. n. l.), který tento jev popsal poprvé. Přitom je téměř celé vnitřní pole ohraničené hlavní duhou oproti okolí výrazně jasnější. Někdy lze uvnitř v bezprostřední návaznosti na hlavní duhu pozorovat ještě nezřetelné, většinou narůžovělé nebo zelenkavé barevné pásy, které nazýváme „podružné duhové oblouky“. Kompletní půlkruhovou duhu s nejvyšším bodem ve 42° lze ovšem pozorovat jen tehdy, když je slunce ještě na horizontu nebo velmi těsně nad ním. Když se v průběhu dne dostane výše, posunuje se střed duhy směrem dolů, čímž se duha zplošťuje. Je-li slunce na 42° nebo výše na obloze, leží nejvyšší bod duhy na horizontu, popř. pod ním, a celá barevná nádhera není vidět. V létě je proto tento přírodní úkaz viditelný jen při relativně nízké poloze slunce brzy po ránu nebo pozdě večer, naopak v zimě po celý den. Z velmi vysoko položených pozorovacích bodů, například z vrcholku hory nebo z letadla, lze spatřit duhu jako celý kruh. 19
Od základních objevů významného fyzika Isaaka Newtona (1643–1727) je známo, že duha obsahuje různé barvy světelného spektra. Newton rozložil denní světlo složené ze všech barev, které se našemu oku jeví dohromady jako bílé, pomocí skleněného hranolu na spektrální složky. U duhy zastupují skleněný hranol kapky deště. Sluneční paprsky dopadají na kulaté dešťové kapky, lomí se, odrážejí na vnitřní straně kapky a při opuštění kapky se znovu lomí. Každá vlnová délka, a tedy každá barva má svůj úhel lomu. Pro červené paprsky s dlouhou vlnovou délkou činí maximálně 42°, pro fialové s krátkou vlnovou délkou jen asi 40°. Rozdíl obou hodnot udává šířku duhy. Kvůli jejich rozdílnému úhlu vyzařování opouštějí vlny červeného světla kapky vody úplně dole a fialového 2° nad nimi. Pořadí barev je tedy opačné oproti tomu, které na duze vidíme. Důvod opětovného (zdánlivého) otočení je ale snadno pochopitelný: Jednotlivé barvy se od kapiček deště odrážejí zpět, přičemž procházejí pod vyzařovacím úhlem 42° až 40°. Červená vnější část duhy nám přitom zobrazuje jiné dešťové kapky (které jsou v tom okamžiku ještě ve větší výšce) jako fialový vnější lem, který přichází k našim očím od dešťových kapek, které jsou již níže. Pod určitými úhly dopadu slunečních paprsků se mohou světelné vlny v dešťových kapkách lomit a odrážet i vícekrát. Pak vytvářejí vedlejší duhu na 51° nebo podružné duhové oblouky pod 40°. Dešťové kapky tedy manipulují se slunečním světlem a rozmanitě ho přerozdělují. Mezi 42° a 51° nevrhají žádné světlo kvůli své vlastní geometrii a z toho vyplývajícímu úhlu lomu, popř. odrazu. Proto zde pozorujeme jedinečný a opravdu široký Alexandrův tmavý pás (podle řeckého filozofa Alexandrose z Afrodisie).
20
Srážky: Proč vlastně nezůstanou dešťové kapky nahoře? Zahrádkáři, zemědělci, výletníci a lidé na dovolené mají k dešti rozdílný vztah. Jedni ho vyhlížejí, protože jim bez něj uvadají pěstované rostliny, jiným kříží jejich plánované aktivity v přírodě. Když ale budeme pozorovat houstnoucí oblaka bez těchto vášní, začnou se jevit jako fascinující útvary plné fyzikálních zajímavostí. Pozornost si zaslouží již jejich nejrozmanitější tvary. Pro profesionální meteorology existují obsáhlé atlasy oblaků, ve kterých mají jejich různé tvary dokonce latinské názvy, podobně jako rostliny a živočichové v příslušných atlasech. Slibný a vydatný dešťový oblak se například nazývá cumulonimbus congestus. Jedna z hlavních otázek týkajících se dešťového oblaku by mohla znít: Jak to, že voda zůstává tak dlouho nahoře a pak někdy najednou „ze všech oblak“ spadne? Nejde zde přece jen o několik konví tekutiny. Nasycený oblak obsahuje podle průměru a tloušťky ve skutečnosti několik tisíc tun vody (viz také str. 31). Aby oblak vůbec mohl vzniknout, musí docházet ke stoupání vlhkého teplého vzduchu. Protože jsou teplé plyny podstatně lehčí než studené (srov. horkovzdušný balón), stoupá vlhký teplý vzduch nad zahřátou krajinou nahoru, ale také klouže po postupující studené frontě nebo stoupá na horském pásmu. Při vzestupu se ochlazuje, čímž se vodní páry vynesené nahoru od určité teploty srážejí (kondenzují) na velmi jemné vodní kapky a vzniká mlha. Mlhové kapky ale nepadají hned zase dolů, protože jsou s průměrem 0,02 až 0,1 milimetru příliš malé, a tedy tak lehké, že je vzestupné proudy v oblaku delší dobu udrží se vznášet. Teprve při silnějším vzestupném 21
proudu vzniká šance, že na sebe kapičky narazí, při nárazu se spojí a narostou. Při vzestupných proudech s rychlostí přibližně do 8 metrů za sekundu se mohou kapičky zvětšit maximálně na 5 milimetrů. Začínají padat dolů, rozpadají se přitom ale na menší části, které vzestupné proudy opět ženou nahoru, a znovu začíná cesta dolů. Časem se ve spodní části oblaku nahromadí větší kapky. Pokud nyní vzestupný proud poleví, už je nic nedrží – a začíná pršet. Takto to většinou probíhá v tropech. V našich středních šířkách se na dešti podílejí ještě další procesy, především tvorba ledových krystalů. V létě je zóna, ve které silně podchlazená voda v oblacích mrzne na ledové krystaly, asi v pětikilometrové výšce. Oblak, z něhož má pršet, musí sahat minimálně tak vysoko, aby teplota v jeho horních částech byla nižší než –10 °C. Zde se tvoří šestiúhlé sněhové krystaly, které narůstají. Ve vertikálně se vyvíjejícím oblaku (cumulus) probíhá tento proces obdivuhodnou rychlostí: Za pouhých 15 minut naroste ledový krystal na 10 000násobek své původní velikosti. Nyní může podchlazená voda na sněhových krystalech zamrzat a tím se vytvářejí kroupy. Při namrzání se uvolňuje teplo, které je většinou velmi rychle odváděno vzestupnými proudy. Jinak kroupy roztávají, vířením v oblaku zachycují při vzájemném narážení další vodu, která se usazuje v soustředných slupkách, nakonec rovněž zamrzá a vytvářejí se tak větší a pak padající kroupy. Déšť, který pak dopadá k zemi, je téměř vždy roztátý sníh nebo roztáté kroupy. Při nízké teplotě ve spodní atmosféře nemůže proběhnout úplně proces tání a voda dopadne v pevném skupenství.
22