10.5-Atmospheric Refraction

10.5-Atmospheric Refraction Important Formulae

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Atmospheric refraction is a phenomenon that occurs when light passes through the Earth's atmosphere, which has varying densities due to temperature and pressure changes. This refraction causes the apparent position of objects, especially celestial bodies, to shift from their actual position.

Understanding Atmospheric Refraction

The atmosphere is composed of layers of air, each with different temperatures and densities. When light travels from one medium (such as space) into another (the Earth's atmosphere), it bends due to the change in density:

  • Denser Medium: Light travels slower in denser air compared to less dense air, resulting in refraction.
  • Variation in Density: The density of air changes with altitude and temperature, causing light rays to bend more at lower altitudes where the air is denser.
Effects of Atmospheric Refraction

Atmospheric refraction has several notable effects on the appearance of objects:

  • Apparent Position of Stars: Stars appear higher in the sky than they actually are due to refraction, especially when they are near the horizon.
  • Twinkling of Stars: The twinkling effect of stars is primarily due to the turbulence in the atmosphere, which causes the light to bend and vary in brightness.
  • Sunrise and Sunset: The Sun appears to rise earlier and set later than its actual position due to the bending of light rays as they pass through different layers of the atmosphere.
Understanding the Role of Temperature

The temperature of the air plays a significant role in atmospheric refraction:

  • Temperature Gradients: Warm air is less dense than cold air. When light passes from warm air to cold air, it bends downwards, and vice versa.
  • Inversion Layers: In some cases, a layer of warm air can trap cooler air below it, leading to significant refraction effects and optical phenomena such as superior mirages.
Examples of Atmospheric Refraction

Several optical phenomena arise from atmospheric refraction:

  • Mirages: These occur when layers of hot air near the ground refract light from the sky, making distant objects appear to be located on the ground, often resembling pools of water.
  • Superior and Inferior Mirages: Superior mirages occur when light rays bend downward over a cold surface, causing objects to appear elevated. Inferior mirages occur when light rays bend upward, often creating a distorted image of the horizon.
Practical Applications

Understanding atmospheric refraction is crucial in various fields:

  • Astronomy: Astronomers must account for atmospheric refraction when making observations of celestial bodies to ensure accuracy.
  • Navigation: Pilots and sailors consider atmospheric conditions and refraction when navigating, especially during sunrise and sunset.
  • Telecommunications: Refraction effects can impact radio and microwave transmissions, necessitating adjustments in signal propagation models.
Conclusion on Atmospheric Refraction

Atmospheric refraction significantly influences our perception of celestial objects and contributes to various optical phenomena in the natural world. Understanding this phenomenon is essential for accurate scientific observations and practical applications in everyday life.


Sunset and sunrise: Shift of the perceived form and position of the sun due to the atmospheric refraction.
Sciencia58, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

10.5 - Atmospheric Refraction

वायुमंडलीय अपवर्तन (Atmospheric Refraction) वह प्रक्रिया है, जिसमें पृथ्वी के वायुमंडल के विभिन्न परतों में प्रकाश की गति में परिवर्तन के कारण प्रकाश की किरणें मोड़ जाती हैं। यह घटना तब घटित होती है जब प्रकाश वायुमंडल की विभिन्न घनत्व वाली परतों से गुजरता है। वायुमंडलीय अपवर्तन का मुख्य कारण वायुमंडल की परतों में घनत्व का भिन्न होना है, जिससे प्रकाश की गति भी बदलती है।

जब प्रकाश किसी घने माध्यम से कम घने माध्यम में जाता है, तो वह मोड़ता है, और जब वह कम घने माध्यम से घने माध्यम में प्रवेश करता है, तो वह अपने रास्ते पर झुकता है। यह घटना केवल तब घटित होती है जब प्रकाश की किरण विभिन्न घनत्व वाली वायुमंडलीय परतों से गुजरती है।

वायुमंडलीय अपवर्तन का प्रभाव बहुत सारे प्राकृतिक घटनाओं में दिखाई देता है, जैसे सूर्योदय और सूर्यास्त के समय सूर्य का आकार और रंग में बदलाव।

वायुमंडलीय अपवर्तन का प्रभाव

वायुमंडलीय अपवर्तन के कारण सूर्य का दिखाई देना वास्तविक स्थिति से थोड़ा ऊँचा होता है, खासकर सूर्योदय और सूर्यास्त के समय। वास्तव में, सूर्य का वास्तविक स्थान आकाश में छिपा होता है, लेकिन हम इसे वायुमंडलीय अपवर्तन के कारण थोड़ा ऊपर देख पाते हैं। इस कारण से सूर्य थोड़ा देर से डूबता और जल्दी उगता हुआ प्रतीत होता है।

वायुमंडलीय अपवर्तन की स्थिति का वर्णन

प्रकाश की किरण जब विभिन्न घनत्वों से गुजरती है, तो यह निम्नलिखित तरह से मोड़ती है:

  • यदि प्रकाश की किरण कम घने माध्यम से अधिक घने माध्यम में जाती है, तो वह अपने रास्ते पर मोड़ जाती है।
  • यदि प्रकाश की किरण अधिक घने माध्यम से कम घने माध्यम में जाती है, तो वह अपना रास्ता छोड़ देती है।
वायुमंडलीय अपवर्तन का गणितीय विवरण

वायुमंडलीय अपवर्तन की व्याख्या स्नेल के नियम (Snell's Law) से की जाती है। स्नेल के नियम के अनुसार,

$$ n_1 \sin \theta_1 = n_2 \sin \theta_2 $$

यहां,

  • n1 और n2 दो माध्यमों का अपवर्तनांक (Refractive index) हैं।
  • $\theta_1$ और $\theta_2$ क्रमशः दो माध्यमों में प्रकाश की किरणों के कोण हैं।

वायुमंडलीय अपवर्तन के कारण, सूर्य का वास्तविक स्थान वायुमंडल की अपवर्तन के कारण ऊँचा दिखता है। यह प्रभाव केवल तब होता है जब सूर्य क्षितिज के पास होता है।

वायुमंडलीय अपवर्तन के उदाहरण
  • सूर्य का सुबह और शाम को थोड़ा ऊँचा दिखना।
  • प्रकाश के विभिन्न रंगों का एक साथ मिश्रित होना, जो प्रिज्म के माध्यम से अपवर्तित होता है।
  • समुद्र के पास दूर की वस्तुओं का आंशिक रूप से दिखाई देना, जो वास्तविक स्थान से थोड़ा ऊँचा होता है।