Chapter 1 · Section 5Textbook pages 16–17

Atmospheric Refraction അന്തരീക്ഷത്തിലെ അപവർത്തനം

The air around the Earth is not one uniform medium – it is a stack of layers whose optical density keeps changing. Starlight and sunlight are refracted again and again on their way down to us. That is why stars twinkle, and why we can still see the Sun for a couple of minutes after it has really gone below the horizon.

📖 What you need (earlier pages of this guide)

1. Why do stars twinkle? – Fig 1.12

നക്ഷത്രങ്ങൾ മിന്നിത്തിളങ്ങാൻ കാരണം എന്തായിരിക്കും? – What could be the reason for the twinkling of stars നക്ഷത്രങ്ങളുടെ മിന്നിത്തിളക്കം? ചിത്രങ്ങൾ നിരീക്ഷിക്കൂ. – Observe the figures: (a) the path of starlight through the Earth's atmosphere; (b) the real position യഥാർഥ സ്ഥാനം and the apparent position കാണപ്പെടുന്ന സ്ഥാനം of a star.

🧪 Starlight lab – a restless atmosphere

Layers are drawn as bands; darker = optically denser. The refractive-index differences are hugely exaggerated so you can see the bending – real air has n ≈ 1.0003 and changes only in the 4th or 5th decimal place. The boundaries tilt and the densities change at random, as warm and cool pockets of air drift past.

Q1. നക്ഷത്രത്തിൽ നിന്നുള്ള പ്രകാശരശ്മി നേർരേഖയിൽ സഞ്ചരിച്ചാണോ നമ്മുടെ കണ്ണിൽ എത്തുന്നത്? – Does the ray of light from a star reach our eyes travelling in a straight line?

No. It travels straight through empty space, but inside the atmosphere it is refracted again and again, so its path is bent (a zig-zag curve).
Why: the atmosphere is a series of layers with different optical densities – every layer boundary is an interface, and the light enters it obliquely. Going down, the air gets denser, so on the whole the ray bends towards the normal.

Q2. വളരെ അകലെയുള്ള ഒരു നക്ഷത്രത്തിൽ നിന്ന് ഭൗമാന്തരീക്ഷത്തിലൂടെ എത്തുന്ന പ്രകാശരശ്മിയുടെ പാതയ്ക്ക് സമാനമായ ചിത്രീകരണമാണ് ചിത്രം 1.12 (a) യിൽ നൽകിയിരിക്കുന്നത്. ഇവിടെ പ്രകാശരശ്മിയുടെ പാതയ്ക്ക് ക്രമരഹിതമായ ദിശാമാറ്റം സംഭവിക്കുന്നില്ലേ? എന്തായിരിക്കും ഇതിന് കാരണം? – Fig 1.12 (a) shows a path like that of light reaching us from a very distant star through the Earth's atmosphere. Doesn't the path change direction irregularly here? What could be the reason?

Yes, the direction changes irregularly (at random). The reason: the physical conditions of the atmospheric layers – pressure, temperature and so on – keep changing all the time, so the optical density of the air the light passes through keeps changing. The light is therefore refracted irregularly.
Why: a change of optical density at an interface means a change of direction (refraction). If the density changes at random from moment to moment, the bending also changes at random – watch the path wobble in the lab when turbulence is on, and stay fixed when it is 0.
⭐ Twinkling of stars (textbook page 16)

നക്ഷത്രങ്ങൾ ഗ്രഹങ്ങളെ അപേക്ഷിച്ച് താരതമ്യേന വളരെ അകലെയായതിനാൽ അവ പ്രകാശിത ബിന്ദുക്കൾ പോലെ കാണപ്പെടുന്നു. … അന്തരീക്ഷപാളികളുടെ ഭൗതിക സാഹചര്യം (മർദം, താപനില തുടങ്ങിയവ) നിരന്തരം മാറിക്കൊണ്ടിരിക്കുന്നതിനാൽ പ്രകാശം കടന്നുവരുന്ന മാധ്യമത്തിന്റെ പ്രകാശിക സാന്ദ്രത മാറിക്കൊണ്ടിരിക്കും. ഇതു കാരണം പ്രകാശരശ്മിക്ക് ക്രമരഹിതമായ അപവർത്തനം സംഭവിക്കുന്നു. … നക്ഷത്രത്തെ ഒരേ സ്ഥാനത്ത് തുടർച്ചയായി കാണാൻ കഴിയുന്നില്ല. ഇതാണ് നക്ഷത്രത്തിന്റെ മിന്നിത്തിളക്കത്തിനു കാരണം.

Stars are so far away (much farther than the planets) that they look like points of light. Their light reaches us through the atmosphere, whose physical conditions (pressure, temperature, …) keep changing, so the optical density of the medium keeps changing and the light is refracted irregularly. After many irregular refractions, the light entering the eye does not let us see the star continuously at the same place – its apparent position and brightness keep changing. This is the twinkling of stars.

Stars twinkle, planets hardly do

A planet (Venus, Jupiter) is much nearer, so it looks like a tiny disc, not a point. Light from every point of the disc wobbles in its own random way; the wobbles cancel out on average, so the planet shines steadily. (Extra – not in the textbook, but a favourite exam “why”.)

🧪 Star (a point) vs planet (a small disc) – same restless air

Model: the planet disc is made of 25 points, each wobbling at random like the star. Its brightness and position are the average of all 25 – so the flicker shrinks to about one-fifth. The lab runs together with the turbulence slider above.

2. The Sun after sunset – Fig 1.13

Q3. സൂര്യൻ പടിഞ്ഞാറൻ ചക്രവാളം കടന്നു പോയതിനു ശേഷവും സൂര്യബിംബം അല്പ സമയം കൂടി കാണാൻ കഴിയും. അതുപോലെ തന്നെ രാവിലെ കിഴക്കൻ ചക്രവാളത്തിൽ എത്തുന്നതിന് അല്പം മുമ്പും സൂര്യനെ കാണാൻ കഴിയും. എന്തായിരിക്കും കാരണം? – We can still see the Sun's disc for a little while after it has gone below the western horizon ചക്രവാളം. In the same way, in the morning we can see the Sun a little before it reaches the eastern horizon. What could be the reason?

🌅 Sunset lab – move the real Sun below the horizon

Not to scale: the Earth is drawn tiny, the atmosphere thick, and its density change exaggerated, so the bending is about 7° here. The real bending at the horizon is about 0.5° – which happens to be the width of the Sun itself.

Because of atmospheric refraction അന്തരീക്ഷത്തിലെ അപവർത്തനം. When the Sun is just below the horizon, its light enters the atmosphere obliquely and passes from rarer upper layers into denser lower layers, bending towards the normal again and again. So the light curves down over the horizon and reaches our eyes. We trace this light back in a straight line, so we see the Sun at a higher, apparent position – above the horizon – although it is really below it. The same happens at sunrise in the east.
Why: the eye cannot know that the light bent on the way; it always assumes light came straight. Result: we get roughly 2 minutes of extra daylight at sunset and 2 minutes at sunrise (the real bending ≈ 0.5° and the Sun moves across the sky by about 0.25° per minute).

📒 Science diary – analyse Fig 1.13

ചിത്രം 1.13 വിശകലനം ചെയ്ത് വിശദീകരണം സയൻസ് ഡയറിയിൽ രേഖപ്പെടുത്തുക. – Analyse Fig 1.13 and write the explanation in your science diary. Step through the figure; then copy the summary in the last step.

🌴 Kerala connection

Watching the sunset at Kovalam, Varkala or Kanyakumari, the Sun's lower edge seems to touch the sea – but at that moment the Sun is really already a little below the horizon; you are looking at bent light. Notice also how the setting Sun looks slightly flattened: the lower edge is lifted more than the upper edge (light from it crosses more air). On a clear night over the backwaters, stars low on the horizon twinkle the most – their light crosses the most air – while Jupiter or Venus shine steadily.

മാധ്യമങ്ങളുടെ വിഭജന തലത്തിലേക്ക് പ്രകാശം ചരിഞ്ഞ് പതിക്കുന്ന എല്ലാ സന്ദർഭങ്ങളിലും പ്രകാശത്തിന് അപവർത്തനം സംഭവിക്കുമോ?The textbook asks (page 17): Does light get refracted in every case where it falls obliquely on an interface between media? – Not always! Find out on the next page: total internal reflection.
🌐 Explore online needs internet · opens in a new tab

3. Check yourself

🧭 Summary

Next: Total internal reflection and the critical angle ▶