Jakie fale elektromagnetyczne przenikają przez chmury?

Pytanie

Pyta Zuzanna

Jakie fale elektromagnetyczne przenikają przez chmury?

Odpowiedź

Odpowiada Prof. Szymon Malinowski

Kropelki wody czy kryształki lodu z których składają się chmury (tzw. cząstki chmurowe, nie mylić z cząsteczkami – molekułami H2O) mają własności dielektryczne: pod wpływem pola elektrycznego ulegają polaryzacji, tak więc oddziałują ze składową elektryczną fali elektromagnetycznej. Każda cząstka rozprasza padającą na nią falę, a własności rozpraszania zależą od stosunku rozmiaru cząstki dla długości fali. Cząstki o rozmiarach znacznie mniejszych od długości fali rozpraszają w miarę równomiernie we wszystkich kierunkach, ale bardzo słabo jeśli są bardzo małe w stosunku do długości fali (rozpraszanie Rayleigha). Cząstki o rozmiarach zbliżonych (lub kilkukrotnie większych) do długości fali rozpraszają we wszystkie strony w bardzo skomplikowany sposób z przewagą rozpraszania do przodu – w kierunku zbliżonym do kierunku propagacji fali (dla kropelek jest to tzw. rozpraszanie Mie), a cząstki znacznie większe od długości fali zachowują się zgodnie z prawami optyki geometrycznej, załamują i odbijają zależnie od kąta fali padania na odpowiednie powierzchnie cząstek. Tak więc sposób w jaki fala elektromagnetyczna przenika chmurę zależy od jej długości i rozmiarów cząstek chmurowych, a także od liczby cząstek – im ich więcej, tym efekt oddziaływania fali z nimi silniejszy.

W praktyce cząstki wody, z których składa się chmura, możemy podzielić na dwie grupy – kropelki chmurowe i małe kryształki o rozmiarach 5-50 μm, i cząstki opadowe – większe, o rozmiarach rzędu milimetra a nawet (duże kryształki śniegu) centymetra. Tych pierwszych jest dużo (20-1000 w cm3), tych drugich może nie być albo jest mało (kilkaset lub kilka w m3). Promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie zbliżonym do widzialnego (długości fali ~0.5 μm) jest silnie rozpraszane (rozpraszanie Mie) przez małe krople chmurowe, stąd chmury oświetlone przez Słońce są białe. Gdy chmury są cienkie i charakteryzują się niewielką koncentracją kropelek, przechodzi przez nie większa część światła – promieniowania w zakresie widzialnym. Dostatecznie grube chmury mogą być widziane jako ciemnoszare lub prawie czarne, gdyż światło słoneczne przechodzące przez nie uległo rozproszeniu na boki i wstecz.

Inaczej wygląda sprawa dla fal o długościach milimetrów i centymetrów. Dla takich fal chmury, o ile nie zawierają cząstek opadowych, są niemal przeźroczyste, a cząstki opadowe są centrami rozpraszania. To pozwala na budowanie radarów meteorologicznych, które wysyłają fale o długościach zbliżonych do centymetrów, rejestrując odbicie ich wstecz, co pozwala na stwierdzenie gdzie powstały cząstki opadowe i czy jest ich dużo. Fale elektromagnetyczne o jeszcze większych długościach, rzędu dziesiątek metrów i więcej, przenikają przez chmury z bardzo małymi stratami.

Tyle w krótkiej z natury rzeczy i niepełnej odpowiedzi na to pytanie.