Mirajele Optice

Mirajele Optice

Refractia terestra

Mirajul este un fenomen optic produs prin refractia treptata a razelor de lumina in straturile de aer cu densitati diferite (de exemplu, in straturile de aer din vecinatatea solului, atunci cand temperatura acestuia este diferita de aceea a atmosferei). Datorita mirajului, obiectele departate, aflate in apropierea orizontului, apar insotite de imaginea lor rasturnata In general, apar doua tipuri de miraje. Cand straturile de aer inferioare sunt mai calde (de exemplu: la amiaza in desert;      de-a lungul unei sosele), imaginea rasturnata se afla sub obiect. Acesta este un miraj inferior.

Cand straturile de aer inferioare sunt mai reci (de exemplu: dimineata, in desert; pe marile de la latitudini mari), imaginea se vede deasupra obiectului. Acesta este mirajul superior. In acest caz, daca obiectul se afla sub linia orizontului, este posibil sa se vada numai imaginea lui.

Uneori, curbarea razelor in sus produce reflexii multiple pe straturi de aer atmosferic si se observa imagini ciudate, drepte si rasturnate, care variaza din clipa in clipa in functie de distanta observatorului fata de obiect si de distributia temperaturii in atmosfera. Acest miraj este bine cunoscutul fata morgana.

Aparitia mirajului se explica foarte usor: indata ce privirea este indreptata asupra unui punct de pe suprafata Pamantului dincolo de o anumita limita, raza vizuala patrunde in straturile incalzite ale aerului (in care indicele de refractie se micsoreaza) sub un unghi suficient de inclinat pentru a suferi intr-un punct o reflexie totala. Efectul este identic cu asezarea unei oglinzi in acest punct: obiectul pare ca se imparte in doua: o parte superioara si una inferioara, rasturnata si identica cu prima.

Curbura suprafetei Pamantului si curbarea obisnuita a razelor exercita o mare influenta asupra mirajelor indepartate. Din cauza curburii suprafetei Pamantului, baza obiectelor indepartate ramane invizibila mai jos de o anumita 'linie de disparitie'. Intre aceasta 'linie de disparitie' si linia 'limita' situata ceva mai sus, se afla acea parte a obiectului care se vede reflectata.

Mirajul inferior

Aerul rece este mai dens decat aerul cald, de aceea se produce refractie la trecerea din aerul cald in aerul rece. Imaginea arata o raza de lumina care vine dinspre cer spre pamantul cald. Daca aerul aflat deasupra pamantului este mai cald decat cel de mai sus, raza de lumina se curbeaza concav pe traiectorie. Odata ce raza intra in campul vizual al privitorului, ochiul o receptioneza ca fiind linia orizontului, care reprezinta tangenta curburii pe care o ia raza de lumina in momentul in care intalneste ochiul. Rezultatul este      un miraj inferior deoarece cerul de deasupra se observa pe pamant. Privitorul poate interpreta incorect aceasta viziune ca o apa in care se reflecta cerul.

In conditii normale, aerul din atmosfera se raceste cu un 1 grad Celsius la 100 de metri diferenta (pe masura ce urcam) Pentru ca mirajul sa se produca, gradientul temperaturii trebuie sa fie mult mai mare. Conform lui Minnaert, marimea gradientului trebuie sa fie de cel putin 2C/m, iar mirajul nu se va intensifica pana cand marimea nu atinge 4 sau 5C/m. Aceste conditii pot sa apara acolo unde are loc o incalzire puternica la nivelul pamantului, de exemplu cand soarele incalzeste nisipul sau asfaltul

     

Imaginile de mai sus reprezinta exemple de miraj inferior Obiectul real este cerul (albastru) sau orice alt obiect indepartat aflat in acea directie, insemnand ca noi vedem un petic luminos de culoarea cerului in care par sa se reflecte obiectele apropiate. Pentru calatorii obositi in desert, el apare ca apa dintr-o oaza. Pe drumurile asfaltate, fenomenul poate sa apara ca o apa sau chiar ulei pe portiuni disparate. Acesta este numit mirajul al desertului si, respectiv, mirajul pe autostrada. A se lua in considerare ca nisipul si asfaltul pot deveni foarte fierbinti cand sunt expuse la soare, atingandu-se cu usurinta o temperatura cu 10C mai mult decat      temperatura aerului, la un centimetru deasupra, destul pentru ca sa produca mirajul.

Razele de lumina care vin de la un obiect aflat la o anumita distanta trec toate      prin acelasi strat de aer si sunt inclinate toate sub acelasi unghi De aceea, razele care vin de deasupra obiectului vor ajunge mai jos decat cele de sub obiect. De obicei, imaginea este inversata, formand iluzia ca imaginea cerului vazut de la distanta este chiar un lac sau o baltoaca de ulei care se comporta ca o oglinda

Mirajele inferioare nu sunt stabile. Aerul cald se ridica, iar cel mai rece (fiind mai dens) coboara, astfel incat straturile se vor amesteca, creand turbulente. Imaginea va fi deformata. Poate sa vibreze, poate sa se extinda vertical (inalt) sau orizontal (aplecat). Daca sunt mai multe straturi de temperatura, cateva miraje se pot combina, putand cauza chiar imagine dubla In orice caz, mirajele nu se intind pe mai mult de o jumatate de grad inaltime (aceeasi marime aparenta a soarelui si a lunii) si de la o distanta de numai cativa kilometri de obiect.

Daca cineva vine spre oras in timpul verii, in zile caniculare, cand se gaseste la o distanta de circa 4 km si se afla la un nivel mai coborat decat nivelul ora-sului, atunci el vede orasul ca si cum ar fi inundat.

Mirajul lateral

Uneori, putem vedea o variatie a mirajului inferior, la o scara mai mica, pe o suprafata verticala In aceasta situatie, incalzirea puternica a unei suprafete verticale de catre soare sau o alta sursa interna poate produce o crestere puternica a temperaturii extinzand-o lateral in afara suprafetei. Aceasta conditie poate forma mirajul lateral.

Mirajul lateral va aparea ca o reflexie aparenta in preajma unei imagini si se va forma chiar langa perete ori pe suprafata unei pietre.

Miraj lateral "inferior" rezulta dintr-o crestere mare a temperaturii in apropierea peretelui similara cu conditia producerii mirajului inferior din desert. David K. Lynch si William Livingstone, in cartea lor numita "Lumina si culoarea in natura", sugereaza ca nu exista nici un motiv ca mirajul lateral "superior" sa nu se poata forma langa un perete cald inconjurat de aer mai rece insa ei n-ai vazut vreodata un astfel de fenomen.

Mirajul lateral poate aparea langa tarmurile inalte ale marilor si oceanelor, astfel incat o nava aflata in spatele unui promontoriu sa fie "vazuta" (ca in figura anterioara).

Mirajul superior

Mirajul superior poate fi observat sub mai multe forme obiectul poate fi vazut mai sus, cu susul in jos, mai inalt, mai aproape sau mai departe, depinzand de distanta dintre obiect si observator si de temperatura

Mirajul superior apare cand locul aerului rece se schimba cu locul aerului cald (respectiv aerul rece e sub aerul cald) conditie cunoscuta meteorologilor sub numele de inversiune de temperatura. Refractia are loc in jos pentru ca aerul mai aproape de pamant este mai rece si deci, mai dens decat aerul de mai sus.

Daca Pamantul ar fi fost o suprafata plata, mirajele superioare nu ar mai fi fost atat de interesante. Pentru ca Pamantul e sferic, razele luminoase se curbeaza aproximativ dupa forma Pamantului, ele putand traversa distante mari si dincolo de orizont. Imaginea obtinuta poate fi mult marimita, obiectul parand foarte apropiat.

Cea mai cunoscuta forma a mirajului superior este cea care se intrevede la orizont. Majoritatea mirajelor de acest fel au loc atunci cand temperatura unei cantitati mari de apa e mult mai rece decat temperatura aerului de deasupra ei sau au loc pe aerul de deasupra unei suprafete de zapada (gheata

Datorita curbarii razelor, obiectul se vede plutind pe cer, deasupra sau chiar atasat de obiectul initial. In cazului unui miraj intrevazut la orizont puternic, imaginea poate aparea foarte sus pe cer. Aceste miraje pot fi sursa multor legende despre fantome de nave zburatoare, vazute de marinari de-a lungul secolelor.

Daca variatia temperaturii atmosferei prin care trece lumina este direct proportionala cu inaltimea nu apare nicio deformare a obiectului. Cand variatia temperaturii nu e uniforma si temperatura creste mai rapid decat inaltimea, pe masura ce ne indepartam de suprafata, vor aparea deformari ale obiectului.

Cum mirajele superioare sunt produse de aerul rece care a luat locul aerului cald si invers, ele sunt des intalnite in regiunile polare ale Pamantului, unde suprafata e acoperita cu gheata sau zapada sau mari reci in majoritatea anului. Mirajul arctic este un termen care a fost aplicat mirajului particular superior la latitudinile polare nordice, cand conditiile de aparitie a pamantului la orizont ne permit vederea unor obiecte ce sunt de fapt localizate sub orizontul geometric.

In multe cazuri vedem o marire a varfului obiectului deasupra pozitiei sale. In astfel de cazuri imaginea se intinde sau se inalta mai mult decat ar fi de asteptat. Acest miraj se numeste miraj de tip turn si este o alta particularitate a mirajului superior.

Mirajul de tip turn este des intalnit in regiunile polare, dar si in timpul verii, langa mase mari de apa relativ reci in comparatie cu temperatura aerului. Astfel de situatii se intalnesc in NV      Pacificului in partea Americii de Nord, vara. Acest tip de miraj superior poate fi observat si pe coastele muntilor, pe care le vedem mai inalte si/sau mai inguste. Iluzia formata este a varfurilor conturate inalt si astfel muntii apar mai aproape decat sunt de fapt.

Opusul mirajului turn este mirajul in care imaginea apare mai mica si/sau mai departe decat este. Acest miraj apare cand lumina din jurul obiectului se curbeaza mai mult decat lumina din varful obiectului in calea lui spre ochi, prin acest proces "ridicandu-se" partea inferioara a imaginii mai sus, obiectul aparand presat. Partea inferioara a mirajului poate sa apara ca o zona cu ceata.

Iluzia de acest gen poate fi dezastruoasa pentru marinarii care navigheaza singuri deoarece sunt indusi in eroare: ei cred ca sunt mai departe cand, de fapt, sunt mult mai aproape de tarm

De obicei, mirajele superioare sunt mai vizibile ziua, dar conditiile ideale apar noaptea. Formarea inversiunii celor doua straturi diferite de aer (cald, respectiv rece) este mai frecventa in timpul noptii, mai ales in cele de lungi

Raspandirea surselor artificiale de lumina de-a lungul secolului XX (cum ar fi farurile masinilor si ale camioanelor) pot produce iluzii interesante. De exemplu, mirajul superior poate fi sursa multor (vedenii) iluzii ale UFO noaptea. Iata de ce lumina farurilor automobilelor care circula pe strada (autostrada) poate fi refractata in conditii inversiune de temperatura, astfel farurile sa para ca vin mai degraba din cer decat de pe soseaua pe care circula

Aceste imagini pot sa apara miscandu-se repede in vazduh sau pot sa dispara in functie de unghiul sau pozitia razei de lumina datorita schimbarilor in miscare ale masinii.

Fata Morgana

Fata Morgana este traducerea italiana a expresiei "Morgan le Fay" Cuvant cu cuvant, "fata Morgana" insemna Zana Morgana, o referire la legenda engleza a incantatoarei surori a regelui Arthur, Morgana care a trait intr-un castel sub apa

Prima mentiune a termenului "fata morgana" in limba engleza din 1818 s-a referit la mirajul observat in stramtoarea Messina, dintre Calabria si Sicilia. Dupa meteorologul William J. Humphreys, Morgana este de asemenea un cuvant de origine britanica desemnand sirenele care au legaturi indepartate cu mirajul. El scrie despre un miraj aparand ca un castel de cristal, ridicadu-se din valurile din stramtoarea Messina transformand falezele si casele de pe uscatul opus intr-un misterios castel cu turnuri indreptate spre cer. Nu este ciudat ca acest poetic nume sa devina nume generic pentru asa de multe miraje oriunde s-ar produce ele.

Este des intalnita si in vaile muntilor, in Valea San Louis din Colorado, unde efectul este exagerat datorita curburii fundului vaii anuland curbura Pamantului. Se poate vedea in marile arctice dimineata sau pe ghetarii Arcticii. Ca si mirajul arctic, Fata Morgana da exploratorilor impresia unor faleze inalte sau munti, dar in realitate sunt doar dealuri domoale si plaje.

Fata Morgana este un miraj complex prin care obiectele de la orizont, cum ar fi insule, faleze, vapoare sau iceberg-uri, apar transformate si alungite ca un castel din povesti.

In apele calme, suprafata netulburata dintre aerul cald peste aerul rece aproape de suprafata pamantului se poate comporta ca o lentila producand o imagine cu susul in jos care pare a pluti. Fata Morgana de obicei este vazuta dimineata, dupa noptile reci.

Alistair Frase, un expert in optica atmosferica de la Universitatea din Pannsylvania asociaza mirajul Fata Morgana cu o situatie in care temperatura creste incet si treptat cu inaltimea de la suprafata pana cand ajunge la un strat subtire de aer in care temperatura creste foarte repede. Acest strat este acoperit de un alt strat la care temperatura creste incet. Aceasta temperatura atmosferica va mari obiectele ale caror raze de lumina trec prin stratul din mijloc. Variatiile minore din spatiu pot proiecta o imagine complexa pana la observator.Variatiile in grad, grosime sau locatie a stratului pot cauza ca suprafetele relativ netede de pe apa sau zapada sa apara ca o linie neregulata de turnuri si coloane verticale.

Incheiere

Fenomenul de miraj a fost explicat de catre Monge, care a participat la campania lui Napoleon Bonaparte in Africa dand o teorie completa a fenomenului. In Egipt casele sunt construite pe mici ridicaturi de teren. Oamenii le vad inversate, ca si cum s-ar oglindi in apa unui lac. Apropriindu-se de case ei constata ca lacul se indeparteaza si apoi dispare. Explicatia mirajului a mai fost data, aproximativ in aceeasi epoca de catre Monge, iar independent de acesta, de catre Wollaston

Fenomenul de Fata Morgana fost descris pentru prima oara de catre Brydone in anul 1770 si tot el l-a explicat, aratand ca aerul incalzit si deplasat de catre vanturile de mare intensitate trece intr-o stare de acalmie, stare in care se produce si se observa fenomenul.