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Ausblick

Fata Morgana

Heiße Luft ist optisch dünner als kalte Luft

Joachim Herz Stiftung
Abb. 1 Drehschlange

Bei warmer Luft ist aber nicht nur die mechanische Dichte geringer als bei kalter Luft, sondern auch die optische Dichte. Daher wird Licht beim Übergang zwischen zwei unterschiedliche warmen Luftschichten gebrochen. Beim Übergang von kalter zu warmer Luft kann es unter Umständen sogar zur Totalreflexion kommen.Warme Luft ist spezifisch leichter als kalte. Warme Luft steigt daher in der Regel nach oben. Das kannst du in einem einfachen Versuch zeigen: Die warme Luft über einer Kerze steigt nach oben und treibt eine "Wärmeschlange" an. Auf diese Weise funktionieren auch sog. Weihnachtspyramiden.

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 folgenden Bild ist eine solche Situation fotografiert.

Abb. 2 Fata Morgana auf heißer Teerstraße

In Wirklichkeit stehen natürlich keine Pfützen auf der heißen Straße. Bei starker Sonneneinstrahlung und wenig Wind kann es sein, dass über dem Boden heiße Luftschichten entstehen. 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

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Abb. 3 Lichtwege bei einer unteren Fata Morgana mit verschiedenen Luftschichten

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

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. In der Wüste sieht die Spiegelung des Himmels dabei häufig wie ein See aus.

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Abb. 4 Lichtwege bei einer Fata Morgana bei kontinuierlichem Temperaturübergang

Obere Fata Morgana

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Abb. 5 Lichtwege bei einer oberen Fata Morgana am Meer

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 reflektier werden. Du kannst so, neben dem eigentlichen Schiff, auch ein auf dem Kopf stehendes Spiegelbild des Schiffes wahrnehmen. Dieses Spiegelbild schein weit über dem Meer bzw. dem Horizont zu schweben. Dieses Phänomen könnte auch Urspruch der Sage des "Fliegenden Holländers" sein.

Abb. 6 Obere Fata Morgana über dem Meer mit auf dem Kopf stehenden Schiffen