Miraż

Zakrzywienie promienia w ośrodku o współczynniku załamania zmniejszającym się wraz ze zwiększaniem się wysokości. W ośrodku niejednorodnym światło rozchodzi się nieprostoliniowo. Jeśli wyobrazimy sobie ośrodek, w którym współczynnik załamania zmienia się w miarę zmiany wysokości i w wyobraźni dokonamy jego podziału na cienkie poziome warstwy, to rozpatrując warunki załamania światła przy przejściu z warstwy do warstwy, stwierdzimy, że w takim ośrodku promień światła powinien stopniowo zmieniać swój kierunek. Takiemu skrzywieniu promień świetlny ulega w atmosferze, w której z różnych przyczyn, głównie zaś z powodu jej nierównomiernego nagrzania, współczynnik załamania światła zmienia się w raz z wysokością. Powietrze nagrzewa się od powierzchni gleby, intensywnie pochłaniającej energię cieplną promieni słonecznych. I dlatego temperatura powietrza obniża się wraz z wysokością. Wiadomo również, że wraz z wysokością obniża się także gęstość powietrza. Ustalono, że w miarę wzrostu wysokości współczynnik załamania zmniejsza się, dlatego też promienie przechodzące przez atmosferę zakrzywiają się nachylając się ku Ziemi. Zjawisko to otrzymało nazwę normalnej refrakcji atmosferycznej. W wyniku refrakcji ciała niebieskie wydają się nieco "uniesione" nad horyzontem (znajdują się wyżej niż w rzeczywistości). 
Obliczono, że refrakcja atmosferyczna "unosi" przedmioty, znajdujące się na wysokości 30°- o 1'40" , na wysokości 15°- o 3'30" , na wysokości 5°- o 9'45" . Dla ciał znajdujących się na linii horyzontu wielkość ta dochodzi do 35' . Wartości te ulegają odchyleniom w jedną lub w drugą stronę w zależności od ciśnienia atmosferycznego i temperatury powietrza. Jednakże czasem, z tych czy innych przyczyn, w górnych warstwach atmosfery mogą pojawić się masy powietrza o temperaturze wyższej w porównaniu z warstwami niższymi. Mogą je przywiać wiatry z ciepłych krajów, na przykład z obszarów pustynnych. Jeśli w tym czasie w niższych warstwach znajduje się chłodne, gęste powietrze antycyklonu, to zjawisko refrakcji może wzmocnić się znacznie i promienie światła biegnące od przedmiotów znajdujących się na Ziemi w górę pod pewnym kątem do linii horyzontu mogą z powrotem powrócić na Ziemię. Miraże dalekiego zasięgu.

 Może się jednak i tak zdarzyć, że nad powierzchnią Ziemi w wyniku jej silnego nagrzewania, powietrze ogrzeje się do tego stopnia, że współczynnik załamania się światła w pobliżu powierzchni Ziemi stanie się mniejszy, niż na pewnej wysokości nad nią. Jeśli przy tym utrzymuje się bezwietrzna pogoda, to stan taki może trwać dość długo. Wtedy promienie padające od przedmiotów pod pewnym dosyć dużym kątem na powierzchnię Ziemi, mogą ulec zakrzywieniu na tyle, że opisawszy łuk tuż nad powierzchnią Ziemi pobiegną w górę. Opisane wyżej stany termiczne w atmosferze wyjaśniają powstawanie interesujących zjawisk - miraży atmosferycznych. Miraże można także obserwować w gorące dni wzdłuż ściany długiej na co najmniej 10 m, oświetlonej przez słońce.

Zjawiska te dzielimy zazwyczaj na trzy kategorie. Do pierwszej kategorii należą najbardziej rozpowszechnione i najprostsze, jeśli chodzi o ich pochodzenie, tak zwane miraże "jeziorne" (lub dolne), budzące tak wiele nadziei i przynoszące tyle rozczarowań wędrowcom na pustyniach.  Powstawanie miraży jeziornych.

Matematyk francuski Gaspard Monge, który brał udział w kampanii egipskiej Napoleona w 1798 roku, tak opisuje swoje wrażenia na temat miraży jeziornych. "Kiedy powierzchnia Ziemi silnie rozpalona Słońcem zaczyna dopiero stygnąć przed nastaniem zmierzchu znana nam okolica nie rozpościera się już do samego horyzontu jak za dnia, a zdaje się być pogrążona w wodzie, jakby ogarnięta powierzchnią. Wsie leżące dalej wydają się jak wyspy pośrodku rozległego jeziora. Pod każdą wsią widać jej odwrócone odbicie, z tym że nie jest ono ostre, drobne szczegóły są bowiem niewidoczne, jak przy odbiciu w wodzie kołysanej wiatrem. Jeśli zaczniemy zbliżać się do najbliższej wsi, która wydaje się ogarnięta powodzą, brzeg rzekomej wody będzie się ciągle oddalał, a pasmo wodne oddzielające nas od wsi stopniowo będzie się zwężać, aż zniknie zupełnie, a jezioro... zaczynać się będzie teraz za tą wsią, odbijając w sobie wsie położone dalej" .

Wyjaśnienie opisanego zjawiska jest proste. Dolne warstwy powietrza, rozgrzane od gleby, nie zdążyły się jeszcze unieść w górę, ich współczynnik załamania światła jest mniejszy niż warstw wyższych. Dlatego też promienie światła wychodzące od przedmiotów zakrzywiają się w powietrzu i trafiają do oka z dołu. Podobnie dzieje się z promieniami biegnącymi od innych punktów przedmiotu. W ten sposób obserwatorowi przedmiot wydaje się odwrócony. Skąd jednak bierze się woda? Woda - to odbicie nieboskłonu. Żeby zobaczyć miraż nie trzeba wcale jechać do Afryki. Można go zaobserwować również u nas w upalny, spokojny dzień lata nad rozpaloną powierzchnią szosy asfaltowej.  Powstawanie miraży górnych.

Miraże drugiej kategorii nazywamy mirażami górnymi lub mirażami dalekiego zasięgu. Na Lazurowym Wybrzeżu we Francji wczesnym, pogodnym rankiem z wód Morza Śródziemnego wznosi się na horyzoncie ciemny łańcuch gór, w których mieszkańcy Riwiery rozpoznają Korsykę. Odległość do Korsyki wynosi stąd ponad 200 kilometrów, także o bezpośredniej widoczności nie może być nawet mowy. Na wybrzeżu angielskim w pobliżu Hastings, można zobaczyć brzeg francuski. Jak informuje przyrodnik "w pobliżu Reggio w Kalabrii, naprzeciw brzegu Sycylii i miasta Messyny, czasami widać w powietrzu całe nieznane okolice z pasącymi się stadami, cyprysowymi gajami i zameczkami. Miraże te trwają jakiś czas w powietrzu a potem znikają". Miraże dalekiego zasięgu pojawiają się wówczas, gdy górne warstwy atmosfery okażą się z jakichś powodów, na przykład przy trafieniu tam nagrzanego powietrza, szczególnie rozrzedzone. Wtedy promienie wychodzące od przedmiotów znajdujących się na powierzchni Ziemi zakrzywiają się silnie i docierają do powierzchni Ziemi pod dużym kątem do horyzontu. Oko obserwatora rzutuje te promienie w tym kierunku, z którego wchodzą one do oka. Być może przyczyną dużej ilości miraży dalekiego zasięgu, zaobserwowanych na wybrzeżu Morza Śródziemnego jest bliskie sąsiedztwo Sahary... Masy gorącego powietrza unoszą się nad Saharą, a następnie przesuwają się na północ i tworzą sprzyjające warunki dla powstawania miraży. Miraże górne obserwuje się również w krajach północnych, gdy wieją ciepłe wiatry południowe. Górne warstwy atmosfery ulegają nagrzaniu, a niskie - ochładzają się z powodu topnienia dużych mas lodu i śniegu. Niekiedy jednocześnie obserwuje się i proste, i odwrócone obrazy przedmiotów. Takie właśnie zjawiska obserwowane na szerokościach arktycznych. Prawdopodobnie w tych rejonach nad Ziemią znajdują się na przemian gęstsze i rzadsze warstwy powietrza, zakrzywiające promienie światła.

Specjalnym rodzajem mirażu jest fatamorgana, po raz pierwszy zaobserwowana nad Cieśniną Mesyńską, pomiędzy Półwyspem Apenińskim a Sycylią. Fatamorgana powoduje powstanie pionowych ścian i budowli zakończonych iglicami. Po włosku fata oznacza wróżkę. Legendarna Morgana była przyrodnią siostrą króla Artura i mieszkała w kryształowym pałacu na dnie morza. Używając magicznej mocy, potrafiła wznosić zamki z cienkich warstw powietrza.

Miraże trzeciej kategorii - skrajnie dalekiego widzenia - wyjaśnić jest trudniej. Przytoczymy opisy niektórych z nich. "Opierając się na świadectwie kilku osób, zasługujących na zaufanie - pisze K. Flammarion w książce Atmosfera - mogę poinformować o mirażu, który widziano w mieście Verviers (Belgia) w czerwcu 1815 roku. Pewnego razu mieszkańcy miasta ujrzeli rankiem na niebie wojsko, tak wyraźnie, że można było rozróżnić mundury artylerzystów, działo, od którego odpadało właśnie złamane koło... Był to poranek bitwy pod Waterloo!" Odległość między Waterloo i Verviers wynosi w linii prostej 105 kilometrów. Znane są wypadki, kiedy miraże widoczne były z odległości 800, 1000 i więcej kilometrów. Przytoczmy jeszcze jeden zdumiewający wypadek. W nocy z 26 na 27 marca 1898 roku na Oceanie Spokojnym załoga statku "Matador" z Bremy została wystraszona następującym widzeniem. Około północy zauważyła w odległości około 2 mil ( 3, 2 kilometry) statek, który walczył z silnym sztormem. Było to tym dziwniejsze że w około panowała cisza morska. Statek przecinał kurs "Matadora" i był moment, gdy zdawało się, że zderzenie okrętów jest nieuniknione... Załoga "Matadora" widziała jak po silnym uderzeniu fali w nieznany statek w kajucie kapitańskiej zgasło światło, który było dotąd przez cały czas widoczne w dwóch iluminatorach. Po pewnym czasie statek zniknął, unosząc ze sobą wiatr i fale. Rzecz wyjaśniła się później. Okazało się mianowicie, że wszystko to działo się z innym statkiem, który w czasie "widzenia" znajdował się w odległości 1700 kilometrów od "Matadora". W jaki sposób światło przechodzące przez atmosferę przekazuje wyraźne obrazy przedmiotów na tak duże odległości? Dotąd brak dokładnej odpowiedzi na to pytanie. Wysuwano przypuszczenia o formowaniu się w atmosferze gigantycznych soczewek powietrznych, o tworzeniu się powtórnego mirażu, to znaczy mirażu mirażu. Możliwe, że odgrywa tu pewną rolę jonosfera odbijająca nie tylko fale radiowe ale i fale świetlne. Prawdopodobnie opisane zjawiska są tej samej natury, co inne obserwowane na morzach miraże, noszące nazwę latający holender lub fatamorgana, kiedy to marynarze widzą widmowy statek znikający po chwili i rzucający strach na zabobonnych ludzi.

W 1818 roku dwaj angielscy żeglarze, bracia James i John Rossowie, donieśli o zauważonym przez siebie nieznanym lądzie pokrytym górami, położonym w pobliżu Wyspy Baffina w północnej Kanadzie. W ćwierć wieku później ten sam ląd został dostrzeżony przez admirała Matthew C. Perry'ego, który nadal mu nazwę Ląd Crockera. W 1913 roku Amerykańskie Muzeum Historii Naturalnej zleciło Donaldowi B. MacMilanowi poprowadzenie ekspedycji, mającej na celu odnalezienie nieznanego lądu. Poszukiwania początkowo nie dawały żadnych rezultatów. Tam, gdzie rzekomo miał się znajdować tajemniczy ląd, byty tylko wody oceanu. MacMilan opłynął to miejsce i wreszcie, około 360 kilometrów na zachód, zobaczył ląd z wielkim łańcuchem gór. Wystał kilku ludzi w jego kierunku, ale w miarę jak zbliżali się oni do lądu, ów uciekał od nich. Im szybciej się poruszali, tym szybciej ląd się oddalał, a gdy zatrzymali się, on także przestał się poruszać. Pościg trwał cały dzień, a gdy słońce zaszło, łańcuch gór znikł razem z nim. Zdumieni ludzie popatrzyli na siebie i nagle zdali sobie sprawę, że natura po prostu sobie z nich zażartowała. Ląd Crockera był mirażem.