Astronomische lichtbreking

Licht verplaatst zich niet altijd in een rechte lijn. Wanneer het door een medium met een andere massadichtheid gaat, zullen de golven veranderen van richting. Het fenomeen wordt lichtbreking of refractie genoemd en wordt beschreven volgens de wet van Snellius.

De atmosfeer van de aarde kent variaties in luchtdichtheid die afhankelijk is van de hoogte en temperatuur. Aangezien de brekingsindex verandert met de dichtheid van het medium, ervaren lichtgolven die door de atmosfeer van de aarde gaan ook breking.

Door de zwaartekracht wordt lucht dat zich dicht bij de aarde bevindt meer samengedrukt dan lucht dat zich verder van het aardoppervlak bevindt. Ter vergelijking: onderaan een stapel sumoworstelaars voel je meer druk dan halverwege of helemaal bovenaan deze stapel. Hierdoor ontstaat er een dichtheidsgradiënt en zal licht gewoonlijk afbuigen richting het aardoppervlak.

Om die reden zullen volgende observaties mogelijk zijn:

  • Zowel zon als maan verschijnen afgeplat aan de horizon. Ze worden als het ware wat platgedrukt.
  • Zon, maan en sterren die net boven de horizon te zien zijn, bevinden zich in werkelijkheid reeds achter de horizon.
  • Tijdens een totale zonsverduistering is het mogelijk om zowel de zon als de verduisterde maan beide boven de horizon te zien (selenelion).
  • De maan wordt lichtrood tijdens een totale maansverduistering.
  • De maan en zon gaan geel of rood onder.
  • Alle hemellichamen zullen een tikkeltje trager bewegen ter hoogte van de horizon.
  • Sterren fonkelen.

Deze atmosferische lichtbreking, die wanneer we over hemellichamen praten ook wel astronomische refractie wordt genoemd, verklaart al de bovenstaande fenomenen consequent en elegant.

Zoals hierboven reeds aangekaart werd is astronomische refractie het gevolg van de dichtheidsgradiënt in de atmosfeer. Dit is een eenvoudig te meten feit. Beklim maar eens een berg met een zakje chips. Of gebruik een hoogtemeter op basis van luchtdruk.

Platte Aarders misbruiken lichtbreking vaak om onmogelijkheden in hun model te verklaren. Zo hopen ze bijvoorbeeld dat licht weg van de aarde buigt en zo de zon (die in hun model ongeveer 5.000 km boven de aarde zweeft) kan laten op- en ondergaan. Of denk maar aan de vraag hoe het kan dat iedereen op aarde dezelfde kant van een ronde maan kan zien. En hoe is het mogelijk dat in Zuid-Amerika, Afrika en Australië drie verschillende mensen alle drie in totaal verschillende richtingen kunnen kijken en toch dezelfde sterren kunnen zien?

Helaas voor hen en hun fantasiewereld is lichtbreking een goed onderzocht en bekend feit.

Referenties

Bloedmaan: waarom de maan rood wordt tijdens een totale maansverduistering

De maan wordt rood tijdens een totale maansverduistering. Maar als de maan zich volledig in de schaduw van de aarde bevindt, hoe wordt zij dan rood?

De atmosfeer van de aarde werkt als een gigantische lens en breekt een deel van het zonlicht richting het oppervlak van de maan.

Wanneer een totale maansverduistering plaatsvindt, bevindt de maan zich volledig in de kernschaduw van de aarde en krijgt deze geen direct licht van de zon. De maan is echter niet helemaal donker tijdens een totale maansverduistering; een deel van het zonlicht penetreert de atmosfeer van de aarde en wordt gebroken richting de op dat moment verduisterde maan.

Zonlicht is samengesteld uit verschillende kleuren met verschillende golflengtes. Deze kleuren kunnen zichtbaar gemaakt worden met een prisma of bijvoorbeeld door de regendruppels in een regenboog. Wanneer zonlicht de dampkring van de aarde binnenkomt, wordt het beïnvloed door een fenomeen dat de Rayleigh-verstrooiing wordt genoemd. Kleuren binnen het blauwe spectrum worden meer verspreid dan kleuren binnen het rode spectrum. Daarom wordt het licht dat het oppervlak van de maan bereikt, gedomineerd door een roodachtig deel van het zonlicht. De blauwe componenten worden ‘achtergelaten’ in de atmosfeer van de aarde en zijn de reden achter de blauwe kleur van onze lucht.

Hetzelfde fenomeen schuilt ook achter de romantische rood-oranje lucht wanneer de zon laag aan de hemel staat, of bij zonsopgang en zonsondergang.

Referenties

Ruimtevaart en de temperatuur in de thermosfeer

De thermosfeer is een laag van onze atmosfeer en bevindt zich tussen een hoogte van ongeveer 95 km en 600 km. Deze laag wordt ‘thermosfeer’ genoemd omdat de temperatuur toeneemt met de hoogte en deze kan wel 2500°C bereiken. De luchtdichtheid is er echter erg laag; tot het punt dat warmtegeleiding praktisch niet optreedt. Voorwerpen in de thermosfeer voelen dan ook koud aan.

Platte Aarders ontdekten dat de temperatuur in de thermosfeer 2500°C kan bereiken en voegden dit toe aan hun lijstje van redenen waarom satellieten niet bestaan. Ze zouden immers smelten! De andere informatie die minstens even belangrijk is, negeren ze echter met plezier: dat de luchtdichtheid er ook veel lager is.

De massa van de atmosfeer van de aarde is geconcentreerd in de onderste lagen, het dichtst bij de aarde zelf. 90% van alle massa bevindt zich onder de 16 km. 99,9999% zit onder de 100 km. De thermosfeer zelf begint vanaf 95 km en eindigt op ongeveer 600 km. Slechts 0,002% van de massa van de atmosfeer van de aarde bevindt zich in de thermosfeer.

Warmteoverdracht is recht evenredig met het verschil in temperatuur en massa. Luchtmoleculen in de thermosfeer hebben soms een 10 keer hogere temperatuur dan aan het aardoppervlak. Maar tegelijkertijd is de dichtheid 10.000.000.000.000 keer lager. Hierdoor heeft het minder energie per volume-eenheid in vergelijking met ons lichaam, waardoor de thermosfeer koud aanvoelt en een gewone thermometer zal onder 0°C aangeven.

Deze situatie kunnen we vergelijken met het moment wanneer we getroffen worden door hete frituurolie. Meestal is dit geen groot probleem. De opspattende olie heeft dezelfde temperatuur als de kokende olie in de ketel en kan tot 200°C bereiken! Maar tegelijkertijd heeft het weinig massa, in tegenstelling tot de olie in de pan. Steek dus nooit je hand in de frietketel, maar panikeer niet bij een paar spatjes.

De stoom in sommige sauna’s kan 100°C bereiken, net als kokend water. Maar we voelen veel minder warmte van een heerlijke sauna dan van niet zo heerlijk kokend water. De reden is dat de dichtheid van stoom veel lager is dan die van water in vloeibare vorm. Alweer een wijze raad: ga nooit ontspannen in een bad kokend water. Kies voor de sauna.

Nog eentje om het af te leren? Vonken die worden geproduceerd door vuurstenen, slijpschijven of feeststerretjes kunnen temperaturen tot 1600°C bereiken! Maar voor ons vormen ze meestal geen groot probleem omdat hun massa minuscuul is in vergeleken met die van ons lichaam.