Fata morgana byla v minulosti postrachem cestovatelů. Zejména těch, kteří putovali přes poušť nebo se plavili po moři. Jak takové setkání s fatou morganou vlastně vypadalo? Cestovatelé prostě viděli v dálce oázy, pevniny či dokonce města. A ač zpočátku vypadaly seberealističtěji, vždy se nakonec jako mávnutím kouzelného proutku rozplynuly a zmizely v nenávratnu.
Co je ale příčinou tohoto optického klamu? Odpověď naleznete v následujícím fyzikálním pokusu.
Zcela zásadní a nepostradatelnou úlohu v něm sehraje běžné laserové ukazovátko. I když má většina standardních laserových ukazovátek malý výkon, nezapomeňte na to, že byste neměli připustit zásah oka laserovým svazkem. Dále si připravte větší sklenici, ideálně s rovnými stěnami a o objemu alespoň půl litru. Potřebovat budete také trychtýř, sklenici či odměrku (nejlépe se „zobáčkem“ pro snadnější nalévání) a obyčejnou kuchyňskou sůl.
Pohled na Slunce přes kapalinu Protože budeme zkoumat optické iluze a jevy, které probíhají v atmosféře, bude se hodit i kolečko o průměru několika centimetrů, které si vystřihnete z barevného papíru. Proč? Bude totiž představovat Slunce či Měsíc, tedy tělesa, jejichž světlo přes atmosféru prochází dnes a denně.
Do odměrky napusťte z vodovodu několik decilitrů teplé vody a rozpouštějte v ní kuchyňskou sůl tak dlouho, dokud se nepřestane rozpouštět. Vytvoříte tím tzv. nasycený roztok. Sklenici s rovnými stěnami naopak naplňte ze tří čtvrtin zcela čistou teplou vodou. Poté ponořte do sklenice s čistou vodou trychtýř.
Nejlépe takový, který dosáhne až na dno sklenice, popř. bude ústit jen několik centimetrů nad ním. Pak už postačí jediné, opatrně nalévejte nasycený roztok soli pomocí trychtýře do sklenice s čistou vodu tak, aby se obě dvě tekutiny co nejméně promíchaly.
Uvidíte, že se hustší solný roztok bude usazovat u dna sklenice. Slaného roztoku nalijte do sklenice tolik, aby zaplnil její zbývající prázdnou čtvrtinu. Potom trychtýř opatrně vytáhněte, aby se kapaliny příliš nepromíchaly, a můžete začít experimentovat!
Vezměte si vystřižené „sluníčko“ a pomalu je posouvejte po zadní straně sklenice shora dolů (budete se na něj tedy dívat přes kapalinu uvnitř). Zpočátku se nic zajímavého dít nebude, jakmile se ale začnete blížit do míst, kde je rozhranní pozvolna se mísících kapalin, začne se do té doby dokonale kruhový kotouček „Slunce“ výrazně deformovat. Chvíli se bude zplošťovat, pak zase naopak zužovat při spodním okraji apod. Jakmile však přejdete přes rozhranní kapalin, získá „Slunce“ opět svůj kruhový tvar.
Ve druhé části pokusu vyzkoušejte, jak se při průchodu skrz kapalinu (ve vodorovném směru shora dolů) chová laserový svazek. Protože voda laserový svazek příliš nerozptýlí, můžete pro lepší viditelnost připravit celou sestavu úplně znovu s tím rozdílem, že v obou kapalinách rozmícháte před jejich slitím pár kapek mléka. Roztok se tak mírně zakalí a laserový svazek poněkud zvýrazní. Při průchodu rozhranním mezi čistou a slanou vodou můžete opět spatřit zajímavý jev. Zatímco v čisté vodě bude laserový svazek vodorovný, v oblasti, kde se mísí slaná a čistá voda, dojde k jeho mírnému zakřivení směrem dolů.
Ohnuté paprsky A jak to všechno souvisí s fatou morganou? Jak u faty morgany, tak u slaného roztoku jde o tzv. refrakci, tedy o lom světelných paprsků na rozhraní dvou prostředí s různou hustotou a tím i různými optickými vlastnostmi. V případě faty morgany je to rozhranní teplejšího a chladnějšího vzduchu, v našem případě rozhranní čisté a slané vody.
Při klasickém lomu světla na ostře definovaném rozhranní mění paprsek skokově svůj směr, ale pouze jednou. V případě pozemské atmosféry i sklenice však nedochází k jedinému ostrému lomu, ale díky pozvolnému přechodu jednoho optického prostředí ve druhé se světelné paprsky lámou opakovaně. Vzniká tak dojem, že se světelný paprsek (či laserový svazek) zakřivuje.
A právě tak funguje i fata morgana. Paprsky, které se odrážejí od nějakého předmětu, například palmy v oáze, jsou v atmosféře Země „ohnuty“ směrem k pozorovateli, který se může nacházet desítky kilometrů daleko za horizontem. Díky refrakci se mu i přesto může poštěstit vzdálenou palmu zahlédnout, i když ji v přímém směru nevidí.
Atmosférická refrakce však deformuje vzhled i dalších objektů, například vycházejícího (zapadajícího) Slunce či Měsíce. Pokud je sledujeme nízko nad obzorem, pak se na tyto objekty díváme přes spodní a tím pádem i hustší vrstvy pozemské atmosféry, u kterých se atmosférická refrakce projeví poněkud více.
Občas se tak obraz Slunce či Měsíce velmi zajímavě zdeformuje. Nejčastěji tam, kde jsou víceméně vodorovné vrstvy vzduchu o různé teplotě, tedy například nad povrchem pouště či mořskou hladinou. A vše pak vypadá podobně jako ve sklenici se slaným roztokem.
***
Optický přelud v obýváku
Fata morgana: Skutečnou palmu pozorovatel za horizontem nevidí, díky atmosférické refrakci však i přesto dopadnou paprsky, jejichž dráha je vyznačena bílou trajektorií, do jeho oka
Spatřit fata morganu je možné i v pohodlí vlastního bytu. Stačí, když budete postupovat podle návodu k pokusu, který vám objasní princip tohoto optického klamu.
Fotografie vycházejícího Měsíce velice hezky demonstruje vliv zemské atmosféry na světelné paprsky, které k nám od Měsíce přicházejí - v důsledku atmosférické refrakce se obraz Měsíce deformuje
Pomůcky a chemikálie: větší sklenice s rovnými stěnami sklenička trychtýř lžička nůžky barevný papír kuchyňská sůl laserové ukazovátko
V teplé vodě rozpusťte tolik kuhyňské soli, aby vznikl nasycený roztok
Z barevného papíru vystřihněte kolečko o průměru několika centimetrů
Do sklenice s rovnými stěnami napusťte čistou teplou vodu a trychtýřem na dno opatrně nalijte roztok soli
Po zadní stěně sklenice posunujte vystřižené „sluníčko“ a sledujte, jak se bude jeho obraz měnit
Pokud laserový svazek prochází přes víceméně stejnorodé optické prostředí, jeho dráha se nemění
Při průchodu přes rozhraní mezi čistou vodou a roztokem soli dochází k mírnému zakřivení laserového svazku směrem dolů
Srovnání laserového svazku procházejícího přes čistou vodu (nahoře) a rozhranní čisté vody a roztoku soli (dole)
O autorovi| JAN PÍŠALA, Autor je chemik a pracuje ve Hvězdárně a planetáriu Mikuláše Koperníka v Brně
