Univerza v Ljubljani

Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo

Gradbeništvo – UNI

 

 

FATA MORGANA

SEMINAR pri predmetu FIZIKA II

 

 

 

Ljubljana, maj 1999 David Duh

GR – UNI

1998/99

UVOD: zakaj se zrcalijo oblaki nad vročo cesto?

Če je dan zelo vroč, se nam kdaj pa kdaj zazdi, da je na suhi cesti mlaka vode, nebo ali oblaki. Svetlobni snop, ki lije z neba, se v vročem zraku nad cesto "ukrivi", da je videti, kakor da bi se odbil od mlake na cesti. Vidimo pravzaprav sončno svetlobo, ki v oko ne prihaja od zgoraj, temveč s ceste.

Zaradi podobnega pojava puščavski popotniki včasih vidijo fata morgano. Na sliki 1 si lahko ogledate primer takšnega pojava. Vroč zrak tik nad zemljo svetlobo "ukrivi", zato so zelo oddaljeni predmeti včasih tudi videti bližje. Zdi se, kot da bi v ozadju videli jezero. Vse skupaj pa je le privid.

Slika 1: Primer fata morgane.

Fata morgana

V literaturi najdemo različne razlage samega izvora besede fata morgana. Nekateri pravijo, da ime izvira iz arabske besede fâmurgan (= vila, ki kaže svojo oblast z zrcaljenjem), drugi pa, da je ime keltskega izvora in označuje "gospo z morja". Po legendah je "gospa" z magično močjo prikazovanja živela na morju, nad katerim je bilo včasih moč videti kristalne gradove neverjetnih oblik.

Res, slike fata morgane so prave utvare, ki prav v ničemer ne spominjajo na predmet – izvor svojega nastanka. Npr. admiral Peary, znani raziskovalec Arktike, je bil prepričan, da je severozahodno od Grenlandije odkril novo ozemlje. V njegovem dnevniku lahko preberemo: "O tem ne more biti dvoma! Sveta nebesa, kakšen prizor! Hribi, doline, s snegom pokriti vrhovi na obzorju zavzemajo vsaj 120°." Po 50-kilometrskem pešačenju proti čudežni deželi se je vse skupaj razblinilo. Videli so le nenavadno preslikavo ledenih blokov!

Za pojav fata morgane morajo biti temperaturne razmere v ozračju takšne, da omogočajo preslikavo majhnih delov površja v zelo povečane in pokonci postavljene obrise, ki spominjajo na visoke stene, vrhove, stolpe, gradove... Na sliki 2 so prikazane poti žarkov pri tem pojavu.

Slika 2: Poti žarkov pri fata morgani.

 

 

Sedaj si podrobneje poglejmo, kakšne morajo biti te temperaturne razmere v ozračju, da pride do fata morgane. Fata morgana ali zračno zrcaljenje je optični pojav, ki nastane ob velikih razlikah temperature in s tem gostote posameznih zračnih plasti največkrat blizu tal. Na prehodu skozi meje takih plasti se žarki lomijo ali celo odbijajo in tako spremenijo smer, s tem pa tudi navidezno obliko in položaj teles v daljavi. Npr. močno ogreti zrak v plasti tik nad vročo cesto ima manjšo gostoto in s tem manjši lomni količnik kot plast nad njim. Zato lahko pride tudi do popolnega odboja in na cesti v daljavi vidimo sliko neba (kot na luži), cesta v daljavi se nam zdi mokra. Spremenljive gostote zraka v smeri proti žarku pa povzročajo migetanje.

Zračno zrcaljenje imenujemo preslikave, ki torej nastanejo zaradi širjenja svetlobe skozi plasti ozračja, katerih gostota (in s tem lomni količnik) je odvisna predvsem od temperature plasti. V resnici se žarki na poti med predmetom in očesom lomijo. Žarki ne pridejo v oko po ravni črti, temveč po različno ukrivljenih poteh (slika 3). Zato je slika premaknjena glede na pravo smer predmeta. Žarki se vedno krivijo tako, da je hladnejši (gostejši) zrak znotraj ukrivljene poti žarka. Slika predmeta je zato vedno premaknjena v smeri toplejšega (redkejšega) zraka. Značilnosti zrcaljenja so odvisne od tega, kako se temperatura zraka spreminja z višino. Še posebej pomembne so te spremembe nekaj metrov nad tlemi.


Slika 3: Ukrivljenost svetlobnih žarkov na različnih višinah v ozračju s temperaturno inverzijo (A). Potek žarkov, ki lahko tvorijo zgornje zrcaljenje v treh slikah (B). Skice resničnih opazovanj je narisal S. Vince leta 1797.

 

 

Poznamo dve obliki zračnega zrcaljenja: spodnje in zgornje zračno zrcaljenje.

Spodnje zračno zrcaljenje smo opisali že zgoraj na primeru luže na dolgi vroči ravni cesti. V tem primeru je topel zrak tik nad pregretimi tlemi (asfalt, pesek, tudi toplo morje ali jezero), više pa temperatura zraka pada. Žarki se lomijo tako, da sliko predmeta vidimo kot čez vznožje prezrcaljen predmet. Slika je torej obrnjena in pod predmetom – od tod ime spodnje zrcaljenje.

Slika 4: Žarki, ki tvorijo spodnje zrcaljenje (A). Če se opazovalka oddaljuje od palme, žarki s spodnjega dela debla več ne dosežejo njenega očesa in črta zrcaljenja se dviga proti krošnjam palme (B).

 

 

Običajno se žarki manj krivijo kot v gornjem primeru in ne tvorijo dveh slik predmeta, vseeno pa popačijo sliko realnega prostora: obzorje nam približajo, hribe pa znižajo.

Do zgornjega zračnega zrcaljenja pa pride, če se nad tlemi nabere znatno hladnejši zrak kot v višjih plasteh ali če se nad hladno morje zavleče toplejši zrak (katerega plast ob vodni površini se ohladi). Takrat se žarki krivijo proti Zemlji in sliko predmeta dvignejo nad njegovo pravo lego (slika 5). V takih razmerah so hribi onstran kotline dvignjeni, obzorje pa je dlje kot pri običajnih razmerah.

Slika 5: Nastanek slike pri zgornjem zračnem zrcaljenju (lom žarkov je spet zaradi nazornosti pretiran).

 

 

Tako so s Fererskih otokov (nad Škotsko) že opazili 385 kilometrov oddaljeno Islandijo, od tam pa še 300 kilometrov oddaljeno Grenlandijo. Videti je, da Vikingi niso pluli na slepo. Zanimiv je tudi pripetljaj pilota ameriške obalne straže, ki je pri rutinskem poletu 1000 metrov nad morjem skoraj "trčil" v dvignjeno sliko ladje.

Prav čudimo se lahko, koliko zanimivih pojavov lahko povzroči navidez nepomemben vpliv ozračja na širjenje svetlobe v njem. Jezera sredi puščave, gore, ki se nepričakovano pojavijo na odprtem morju, na krošnjo obrnjena drevesa in še druge oblike fata morgane so vse posledica loma (refrakcije) svetlobe v ozračju. Ogejmo si še nekaj konkretnih primerov:

1. Gore na odprtem morju

V mrzlih krajih, kot npr. na Arktiki, je mrzlejši zrak ob tleh in toplejši zrak višje (zgornje zračno zrcaljenje). Zato se žarki, ki gredo z morske gladine navzgor, v višjih zračnih plasteh lomijo v vodoravni smeri in nato navzdol. Tako vidijo mornarji sliko gore ali ladje, ki je še pod horizontom.

2. Dvignjeni in znižani vrhovi

Pri navidezno dvignjenih vrhovih gre za zgornje zračno zrcaljenje, pri navidezno znižanih vrhovih pa spodnje zračno zrcaljenje (slika 6).

Slika 6: Razmere v ozračju, ko vidimo vrhove dvignjene (levo) in znižane (desno).

3. Jezera sredi puščave

V puščavah, npr. v Sahari, je zrak najtoplejši tik nad vročim peskom in višje gori hladnejši. Zato je ob tleh tudi redkejši kakor višje nad njimi. Kot že vemo iz spodnjega zračnega zrcaljenja, nas ta razlika v gostoti lahko prevara. Tako v puščavi en ali dva kilometra daleč od nas pade svetloba z neba poševno na pesek; svetloba se odkloni navzgor, pride tako v naše oko ter vzbudi vtis, da se je odbila na vodni gladini. Torej vidimo jezero, kjer ga v resnici ni (slika 7).

Slika 7: Jezero sredi puščave.

 

 

 

4. Drevesa, ladje ali ljudje v zraku ali v dvojniku

Podobno kot v mrzlih krajih se zgodi tudi v puščavah in v Mesinski ožini. Ponoči je pri tleh ob močni inverziji zrak precej hladnejši. Tako lahko objekte, ki so pod obzorjem, vidimo nad njim in tudi povečane: drevesa, ladje ali ljudje so videti v zraku ali v dvojniku (slika 8).

Slika 8: Drevesa, ladje ali ljudje v zraku ali v dvojniku.