Atmosférické úkazy

Základní pravidla

Řada atmosférických úkazů má velmi krátkou dobu trvání a pro jejich zachycení na fotografii nám musí stačit krátký okamžik a nutná dávka štěstí. Pokud možno nosme menší fotoaparát u sebe a buďme tak neustále připraveni, protože štěstí přeje připraveným.

Vhodné je mít fotoaparát, který umožní měnit objektivy o různých ohniskových vzdálenostech a tedy i různých velikostech zorného pole. Pokud budeme fotografovat velké útvary, jako jsou oblaka a některé optické úkazy v atmosféře, snažme se snímek pořídit v otevřené krajině. Řada optických úkazů se také nechá pozorovat z letadla, vrtulníku, výškových budov nebo vrcholků hor.

Rozdělení

Atmosférické úkazy si můžeme rozdělit do několika skupin, a to podle náročnosti na vybavení a způsob pořízení snímku. První skupinu budou tvořit úkazy pozorovatelné v noci, jako jsou polární záře, svítící oblaka, noční bouřky. Další skupinu budou tvořit optické úkazy v atmosféře a do poslední skupiny můžeme zařadit atmosférické úkazy, jako jsou oblaka, sněhové vločky atd.

Noční svítící oblaka

Historie pozorování tohoto přírodního úkazu není tak dlouhá. První dochované pozorování se datuje z roku 1885, kdy se také rozběhl program na jejich sledování. Podstata vzniku tohoto druhu oblaků je nejspíše spojena s drobnými ledovými částicemi, které se vyskytují v extrémních výškách. Výška nad povrchem klasické oblačnosti v našich zeměpisných šířkách je kolem 12 kilometrů. Noční svítící oblaka se ale vyskytují ve výškách kolem 80 až 85 kilometrů, tedy v části, kterou označujeme pojmem mezosféra. Výskyt pozorování tohoto druhu „oblačnosti“ souvisí s výškou Slunce pod obzorem. Noční svítící oblaka se nejlépe pozorují za soumraku v období letního slunovratu, tedy v období druhé poloviny měsíce května až první poloviny měsíce srpna, kdy se sluneční kotouč pohybuje 6° až 16° pod obzorem. Další podmínkou pro pozorování nočních svítících oblaků je zeměpisná šířka pozorovacího stanoviště, která by se měla pohybovat v rozmezí 50° až 65° severní, případně jižní polokoule. Samotný vzhled nočních svítících oblaků připomíná závoj modrostříbrné barvy, který se táhne podél obzoru ve výškách 15° až 20°.

Fotografování nočních svítících oblaků je velmi jednoduché a k jeho zachycení použijeme stejného postupu jako u polárních září.

Noční svítící oblaka v Plzni. 21. 6. 2009, 21:00 UT. Canon EOS 40D + 24-70 L USM. Složené 2 expozice, 0,5 s, 400 ISO. Autor: Martin Adamovský

Polární záře

Polární záře je jedním z nejhezčích atmosférických úkazů, které můžeme na noční obloze fotografovat. Tento velmi barevný a dynamický děj se odehrává ve výškách 80 až 100 km nad zemí ve vrstvě atmosféry, kterou označujeme jako ionosféru. Charakteristický výskyt polárních září, jak už z názvu vyplývá, je zejména v polárních oblastech, ale za jistých podmínek je můžeme pozorovat i v nižších zeměpisných šířkách.

Samotná podstata vzniku polárních září navazuje na sluneční aktivitu, proto výskyt a četnost polárních září kopíruje jedenáctiletý cyklus sluneční aktivity. Polární záře vznikají jako důsledek srážek částic slunečního větru s atomy a molekulami vzduchu, a to zejména kyslíku a dusíku. Sluneční vítr tvoří protony, elektrony a alfa částice s vysokou energií. Elektromagnetické záření, které vzniká ve viditelném oboru spektra jako důsledek srážek slunečního větru s atomy a molekulami vzduchu má charakteristické zbarvení, pro kyslík červenou barvu s vlnovou délkou 630 nm, pro dusík zelená barva s vlnovou délkou 577 nm.

Autor: Josef Jíra

Výskyt polárních září ve vyšších zeměpisných šířkách souvisí s magnetickým polem Země, které ji obklopuje. Magnetické pole Země si můžeme představit jako magnetický dipól, jehož póly odpovídají zhruba pólům Země. Magnetické siločáry tak vytvářejí v oblastech kolem pólů jakési trychtýře, kterými se částice slunečního větru dostávají po spirále do nižších atmosférických výšek, kde narážejí do atomů a molekul vzduchu. Pokud je ze Slunce erupcí vyvrženo velké množství nabitých částic, se kterými se Země střetne, zvýší se pravděpodobnost, že budeme moci pozorovat polární záři i v nižších zeměpisných šířkách.

K samotnému fotografování polárních září nám postačí základní vybavení, jako je fotoaparát s drátěnou spouští a stativ. Délka expozic by neměla přesáhnout jednu minutu, vhodnější je exponovat fotografie v řádu několika desítek sekund, protože polární záře jsou velmi dynamickým jevem, který během 20 s změní svůj tvar, strukturu i velikost. Citlivost ISO volíme na základě jasu polární záře. Polární záře jsou úkazy velmi rozsáhlé, proto jako objektiv použijeme buď základní objektiv 50 mm, nebo širokoúhlý objektiv.

Blesky

Chceme-li být úspěšní při fotografování blesků, budeme muset experimentovat s dlouhou expozicí. Základním předpokladem úspěchu je výskyt dostatečně velké bouřky s mnoha blesky. To je do určité míry ovlivněno místem pozorovacího stanoviště (místní mikroklima v dané oblasti). Při fotografování blesků potřebujeme fotoaparát s expozičním časem “B“, spoušť s dálkovým ovládáním a stativ. Při fotografování blesků je vhodné chránit fotoaparát před deštěm a silným větrem, který doprovází bouřku. To, jestli budeme clonit objektiv nebo ne, záleží jednak na kvalitě objektivu, tak i na fotografických podmínkách. Samotnou délku expozice volíme maximálně několik minut, případně můžeme využít techniky startrails, se kterou jsme se seznámili při fotografování hvězdných stop.

Bouřka fotografovaná z Rokycan, pohled na severní obzor. Výslední snímek složený z 21 expozic po 30 s. Autor: Josef Jíra

Blesk je atmosférický úkaz, který vzniká jako elektrický výboj během bouřky, doprovázený emisí světla a zvuku. Blesky se dělí podle svého tvaru do několika skupin. Tvar výboje je silně ovlivněn fyzikálními a klimatickými podmínkami, jako je vlhkost, teplota a tlak vzduchu.

Bouřková oblaka mají možnost akumulace elektrické energie, která se pak uvolňuje formou blesků. Bouřková oblaka, jako jsou například kumulonimby, vznikají silnými vzestupnými proudy, které unášejí vodní páru do vyšších výšek, kde kondenzuje a mění se ve vodní kapky. Kapky se díky tomuto proudění o sebe třou a nabíjejí se. Vlastní výboj (blesk) se šíří cestou nejmenšího odporu. Délka trvání úkazu je v setinách až desetinách sekund a může mít blikavý charakter. To je způsobeno řadou výbojů, které neutralizují náboj. Často je hlavní výboj doprovázen menšími odnožemi, které se vybíjejí do vzduchu nebo do oblak.

Blesky můžeme rozdělit podle druhu šíření:

• blesky mezi oblakem a zemí
• blesky mezi dvěma oblaky
• blesky uvnitř jednoho oblaku

Dalším dělením může být samotný tvar blesku:

• čárový blesk
• rozvětvený blesk
• perlový – jednotlivé svítící body
• kulový blesk

Optické úkazy v atmosféře

Do této skupiny optických úkazů můžeme zařadit úkazy, jejichž podstatou je rozklad světla na vodních kapkách a ledových krystalcích. Na základě tohoto rozdělení máme dvě základní skupiny, a to halové jevy a ohybové jevy. Halové jevy pozorujeme v podobě oblouků, kruhů a barevných skvrn kolem Slunce nebo Měsíce. Základní podmínkou vzniku halového jevu je výskyt ledových krystalků ve vyšších vrstvách atmosféry. Mezi základní typy patří malé a velké halo, vedlejší slunce, halový sloup a různé oblouky. Ohybové jevy na rozdíl od halových jevů vznikají rozkladem světla na vodních kapkách. Ohybové jevy můžeme rozdělit na následující úkazy: koróna, irizace, glorie.

Glorie

Glorií označujeme optický úkaz, který je tvořený barevnými kruhy kolem stínu, který se promítá na vrstvu mraků nebo mlhy. Často tento jev můžeme pozorovat při letu letadlem nebo ve vysokých horách, kde se náš stín promítá do hlubokého údolí. V ten okamžik se vytváří kolem našeho stínu, promítaného na mrak nebo mlhu soustředné kruhy. Díky tomuto zobrazení získal tento úkaz označení jako Horské strašidlo či přízrak. Glorie vzniká vždy na protilehlé straně Slunce kolem našeho stínu. Jedná o ohybový jev světla na kapkách vody, které rozkládají bílé světlo na spektrální barvy. Velikost a intenzita glorie se může měnit v závislosti na slunečním jasu a struktuře vodních kapek.

Fotografie glórií kolem padákového křídla. Fotoaparát SONY DSCP. Výška padáku nad zemí je asi 600 metrů. Autor: Jan Dolejš
Zdroj: http://www.astro.zcu.cz/old/archiv/pic200402.html

Koróna

Korónu pozorujeme jako barevné soustředné kruhy kolem jasného zdroje světla. Zdrojem světla může být Slunce, Měsíc, ale i lampa. Koróna vzniká rozkladem světla na drobných kapkách vody. Podobně jako duha tak i koróna zobrazuje základní barvy. Nejblíže zdroji světla je modrá barva s nejkratší vlnovou délkou a nejvzdálenější je červená barva s největší vlnovou délkou. Podobně jako u duhy, tak i u koróny lze pozorovat kombinaci barevných soustav s tím rozdílem, že u koróny lze pozorovat až trojici barevných soustav. Barevné soustředné kruhy kolem jasného zdroje světla nejsou typické, protože velikost vodních kapek je často velmi rozdílná, v ten okamžik se kolem Sluce nebo Měsíce vytváří světle šedé zjasnění.

Koróna kolem Slunce fotografovaná přes tmavou část rentgenového filmu. Fotoaparát Olympus C3040. Autor: Rostislav Medlín
Zdroj: http://www.astro.zcu.cz/old/archiv/pic200211.html

Halový sloup

Halový sloup je světelný sloup procházející středem Slunce ve vertikální poloze. Často bývá pozorovaná pouze jeho horní část, a to především při východech a západech Slunce. Opět se jedná o halový úkaz, jehož podstatou je odraz paprsků od podstavy horizontálně orientovaných ledových destiček. Halové sloupy mohou vznikat i ve vyšších výškách díky odrazu od stěn krystalových sloupků, které mají orientovanou hlavní osu vodorovně.

Halový sloup fotografovaný v Lipníku nad Bečvou 22. 9. 2005. Výška sloupu byla asi 12 stupňů nad obzorem. Použitý fotoaparát Kodak CX7220. Autor: Radek Svatoň
Zdroj: http://ukazy.astro.cz/galerie-sloup.php

Vedlejší slunce

Vedlejší slunce představuje optický úkaz, který je pozorovatelný jako dvě světlé, někdy i barevné skvrny ležící v jedné rovině se Sluncem v horizontální poloze. Skvrny jsou zpravidla vzdálené od Slunce v úhlu 22°. Ovšem úhlová vzdálenost skvrn se může měnit s výškou Slunce nad obzorem a to až na vzdálenost 32°. Jas vedlejšího slunce může být velmi vysoký a souvisí s natočením bočních stran krystalků ve tvaru destiček, které se vznášejí v téměř horizontální rovině.

Zelený paprsek

Jen velmi zřídka se může fotograf pochlubit snímkem, na kterém je vidět zelený záblesk. Tento jedinečný atmosférický úkaz souvisí s pohledem na poslední sluneční paprsky procházející zemskou atmosférou a je k vidění jen za velmi vzácných pozorovacích podmínek. Doba jeho trvání je ve zlomcích sekund. Princip tohoto úkazu je vcelku jednoduchý. Paprsky světla těsně nad obzorem procházejí mnohem silnější vrstvou atmosféry, než když je Slunce vysoko nad obzorem. V tu dobu dochází k ohybu slunečních paprsků. Světlo s kratší vlnovou délkou se láme v atmosféře Země pod větším úhlem než paprsky dlouhovlnné. Fialová a modrá barva se rozptýlí a my můžeme pozorovat oranžový a červený proužek dole a zelený nahoře. Pozorovat tento nevšední úkaz lze především u moře nebo na horách v místech s vysokou nadmořskou výškou, a to jen za ideálních atmosférických podmínek.

Duha

Duha je jedním z nejkrásnějších a nejvíce fotografovaných optických jevů. Princip vzniku duhy je velmi jednoduchý a souvisí opět s rozkladem slunečního světla na dešťových kapkách. Sluneční paprsky, které vstupují do kapky vody, se lámou a rozkládají na duhové barvy. Rozložené světlo se odráží z vnitřní strany kapky a vychází směrem ven. Výsledkem je barevná kružnice o poloměru 42° a tloušťce asi 2°. Vnitřní oblouk je tvořený fialovou barvou s kratší vlnovou délkou, vnější oblouk pak tvoří červená barva s delší vlnovou délkou. Někdy se můžeme setkat i se sekundární duhou, která má poloměr 51°, zde dochází k dvojitému úplnému odrazu ve vodní kapce. Sekundární duha navazuje na primární převráceným pořadím barev, tedy od červené až po fialovou.

Z pořízených fotografií je jasné patrné, že vnitřní část primární duhy je výrazně jasnější. To je způsobeno vodními kapkami, ve kterých se lámou sluneční paprsky. Většina paprsků vystupuje z kapky pod úhlem 42°, zbytek paprsků se láme pod úhlem, který je menší jak 42°, a posiluje světlo do středu půlkruhu. U sekundární duhy je tomu naopak, proto by vnější část sekundární duhy měla být světlejší, ale rozdíl je tak neznatelný, že pomalu zaniká. Díky rozptylu světla do vnitřní části primární duhy a vnější části sekundární duhy vniká mezi nimi tmavá oblast označovaná jako Alexandrův oblouk.

Primární a sekundární duha. Autor: Josef Jíra

Velikost duhového oblouku závisí na výšce Slunce nad obzorem. Čím nižší výška Slunce je, tím větší oblouk může vzniknout. Největší oblouk vznikne, když je Slunce nad obzorem. S přibývající výškou Slunce se oblouk zmenšuje a ve výšce 42° zaniká.

Atmosférické úkazy – oblaka

Struktura a tvar mraků fascinovaly člověka od nepaměti. Již v Mezopotámii zhruba před 3 000 př. n. l. existovaly první pokusy o sestavení atlasu oblaků, který rozlišoval mraky podle tvaru a barvy. Studium struktury oblaků lidem od nepaměti napomáhalo v předpovědi počasí. První pokusy o celosvětově uznávanou kategorizaci oblaků můžeme sledovat na začátku devatenáctého století, ale teprve v roce 1896 vyšlo první moderní dílo „Atlas věrných zobrazení tvarů oblaků“, na kterém se podílel Švéd Hugo Hildebrand Hildebrandsson a Angličan R. Abercromby.

Vznik oblaků, lidově řečeno mračen, souvisí s kondenzací páry nebo drobných krystalků ledu. Výška, v jaké se utvářejí oblaka, je různá a neustále se mění v závislosti na rosném bodu. Oblaka tvořená vodní kapkou s průměrnou velikostí 0,01 mm se nacházejí zpravidla v nižších výškách, zatímco oblaka složená z krystalků ledu se tvoří ve výškách větších. Oblaka se liší nejenom svým tvarem, ale i výškou a vlastnostmi. Základ dělení oblaků do deseti tříd vychází z klasifikace Luke Howarda, který jako první použil latinská slova pro charakteristický tvar oblaků např. nimbus (déšť), cirrus (řasa), cumulus (kupa).

V současném dělení oblaků se setkáme s 10 druhy, 14 tvary, 9 odrůdami a 9 zvláštnostmi. Samotné dělení je velmi složité a není předmětem této práce. Přesto zde uvádím poslední třídění oblaků podle jejich morfologie, kterou vydala Světová meteorologická organizace v roce 1987.

• Cirrus
• Cirrocumulus
• Cirrostratus
• Altocumulus
• Altostratus
• Stratocumulus
• Cumulus
• Stratus
• Nimbostratus
• Cumulonimbus

Kumulonimbus nad východním obzorem v Rokycanech. Snímek z roku 2011, složený ze dvou fotografií. Autor: Josef Jíra
Zdroj: http://www.astro.zcu.cz/cs/clanky/clanek/164/

Pro zachycení zvláštních typů oblaků na fotografii můžeme využít intervalové snímání. Tato technika je podobně náročná jako fotografování startrailů s tím rozdílem, že na výstupu není jeden snímek, ale videosekvence například ve změnách struktury oblačnosti. Základem je opět fotoaparát na stativu s možností intervalového snímání, tady s možností pořízení série snímků v pravidelném časovém intervalu. Pro zachycení rozpadu oblačnosti nám postačí fotoaparát, který bude mít možnost nastavení intervalu v rozmezí 3 až 15 sekund s širokoúhlým objektivem o ohniskové vzdálenosti 24–28 mm. Fotoaparát by měl umožňovat manuální nastavení délky expozice, ruční ostření, případně uzamčení ostření. Výsledkem této činnosti je velké množství fotografií pořízených z jednoho místa s jedním konkrétním záběrem. Za použití správného programu můžeme z jednotlivých snímků vytvořit videosekvenci, která zobrazí zrychlené procesy vývoje či rozpadu oblačnosti, polární záře včetně a východy a západy nebeských těles.

Pozor ale na množství pořízených snímků. Pro tento druh intervalového snímání se moc nehodí klasické digitální zrcadlovky. Uvědomme si, že pro zachycení hezkého videa musíme vyfotografovat velké množství snímků pohybující se ve stovkách fotografií na jednu videosekvenci. Digitální zrcadlovky mají poměrně složitou mechaniku, která vydrží pouze omezený počet cyklů. Proto je vhodnější využívat webových kamer nebo zařízení, které nemají mechanickou uzávěrku. Cena webových kamer je velmi nízká, což je velmi příjemné. Na druhou stranu trpí celou řadou nevýhod, jako je komplikace při cestování, spojené s nutností dostatečného zdroje energie a nutnosti spojení s počítačem. Pravděpodobně nejvhodnějším řešením pro intervalové snímání bude nákup digitálního fotoaparátu, který je zbavený složité mechaniky, který bude lehký, snadno přenosný a bude mít možnost nastavení intervalového snímání. Většina dostupných přístrojů umožňuje nastavení intervalu v minutě nebo třiceti sekundách, jen omezená část fotoaparátů umožňuje intervalové snímání například po pěti sekundách. Z odborných článků, zabývající se touto problematikou, nejlépe vyhovují fotoaparáty značky Ricoh.