Warto przeczytać

Chyba każdy słyszał o fatamorganie, lecz mało kto wie, jak ona powstaje. Zanim jednak przejdziemy do wyjaśnienia tego zjawiska, przypomnijmy sobie kilka podstawowych faktów:

1. Światło w ośrodkach o różnych współczynnikach załamania porusza się z różnymi szybkościami. Im większy współczynnik załamania, tym szybkość jest mniejsza.

2. Szybkość światła w powietrzu gorącym jest większa niż w powietrzu o niższej temperaturze, dlatego współczynnik załamania dla powietrza o temperaturze wyższej jest mniejszy.

3. Światło na granicy dwóch ośrodków o różnych współczynnikach załamania zmienia kierunek swego biegu (jest to zjawisko refrakcjirefrakcjarefrakcji, czyli załamania światła). Przechodząc z ośrodka, w którym porusza się wolniej, do ośrodka, w którym porusza się szybciej, odchyla się od normalnej (prostej prostopadłej do granicy ośrodków), zatem kąt załamania jest większy od kąta padania.

Wiedza ta wystarczy nam do zrozumienia tematu. Przyjrzyjmy się najpierw, jak wygląda droga promienia świetlnego przechodzącego przez ośrodki o różnych współczynnikach załamania. Spójrzmy na Rys. 1.: promień przechodząc z warstwy o współczynniku załamania $n_1$ do warstwy o współczynniku załamania $n_2$ odchyla się od normalnej do granicy ośrodków. Podobna sytuacja ma miejsce przy przechodzeniu przez kolejne granice. Bieg promienia na Rys. 1. to łamana. Jednak należy pamiętać, że temperatura zmienia się w sposób ciągły, więc gdyby takich warstw o znikomej grubości było bardzo dużo, to przejście promienia będzie coraz „gładsze”.

R1dI8upOlxO6K

Rys. 1. Na rysunku znajdują się cztery poziome linie rozdzielające cztery warstwy powietrza. Na górnej warstwie zapisano: chłodne powietrze, a na najniższej warstwie: gorące powietrze. Na każdej warstwie zapisano współczynniki załamania światła. Na najwyższej warstwie jest to litera małe n z indeksem dolnym jeden, na drugiej od góry warstwie litera małe n z indeksem dolnym dwa, na kolejnej warstwie litera małe n z indeksem dolnym trzy i na najniższej warstwie litera małe n z indeksem dolnym cztery. Pod rysunkiem zapisano nierówność: małe n z indeksem dolnym jeden jest większe od małe n z indeksem dolnym dwa jest większe od małe n z indeksem dolnym trzy jest większe od małe n z indeksem dolnym cztery. Narysowano promień padający na granicę pierwszej i drugiej warstwy. Promień skierowany jest stromo dół i w prawo. W punkcie, gdzie promień pada na granicę warstw, narysowano pionową linię przerywaną zwaną normalną. Promień załamany w drugiej warstwie odchyla się tak, że kąt między promieniem załamanym i normalną jest większy niż kąt między promieniem padającym i normalną. Podobnie jest na granicy warstwy drugiej i trzeciej oraz warstwy trzeciej i czwartej. Po trzech załamaniach na granicach warstw powietrza promień tworzy znacznie większy kąt z normalną niż promień padający na najwyższą warstwę i jego kierunek jest zbliżony do poziomu.

Bieg promienia świetlnego, przechodzącego w sposób płynny przez warstwy powietrza różniące się wspołczynnikami załamania, zakrzywia się, a mózg obserwatora interpretuje tę sytuację w taki sposób, że przedmiot wydaje się znajdować w zupełnie innym miejscu niż w rzeczywistości. Widać to na Rys. 2. Człowiek postrzega chmurę, tak jakby była w miejscu określonym linią ciągłą, a nie jak w rzeczywistości – tam, skąd wiedzie linia przerywana, styczna do ciągłej w miejscu obserwacji. Oczywiście, jeśli zamiast chmury będzie to niebieskie niebo, człowiek dostrzeże w tym miejscu niebieską plamę. Nieprzyzwyczajony do widzenia nieba na ziemi, będzie zgadywał, że to jakiś zbiornik wodny, na przykład kałuża. W ten sposób powstaje złudzenie optycznezłudzeniezłudzenie optyczne zwane mirażem dolnym.

RyfNnkBxLzQ2l

Rys. 2. Rysunek przedstawia schemat powstawania mirażu dolnego na pustyni. W dolnej części rysunku pokazano żółty pas opisany: jako gorący piasek pustyni. Powyżej zaznaczono szeroki żółto‑niebieski pas symbolizujący powietrze. Barwa powietrza zmienia się stopniowo od żółto‑niebieskiej na dole, gdzie zapisano: gorące powietrze do niebieskiej na górze, gdzie zapisano: zimne powietrze. Z lewej strony u góry narysowano chmurę. Z prawej umieszczono sylwetkę człowieka stojącego na pustyni i patrzącego w lewo. Przerywaną linią narysowano promień świetlny biegnący od chmury. Promień, który ma kształt łagodnego łuku, początkowo skierowany jest w dół i w prawo, a gdy dociera do oczu człowieka ma już kierunek poziomy. Narysowano linię poziomą, styczną do promienia w punkcie obserwacji, a na lewym końcu stycznej tuż nad piaskiem narysowano taką samą chmurkę opisaną obraz pozorny chmury.

Podobna sytuacja ma miejsce na Rys. 3., tylko obiekt będzie znajdował się wyżej niż w rzeczywistości. Mówimy wówczas o tzw. mirażu górnym.

Ra3sOQeTDMSh6

Rys. 3. Rysunek przedstawia schemat powstawania mirażu górnego. W dolnej części rysunku znajduje się ciemnoniebieski pas opisany jako zimny ocean. Powyżej pokazano szeroki jasnoniebieski pas symbolizujący powietrze. Barwa powietrza zmienia się stopniowo od jasnoniebieskiej na dole, gdzie zapisano: chłodniejsze powietrze do pastelowej kremowo‑niebieskiej na górze, gdzie powietrze opisano: jako gorące. Po lewej na powierzchni wody pokazano statek. Po prawej pokazano człowieka w łódce. Przerywaną liną narysowano promień świetlny biegnący od statku. Promień, który ma kształt łagodnego łuku, początkowo skierowany jest w górę i w prawo, a dalej wygina się w dół. Narysowano linię styczną do promienia w punkcie obserwacji o kierunku w lewo i lekko w górę. Na lewym końcu stycznej ponad powierzchnią wody narysowano taki sam statek opisany jako obraz pozorny statku.

Opisywane sytuacje nie są tylko fikcją literacką, ani odległymi zjawiskami spotykanymi wyłącznie na pustyni. Możemy je zobaczyć w gorące dni nad rozgrzanym asfaltem (Rys. 4.). Wytwarza się wówczas rozkład temperatury powietrza podobny, jak na Rys. 2. - przy jezdni znajduje się powietrze o najwyższej temperaturze. Maleje ona stopniowo wraz ze wzrostem wysokości. Zatem na dole współczynnik załamania jest mniejszy, zaś wyżej – większy.

RQXLqX1G76n8A

Rys. 4. Na zdjęciu pokazano asfaltową szosę z samochodem jadącym na wprost i zbliżającym się do nas. Wokół samochodu na szosie widoczna jest niebieska, błyszcząca warstwa, która wygląda jak rozlana na asfalcie woda. Odbijają się w niej elementy otoczenia, zieleń drzew, żółte znaki, a przede wszystkim błękit nieba.

Duże różnice temperatur występują nie tylko nad nagrzaną powierzchnią jezdni czy na pustyni. Można je zaobserwować także nad taflą zbiornika wodnego (Rys. 5.). W tym przypadku zimne powietrze znajduje się najniżej, zaś ciepłe unosi się ponad nim. Dzięki temu możemy zobaczyć przedmioty, którch normalnie byśmy nie widzieli ze względu na krzywiznę Ziemi. Jednak, by fatamorgana mogła zostać zaobserwowana, pogoda musi być bezwietrzna, by warstwy powietrza o różnych temperaturach nie mieszały się.

R1Igjhu6XZTN3

Rys. 5. Zdjęcie przedstawia morze. Wysoko nad powierzchnią wody na horyzoncie widoczne jest pasmo gór. Tuż nad powierzchnią wody widać rozmyty niewyraźny obraz dużego statku.

Najdalszą fatamorganę zaobserwowała załoga statku Matador w 1898 roku na Oceanie Spokojnym – zauważyła wówczas tonący statek, który w rzeczywistości znajdował się w odległości ponad 1700 km. Wcześniej, w 1815 roku w mieście Verviers (Belgia) zaobserwowano na niebie wyraźny obraz bitwy pod Waterloo rozgrywającej się w odległości 105 km od tego miejsca.

Dziś popularne fatamorgany stanowią atrakcje turystyczne. W słoneczne i upalne dni nad wodami Lazurowego Wybrzeża można obserwować górzysty miraż Korsyki (Rys. 6.), zaś w pobliżu miejscowości Hastings (południowo–wschodnia Anglia) – fatamorganę francuskiego wybrzeża.

R1VVqFJLHDzmv

Rys. 6. Ilustracja przedstawia mapę północnej części Morza Śródziemnego. Wybrzeże Francji opisano jako Lazurowe Wybrzeże. Na południowy wschód od Lazurowego Wybrzeża znajduje się wyspa Korsyka odległa od lądu o kilkaset kilometrów.