Wie entsteht eine Fata Morgana?
Eine Fata Morgana ist keine optische Täuschung, sondern eine Luftspiegelung, die durch Lichtbrechung entsteht. Temperaturschwankungen verursachen unterschiedliche Brechungsindizes, die Lichtstrahlen verbiegen und somit verzerren. Tauche ein in die faszinierende Welt dieses Naturphänomens! Neugierig geworden? Das und vieles mehr erwartet dich im folgenden Text.
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Grundlagen zum Thema Wie entsteht eine Fata Morgana?
Fata Morgana
Was ist eine Fata Morgana?
Bei einer Fata Morgana denkst du vielleicht an Abenteuerfilme, in denen eine Expedition durch die Wüste irrt. Am Horizont sieht sie flirrende Bilder, die gar nicht da sind. Aber man muss nicht in die Wüste reisen, um dieses Phänomen beobachten zu können. Warst du zum Beispiel schon einmal an einem sehr heißen Tag auf der Straße und hast gesehen, wie es über dem schwarzen Asphalt so merkwürdig schimmert, als wäre er nass? Dann hast du schon einmal eine Fata Morgana gesehen!
Eine Fata Morgana ist keine optische Täuschung, sondern eine Luftspiegelung. Die Objekte und Bilder, die man sieht, existieren also wirklich – sie werden nur verzerrt oder man sieht sie nicht dort, wo sie eigentlich sind.
Wie entsteht eine Fata Morgana?
Die Ursache für die Entstehung einer Fata Morgana ist die Lichtbrechung. Du kennst dieses Phänomen sicher schon, das an Grenzflächen zwischen verschiedenen Materialien auftritt, zum Beispiel zwischen Luft und Wasser. Diese Materialien haben unterschiedliche Brechungsindizes $n$. Wenn Licht auf diese Grenzfläche zwischen Luft und Wasser trifft, wird ein Teil des Lichts nach dem Reflexionsgesetz reflektiert. Ein Teil des Lichtstrahls überquert aber die Grenzfläche und ändert dabei seine Richtung. Dieses Phänomen nennt man Brechung.
Lichtbrechung findet aber nicht nur zwischen unterschiedlichen Materialien statt. Auch innerhalb eines Materials kann es zu Grenzflächen kommen, wenn sich der Brechungsindex ändert. Der hängt nämlich von mehreren Faktoren ab. Bei Luft unter anderem von der Temperatur: Je höher die Temperatur von Luft ist, desto kleiner ist ihr Brechungsindex. Man kann auch sagen, dass heiße Luft optisch dünner ist als kalte Luft. Wenn also Luftschichten unterschiedlicher Temperatur aneinanderliegen, bilden sie eine Grenzfläche.
In der Regel bildet aber Luft keine einzelne, scharfe Grenzfläche aus, weil sich die Luftschichten ja leicht miteinander mischen. Wenn wir also eine Luftschicht besonders stark aufheizen, wird sie einen Teil der Wärme an die angrenzenden Schichten abgeben. So entsteht ein kontinuierlicher Temperaturübergang von heiß zu kalt – und damit ändert sich auch der Brechungsindex kontinuierlich. Du kannst dir das so vorstellen, dass man den Verlauf der Brechungsindizes in viele unendlich kleine Grenzschichten unterteilen kann. So kann der Strahlverlauf durch Brechung und Reflexion am Ende wie eine Kurve aussehen:
Wir betrachten zwei Beispiele, um uns das Prinzip zu verdeutlichen.
Beispiel 1
Wir stellen uns die folgende Situation vor: Ein Auto steht im Sommer auf einer dunkel asphaltierten Straße. Weil der dunkle Asphalt nur sehr wenig Sonnenlicht reflektiert, heizt er sich besonders stark durch die Strahlung auf. Dabei gibt er einen Teil der Wärme an die Luftschichten ab, die direkt über dem Asphalt liegen. So entsteht ein System aus Luftschichten verschiedener Temperaturen, die, wie wir schon beschrieben haben, unterschiedliche Brechungsindizes haben. Wenn jetzt Lichtstrahlen, die vom Auto leicht nach unten gestreut werden, die wärmere Luft treffen, werden sie reflektiert und gebrochen, sodass sie auf einer gekrümmten Bahn laufen – wie oben beschrieben. Die reflektierten Lichtstrahlen treffen dann unsere Augen. Da unser Gehirn allerdings davon ausgeht, dass Lichtstrahlen zwischen unseren Augen und einem Objekt immer gerade verlaufen, sehen wir ein zweites Auto. Dieses Bild befindet sich unter dem eigentlichen Objekt und steht auf dem Kopf:
Beispiel 2
Wir wollen uns noch ein zweites Beispiel anschauen. Dieses mal befinden wir uns auf einem Schiff und blicken in Richtung des Horizonts. Außerdem stellen wir uns vor, dass eine sogenannte Inversionswetterlage herrscht. Das bedeutet, dass die Luftschichten in Bodennähe (oder direkt über dem Meeresspiegel) kälter sind, als die darüberliegenden Schichten. Wir betrachten also ein System, das genau umgekehrt ist zu unserem vorigen Beispiel. Wenn sich nun ein Schiff knapp hinter dem Horizont befindet, werden nach oben gestreute Strahlen von den warmen Luftschichten reflektiert und treffen unsere Augen. Unser Gehirn verlängert die Richtung, aus der die Strahlen kommen, in einer geraden Linie. So sehen wir ein über dem Horizont schwebendes Schiff, obwohl sich das Schiff in Wahrheit hinter dem Horizont befindet:
Die Fee Morgana
Hast du dich vielleicht gefragt, warum man statt Luftspiegelung „Fata Morgana“ sagt und welche Bedeutung dieser Name hat? Fata Morgana kommt aus dem Italienischen und bedeutet „Fee Morgana“. Die Fee Morgana ist eine Figur, die in der Artussage eine Rolle spielt. Sie soll auf einer mystischen, unerreichbaren Insel gewohnt haben. Im Mittelalter wurden Luftspiegelungen mit mystischen Welten und Zauberei in Verbindung gebracht und daher nach dieser Fee benannt.
Transkript Wie entsteht eine Fata Morgana?
Durstigen Reisenden in der Wüste ist eine Fata Morgana schon oft zum Verhängnis geworden. Was als rettende Oase am Horizont erschien, war dann doch nur ein Trugbild, eine Luftspiegelung. Nicht nur in der Wüste, auch bei uns gibt es sie, diese optischen Täuschungen - wenn auch nicht ganz so intensiv. Wenn an heißen Sommertagen die Straßen flirren, ist das im Grund nichts anderes als eine Fata Morgana. Von der Sonne aufgeheizt entsteht zum Beispiel auf Teerstraßen der Eindruck, die seien nass. Den Begriff „Fata Morgana“ verdanken wir den Italienern. Einer Sage nach gibt sich die gute Fee Morgana in eindrucksvollen Luftspiegelungen zu erkennen. Der Volksmund erzählt, sie habe in einem gläsernen Palast über den Meereswogen gewohnt. Den gibt es an manchen Tagen noch heute an der Straße von Messina nahe Sizilien zu sehen, wenn kalte und warme Luft aufeinander stoßen und Lichtstrahlen gebrochen werden. Naturwissenschaftlich untersucht wurden Luftspiegelungen erst im 18.Jahrhundert. Der französische Physiker Gaspard Monge fand heraus, dass eine Fata Morgana durch unterschiedlich warme Luftschichten verursacht wird. Das folgende Experiment zeigt: Um eine Luftspiegelung zu sehen, muss man nicht unbedingt in die Wüste gehen. Notwendig sind lediglich ein Blech, gefüllt mit Sand, und ein geeignetes Objekt wie dieses Spielzeugauto, das wir in geringem Abstand zum Blech aufgestellt haben. Wird das Blech erhitzt, so entsteht darüber eine heiße Luftschicht. Zusammen mit der höherliegenden kalten Luft ergibt sich ein optisches System. Heiße Luft ist jedoch leichter als kalte, sie steigt auf. Lichtstrahlen passieren aber kalte Luft einfacher, stoßen sie danach auf wärmere Luftschichten, so werden sie gebrochen, gekrümmt und schließlich reflektiert. Während bei uns die Spiegelbilder der Objekte meist auf dem Kopf stehen, ist das in der Wüste nicht immer der Fall. Denn in der Natur sind Mehrfachspiegelungen möglich, dadurch erscheinen gespiegelte Objekte wieder aufrecht. Solche Fata Morganen treten nicht nur auf dem Festland, sondern auch über dem Wasser auf. Seefahrer früherer Jahrhunderte nannten solche Erscheinungen dann auch „Fliegender Holländer“.
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Sehr gut erklärt. Ich liebe Physik einfach. Ist immer interessant.