a) Svrchní a spodní zrcadlení

Tyto jevy jsou spíše známé pod arabským názvem fata morgána (arabsky víla "Morgana"), který však není striktním vědeckým názvem. V původním smyslu jde o staré lidové označení klamných obrazů v ovzduší pocházející z oblasti Messinské nížiny. Jsou to jevy vznikající zrcadlením na vrstvách atmosféry.

Foto. 1.5.3.4. Svrchní zrcadlení v polárních krajích.

Svrchní zrcadlení se vyskytuje v oblastech s mohutnými tepelnými inverzemi, např. v polárních oblastech (zde je spodní vrstva atmosféry silně ochlazena stykem s ledovým povrchem). Může k němu dojít i v oblasti suchých tropických pásů v kombinaci se spodním zrcdlením. Schématické znázornění svrchního zrcadlení vidíme na obr. 1.5.5. Světelný paprsek 1 vycházející z místa 1 postupuje atmosférou šikmo vzhůru. Následkem poklesu hustoty vzduchu, a tím i indexu lomu s výškou dochází k lomu od kolmice.

Pokud hustota klesá s výškou zvláště rychle, což je typické zejména pro vrstvy s teplotními inverzemi (vrstvy I a II na obr. 1.5.5), může úhel dopadu, tj. úhel sevřený paprskem a vertikálou, nabýt kritické hodnoty pro totální odraz. Takovou situaci máme znázorněnou v bodě C1. Paprsek se potom ohne zpět k zemskému povrchu a na svém dalším postupu prochází stále hustšími vrstvami vzduchu, lomí se tedy ke kolmici, až se v místě B dostává do oka pozorovatele. Z bodu B pak lze ve směru tečný k paprsku 1, která na obr. 1.5.5směřuje k bodu , spatřit převrácený obraz situace v místě A, jež se může nalézat za geometrickým obzorem (svrchní zrcadlení je v některých případech komplikovanějším úkazem tvořeným zrcadlově sdruženými převrácenými a nepřevrácenými obrazy daného objektu nalézajícího se někdy v dosahu přímé viditelnosti, jindy za obzorem). V případě, kdy v atmosféře existuje více vrstev s teplotní inverzí nad sebou, může dojít ke vzácnému úkazu, při němž lze pozorovat vícenásobné svrchní zrcadlení (dva nebo více obrazů vzdálených objektů nad sebou). Schematické znázornění opět vidíme na obr. 1.5.5, uvažujeme-li kromě paprsku 1 i zakreslený paprsek 2, který je totálně odrážen v bodě C2 na teplotní inverzi II místa A znázorněný jako A´´.

Vznik právě popsaného úkazu svrchního zrcadlení je typický pro geografické oblasti vyznačující se výskytem mohutných výškových inverzí teploty. Patří sem především polární oblasti a v některých případech oblasti suchých tropických pásů (pouští). Ve druhém z těchto případů však vlastní jev svrchního zrcadlení může být kombinován se spodním zrcadlením (viz dále) v silně přehřáté přízemní vrstvě vzduchu, což má za následek, že zdánlivý obraz vzdálených objektů vidíme nepřevrácený a těsně při obzoru. U nás je svrchní zrcadlení poměrně řídkým jevem a pokud se vyskytne, bývá to zpravidla v zimním období, neboť v chladné polovině roku jsou v našich oblastech podstatně příznivější podmínky pro vytváření mohutných teplotních inverzí než v létě.

Obr. 1.5.5 Svrchní zrcadlení. [1].Obr. 1.5.6 Spodní zrcadlení [1].

Doposud jsme se zabývali optickými úkazy působenými lomem světelných paprsků v případech, kdy hustota vzduchu s výškou klesá. Při velmi intenzivním ohřívání zemského povrchu slunečním zářením však někdy vzniká situace, za níž v přehřáté přízemní vrstvě vzduchu silné několik cm až několik m hustota vzduchu s výškou roste, neboť teplota klesá s vertikální souřadnicí rychleji než o 0,0342 K.m-1 (viz kapitola 1.5.1). V souvislosti s tím si na obr. 1.5.6 povšimněme světelného paprsku, který vychází z objektu A a postupuje přehřátou přízemní vrstvou s anomálním vertikálním růstem hustoty vzduchu do naznačeného oka pozorovatele P. V tomto případě se uvažovaný paprsek nejprve lomí od kolmice, jeho úhel dopadu roste, až v bodě O dosáhne kritické hodnoty potřebné pro totální odraz, paprsek se ohýbá směrem vzhůru a začne se lámat ke kolmici. Pozorovatel P pak ve směru tečny vedené z jeho oka k danému paprsku vidí zrcadlově převrácený obraz objektu A. Takto popsaný jev, tzv. spodní zrcadlení, je typickým úkazem zejména v horkých pouštích, ale vyskytuje se zcela běžně i u nás, a to především nad sluncem rozpálenými betonovými a asfaltovými plochami (viz foto. 2.1.2.1) nebo nad železničními kolejemi. V případě, že se pozorovatel na obr. 1.5.6 nalézá mezi objektem A a bodem totálního obrazu O, nepozoruje spodní zrcadlení, avšak objekt A se mu jeví nepřevrácený poněkud níže než se ve skutečnosti nalézá. Tímto způsobem vzniká tzv. snížení obzoru, viz. dále.

Foto. 1.5.3.5. Spodní zcadlení v polopoušti (antilopy).

Je nutné připomenout, že zrcadlení nevzniká tehdy, vane-li vítr, neboť v tomto případě dochází k promíchávání vrstev vzduchu, a vzduchové vrstvy při povrchu Země se stávají homogenní.

Zpracováno na základě literatury [1].


b) Zdánlivé zvednutí obzoru

Terestrickou refrakcí dochází k mírnému zvětšení zdánlivého obzoru.

Obr. 1.5.7 Ke zdánlivému zvednutí obzoru [4].

Přibližně kulový tvar Země omezuje teoretickou přímou viditelnost předmětů na zemském povrchu. Předpokládejme, že pozorovatel P se nachází v určité výšce h=|PM| nad zemským povrchem (obr. 1.5.7). Tečny PB a PB1 vedené z bodu P určují geodetický (někdy nazývaný též geometrický) obzor. Úhel a mezi matematickým obzorem a tečnou k zemskému povrchu se nazývá geodetická deprese obzoru. Kdyby neexistovala refrakce, pak by světelné paprsky byly přímkové a z bodu P by bylo vidět povrch omezený obloukem BB1. Ovšem v důsledku refrakce dopadají do oka pozorovatele světelné paprsky i ze vzdálenějších bodů, tj. krajní viditelná mez zemského povrchu se posunuje do bodů CC1. Obzor se jeví jako rozšířený a vyzdvižený vzhledem ke geodetickému (rozšířený obzor je vidět ve směru tečny k trajektorii paprsku PC, tedy ve směru tečny t). Pozorovaná geodetická deprese obzoru d je pak menší než skutečná geodetická deprese a. Z trojúhelníku PBS lze snadno stanovit vzorce pro geodetickou depresi obzoru a vzdálenost přímé viditelnosti Lo:

,

,

   (1.5.31)

Jestliže zanedbáme velmi malé hodnoty h2/rz2 a h/2rz, můžeme psát pro malé úhly a (atga)

, ,   (1.5.32)

V důsledku refrakce vzdálenost skutečně přímé viditelnosti L roste vzhledem k Lo asi o 6,5% [4].

Hodnota pozorované deprese obzoru d je závislá na změně hustoty vzduchu a změně indexu lomu s výškou, tj. na gradientu teploty přízemní vrstvy atmosféry.

Obecná rovnice dráhy paprsku PB může být v tom případě napsána v podobě

,

kde no resp. n jsou indexy lomu u zemského povrchu (v bodě B) a ve výšce h (v bodě P), ao=90o, a je roven úhlu dopadu v bodě P. Lze ukázat [29], že pozorovaná geodetická deprese obzoru je

,    (1.5.33)

kde je změna hodnoty indexu lomu mezi zemským povrchem a výškou h v závislosti na hustotě vzduchu r. Při malých teplotních gradientech a inverzích (hustota s výškou klesá) je r<a, tj. pozoruje se rozšíření a zdvižení obzoru. Při gradientech 3,4 oC na 100 m výšky (viz. kapitola 1.5.1), kdy se hustota vzduchu s výškou nemění, bude r=a, tj. pozorování obzoru je neovlivněno refrakcí. Je-li gradient větší než 3,4 oC na 100 m výšky, (tj. hustota vzduchu roste s výškou), je r>a , pozorovaný obzor je snížený a zúžený.

Terestrickou refrakcí (zvednutím nebo snížením obzoru) je vyvolán jev, který lze často v přírodě pozorovat, je to zdánlivé zvětšení resp. zmenšení vzdálenosti vzdálených předmětů ( hor, lesů apod. ).

Zpracováno na základě literatury [1] a [29].

 

c) Mihotání vzdálených zdrojů světla*

Velmi jednoduchým optickým úkazem je mihotání vzdálených zdrojů světla (hvězd, přibližně bodových umělých zdrojů apod.). Tento jev je způsobený prostorovými a časovými fluktuacemi indexu lomu, které vznikají následkem turbulentního promíchávání vzduchu (vzduch si můžeme myšlenkově rozdělit na objemové elementy o poněkud různé teplotě, a tím i odlišné hustotě).

Zpracováno na základě literatury [1].

Zpět