5. – 13. Schuljahr

Hans Joachim Schlichting

Fata Morgana real wie eine Luftspiegelung

„In der Hitze flimmerte die Luft über dem graublauen Asphalt, in genügend großer Entfernung wurde das Band zu einem Spiegel, die Materie verflüssigte sich zu einem See, in dem sich die Karosserien und Bäume spiegelten. Er schob dieses Feld, wo Urbild und Abbild auseinanderflossen, vor sich her, und ihm war, als sei die schimmernde Fläche mit der Mitte seines Körpers verbunden ([1], S. 78).
Mit diesen Worten beschreibt der Schriftsteller Nicolaus Bornholm ein Phänomen, das als Luftspiegelung oder vorwiegend in seiner komplexen Form auch als Fata Morgana bezeichnet wird. Weil die damit einhergehenden, oft merkwürdig erscheinenden Gestaltänderungen in früheren Zeiten nicht rational erklärt werden konnten, suchte man die Ursachen für dieses Phänomen im Bereich der Mythen und Sagen. Demnach wurde die namensgebende Fee Morgana, eine Halbschwester des sagenumwobenen Königs Artus, für die oft spukhaft auftretenden und wieder verschwindenden Erscheinungen verantwortlich gemacht.
Lichtbrechung in Luft
Physikalisch gesehen liegt dem Phänomen die Lichtbrechung zugrunde, die man beispielsweise vom scheinbar geknickten Strohhalm in einem Glas mit Wasser kennt. Während in einem solchen Fall eindeutige und leicht reproduzierbare Verhältnisse vorliegen, kommt durch die formlose Luft als brechendes Medium das Unförmige, Wandelbare und daher oft nicht sofort Durchschaubare ins Spiel. Am bekanntesten dürfte wohl die von Bornholm angesprochene Fata Morgana auf dem heißen Asphalt sein (s. Abb. 1 ).
Luft ist für sichtbares Licht weitgehend transparent. Erst dadurch, dass es vom Asphalt absorbiert und in thermische Energie umgewandelt wird, kommt es zunächst zu einer Aufheizung des Asphalts selbst und anschließend durch Wärmeleitung und Konvektion auch zu einer Temperatursteigerung der angrenzenden Luftschicht.
Mit steigender Temperatur nimmt die Dichte der Luft ab, und damit sinkt auch der Brechungsindex. Unmittelbar über der Straße ist der Brechungsindex am kleinsten und wächst mit zunehmender Höhe bis zum Wert der nicht aufgeheizten Luft.
Zur Vereinfachung kann man sich die Luft über dem Asphalt aus parallelen Schichten zusammengesetzt denken, an deren jeweiligen Grenzen das Licht gebrochen wird. Das vom Auto ausgehende, die heiße Luftschicht durchdringende Licht wird wegen des kleiner werdenden Brechungsindex an den Schichtgrenzen jeweils vom Einfallslot weg gebrochen und (gegebenenfalls) schließlich durch Totalreflexion nach oben hin abgelenkt.
Daraufhin durchläuft das Licht erneut die einzelnen Luftschichten, nunmehr mit zunehmendem Brechungsindex es wird also zum Einfallslot hin gebrochen , bis es schließlich im Auge des Betrachters landet (s. Abb. 2 , rot eingezeichneter Lichtweg). Da das Auge den Gegenstand in geradliniger rückwärtiger Verlängerung der Einfallsrichtung verortet, wird das Auto nicht nur direkt durch die normale Luftschicht wahrgenommen (s. Abb. 2, gelbe Linie) sondern auch so, als wäre es unterhalb der Straße (Abb. 2, gestrichelte Linie).
In der Realität ist der Lichtverlauf allerdings komplizierter als in der hier dargestellten idealisierten Schichtung. Das „gespiegelte Auto erscheint daher meist vielfältig verzerrt. Da außerdem Teile des blauen Himmels an der Luftschicht ins Auge reflektiert werden, hat man oft den Eindruck, dass das Auto trotz der großen Trockenheit durch eine Pfütze fährt.
„Obere und kombinierte Luftspiegelungen
Neben derartigen unteren Luftspiegelungen beobachtet man auch sog. „obere Luftspiegelungen, bei denen die Dichte der Luft von unten nach oben abnimmt. Dies ist beispielsweise bei einer Temperaturinversion der Fall, wenn eine warme Luftschicht über einer kalten Wasserschicht liegt (s. Abb. 3 ). Wenn der Temperaturgradient nicht sehr groß ist, muss es nicht einmal zu einer Spiegelung mit einer Spiegelverkehrung kommen, sondern lediglich zu einer Hebung (s. Abb. 4) . In vielen...

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