Heiße Luft ist optisch dünner als kalte Luft
Warme und kalte Luft unterscheiden sich nicht nur hinsichtlich ihrer mechanischen Dichte, sondern auch in ihrer optischen Dichte. Heiße Luft ist dabei optisch dünner als kalte Luft. Daher wird Licht beim Übergang zwischen zwei unterschiedlich warmen Luftschichten gebrochen. Unter Umständen kommt es sogar zur Totalreflexion. Die unterschiedlichen optischen Dichten und die damit verbundene Brechung bzw. Totalreflexion ist Ursache für das Auftreten einer sogenannten Fata Morgana.
Untere Fata Morgana
Vielleicht hast Du an einem heißen Tag schon einmal beobachtet, dass es so aussah, als würden in der Ferne auf einer Teerstraße Wasserpfützen stehen. Auf dem Bild in Abb. 1 ist eine solche Situation fotografiert.
In Wirklichkeit stehen natürlich keine Pfützen auf der heißen Straße. Bei starker Sonneneinstrahlung und wenig Wind kann es sein, dass dicht über dem Boden heiße Luftschichten entstehen. Weiter oben ist die Luft kühler. Du siehst dann hier den an der Grenzschicht von heißer und kälterer Luft gespiegelten Himmel. Fahren Autos über die Straße, so kannst du auch die Spiegelungen der Autos auf der Straße sehen.
Entstehung einer Fata Morgana
Joachim Herz Stiftung
Fällt, zum Beispiel von der Palme, Licht aus einer der höher liegenden, kälteren Luftschichten auf die Grenzfläche zu einer wärmeren und daher optisch dünneren Luftschicht, so wird das Licht vom Lot weggebrochen. Ist der Einfallswinkel groß genug, so wird der Lichtstrahl total reflektiert.
Nun fällt der Lichtstrahl aus einer wärmeren Luftschicht auf die Grenzfläche zu einer kälteren, optisch dichteren Luftschicht. Der Lichtstrahl wird zum Lot hin gebrochen. Das Licht nimmt so einen bogenförmigen Weg durch die unterschiedlich warmen Luftschichten. Dein Gehirn geht jedoch immer davon aus, dass sich Licht geradlinig ausbreitet. Du nimmst also unterhalb des realen Objektes eine Spiegelung von diesem war.
Da du natürlich auch die reale Palme siehst, muss es neben dem bogenförmigen Lichtweg, der für die Wahrnehmung der Spiegelung verantwortlich ist, auch einen direkten, geraden Lichtweg von der Palme zu dir geben. Dieser verläuft in einer Luftschicht und wird nicht gebrochen.
Kontinuierlicher Temperaturübergang
Joachim Herz Stiftung
In der Regel gibt es zwischen den verschieden warmen und dichten Luftschichten keine scharfen Übergänge. Die Übergänge sind fließend (kontinuierlich). Dabei wird der Lichtstrahl auch kontinuierlich gebrochen und der Lichtweg wird gekrümmt (vgl. Abb. 3).
In der Wüste sieht die Spiegelung des Himmels dabei häufig wie ein See aus.
Obere Fata Morgana
Joachim Herz Stiftung
Bei der oberen Fata Morgana sind die Luftverhältnisse genau umgekehrt. Über der Erdoberfläche befindet sich eine sehr kalte Luftschicht. Dies ist des Öfteren bei kalten Meeren der Fall. Weiter oben befinden sich wärmere Luftschichten.
Ein von einem Schiff ausgehender Lichtstrahl kann an der Grenze zur wärmeren Luftschicht total reflektiert werden. Du kannst so, neben dem eigentlichen Schiff, auch ein auf dem Kopf stehendes Spiegelbild des Schiffes wahrnehmen (vgl. Abb. 5). Dieses Spiegelbild schein weit über dem Meer bzw. dem Horizont zu schweben. Dieses Phänomen könnte auch Ursprung der Sage des "Fliegenden Holländers" sein.