Luchtspiegelingen boven warme oppervlakken; Zenit juni 1979

C. Floor, Zenit, juni 1979; laatst gewijzigd: 30 januari 2011.

Wanneer boven vlakke terreinen de temperatuur hoger is dan die van de lucht op ooghoogte, kunnen vaak luchtspiegelingen worden waargenomen. Nu eens zien we ver verwijderde gebouwen, bomen, schepen, bergen etc. boven de kim zweven (fig. 3), dan weer lijkt het dat wegen of zandstranden in de verte onder water staan (fig. 1). Veel mensen denken bij luchtspiegelingen aan de woestijn; daar is het verschijnsel vaak duidelijk waarneembaar. De zon warmt de uitgestrekte zandvlakten gemakkelijk op; bovendien is het water, waarvan de luchtspiegeling het bestaan suggereert (zie fig. 2), in die streken meestal zeer welkom. Maar ook in ons land wordt aan de voorwaarden voor een luchtspiegeling dikwijls voldaan. Luchtspiegelingen kan men vaak zien boven asfalt- en betonwegen, boven spoorbanen, boven de warme oppervlakken van Noordzee, Waddenzee, IJsselmeer of Friese meren, boven stranden en zandplaten, boven de korenvelden van de IJsselmeerpolders, boven uitgestrekte weiden en boven rechte zeeweringen met basaltblokken of asfalt.


Luchtspiegeling boven Laan van Weltevreden te De Bilt; de weg lijkt in de verte met plassen water bedekt. Van de auto linksachter zien we een groot deel gespiegeld. Van het dak zien we echter alleen een direkt beeld; het ligt boven de grenslijn. Het punt waar de banden de weg raken is niet zichbaar; het ligt onder de verdwijnlijn. De fietser met aanhangwagen bevindt zich dichterbij; een gespiegeld beeld wordt alleen nog gevormd van het onderste gedeelte van de wielen. De grenslijn ligt op die kleinere afstand dus lager (f = 2000 mm). (foto: Kees Floor).	Luchtspiegeling boven de Hoeverweg, Egmond aan den Hoef.	Luchtspiegeling boven de Leuvenlaan, Utrecht.
	Figuur 1: Luchtspiegelingen boven verkeerswegen.

Luchtspiegelingen boven warme oppervlakken kunnen we het best waarnemen met een verrekijker. We beschrijven ze met behulp van een verdwijnlijn (v) en een grenslijn (g). In fig. 2, 3 en 4 lopen deze lijnen horizontaal op de naast de fig. aangegeven hoogte. De verdwijnlijn is de grens tussen het direkte beeld dat we van een voorwerp waarnemen en het gespiegelde beeld dat er meteen onder aan vast zit. Uitstulpingen naar boven van het direkte beeld van een voorwerp komen overeen met uitstulpingen naar beneden van het gespiegelde beeld onder de verdwijnlijn (zie fig. 3).
Het gedeelte van het voorwerp dat zich onder de verdwijnlijn bevind,t kunnen we niet waarnemen (bijvoorbeeld het punt waar de banden van de auto de weg raken in fig. 1). Dikwijls is niet alles wat van het voorwerp boven de verdwijnlijn uitsteekt gespiegeld te zien. De grenslijn verbindt dan de punten waarvan het spiegelbeeld nog net zichtbaar is. Van punten boven de grenslijn zien we alleen een direkt beeld. Het dak van de linker auto in fig. 1 bijvoorbeeld, bevindt zich geheel boven de grenslijn. Het gedeelte van de hemel (fig. 2,3 en 4) of de achtergrond (fig. I) dat zich tussen de verdwijnlijn en de grenslijn bevindt, is eveneens gespiegeld zichtbaar onder de verdwijnlijn.

Omdat we niet gewend zijn de lucht ook onder de horizon te zien vatten we dat op, vooral boven zand of asfalt, als weerspiegeling van de lucht in een wateroppervlak. Als de objekten die we gespiegeld waarnemen zich op grote afstand bevinden en bovendien de grenslijn zich op enige afstand boven de objekten of de meest markante onderdelen bevindt, zien we deze zweven boven de kim (vergelijk hiervoor fig. 3 en fig. 4).

Meteorologische omstandigheden
Voorwaarde voor het ontstaan van de luchtspiegelingen is de aanwezigheid van een relatief warm oppervlak waarboven zich heldere lucht bevindt. De zonnestraling zorgt bij zonnig weer voor de noodzakelijke opwarming van het landoppervlak waarboven de luchtspiegelingen zichtbaar zijn. Boven water ontstaat een temperatuurverschil tussen het wateroppervlak en de lucht erboven bij aanvoer van koude droge lucht na een voorafgaande warmere periode. De lucht mag niet te vochtig zijn, omdat anders nevel gevormd wordt. Hierdoor neemt het zicht sterk af en kunnen verre voorwerpen (en hun spiegelbeelden) niet meer worden waargenomen. De temperatuur van de lucht wordt vooral in het alleronderste laagje door het warme oppervlak beïnvloed; op ooghoogte is er meestal weinig meer van te merken. Niet alleen de temperatuur, maar ok het temperatuurverval is gewoonlijk het grootst nabij het aardoppervlak; beide nemen ze af met toenemende hoogte. Fig. 5a geeft zo'n temperatuurprofiel. Bij een dergelijke opbouw van de onderste laag treden gemakkelijk wervels op die de beeldkwaliteit sterk kunnen verminderen. Een aantal foto's illustreert dat duidelijk.

Gang van de lichtstralen
Om de gang van de lichtstralen te kunnen vinden moeten we gegevens hebben over de brekingsindex van de lucht op verschillende hoogten. Deze hangt af van de dichtheid van de lucht en van de hoeveelheid waterdamp die de lucht bevat. De invloed van de waterdamp is echter zo gering dat we deze mogen verwaarlozen. De dichtheid hangt af van de temperatuur en de luchtdruk. In de onderste meters van de atmosfeer, waarin de bij de vorming van luchtspiegelingen betrokken lichtstralen zich voortplanten, zijn de luchtdrukverschillen zo klein dat we ook de invloed van de luchtdruk mogen verwaarlozen. Alleen de temperatuur van de lucht bepaalt daardoorde dichtheid en dus ook de brekingsindex. Bij hoge temperaturen is de brekingsindex kleiner dan bij lage. Vlak boven een warm aardoppervlak is de bre- kingsindex kleiner dan op ooghoogte; de vorm van het profiel komt overeen met de vorm van het temperatuurprofiel (zie fig. 5a). Lichtstralen volgen in zo'n geval ge- kromde banen.
In fig. 5b is aangegeven langs welke weg het licht dat het oog van een waarnemer in W bereikt, zich heeft voorgeplant. In de figuur kunnen we drie gebieden aangeven. Gebied II (grijs) onderscheidt zich van beide andere gebieden doordat lichtstralen die naar W gaan elkaar daar snijden.
Voor lichtstralen afkomstig van een voorwerp uit dat gebied (bijvoorbeeld B) zijn er twee mogelijkheden om het oog van de waarnemer te bereiken (nl. volgens licht- straal 3 en lichtstraal 6). W ziet dus twee beelden van B in verschillende richtingen. Het bovenste beeld staat rechtop, omdat lichtstraal 3 min of meer rechtlijnig van B naar W loopt. Het onderste beeld is omgekeerd, omdat dat lichtstraal 6 als het ware weerspiegeld wordt tegen de warme luchtlaag nabij het aardoppervlak. B vormt voor W dus een onderdeel van een luchtspiegeling en ligt daarbij tussen de grenslijn en de verdwijnlijn. Lichtstralen afkomstig van een voorwerp uit gebied I (bijvoorbeeld A) kunnen zich maar op één manier voortplanten naar het oog van de waarnemer (namelijk volgens lichtstraal 1). W ziet van A alleen een direkt beeld; A ligt boven de grenslijn. Er zijn geen lichtstralen uit gebied III (bijvoorbeeld uit C) die W kunnen bereiken. W kan C dus niet zien; C ligt onder de verdwijnlijn. Voor punten in het grijze gebied vlak boven de verdwijnlijn gaat het bovenstaande niet helemaal op; daar kunnen meerdere gespiegelde beelden ontstaan. Deze zijn vervormd en vertikaal uitgerekt (zie bijvoorbeeld het beeld van de koplampen van de trein op de figuur hieronder).

Factoren van invloed op de luchtspiegeling
In fig.6 zien we de drie gebieden uit fig. 5b nogmaals aangegeven. Tussen gebied I en II loopt de grenslijn. Een punt op deze lijn ziet W op de grenslijn van een luchtspiegeling. De ve:rdwijnlijn vormt de grens tussen gebied IIen III; W ziet een punt op deze lijn op de verdwijnlijn van een luchtspiegeling. De figuur is op te vatten als een vertikale doorsnede door de onderste laag van de atmosfeer, waarin het grijze gebied de plaats aangeeft van objekten ( of gedeelten daarvan) die we gespiegeld zien. Een waarnemer.moet zich minstens op afstand a van objekt bevinden om dat gespiegeld te kunnen zien (bij gegeven waarnemingshoogte en gegeven temperatuurprofiel). Hoe groter de afstand tussen waarnemer en object, des te hoger ligt de verdwijnlijn. Bij toenemende afstand komt tevens de grenslijn hoger te liggen (zie ook fig. I). We zullen een objekt daardoor eerder geheel vrij van 'ondergrond' zien zweven, zoals in figuur 3.
In figuur 6 bevond W zich boven de warme laag, waarin de lichtstralen gekromd zijn.We kunnen een dergelijk diagram maken voor een lager gelegen waarnemingspunt W'; hlet geeft ons informatie over wat we zien als we ons bukken. Figuur 7 is zo'n diagram op dezelfde schaal als fig. 6 en bij hetzelfde temperatuurprofiel (fig. 5a). Vergelijking van de diagrammen levert het volgende op:
1. De minimale afstand a waarop luchtspiegelingen zichtbaar zijn is kleiner. Door te bukken kunnen we dus soms luchtspiegelingen zien die op stahoogte niet zichtbaar zijn. (Een voorbeeld geeft fig. 2 van lit. 4);
2. De verdwijnlijn loopt steiler omhoog. Objecten zullen zich bij bukken dus eerder onder de verdwijnlijn bevinden en onzichtbaar zijn dan op stahoogte;
3. De grenslijn loopt steiler omhoog. Objecten zullen zich bij bukken dus eerder onder de grenslijn bevinden en gaan zweven.
Bij het ontstaan van luchtspiegelingen speelt naast de afstand tussen waarnemer en object en de waarnemingshoogte, ook het temperatuurverschil tussen het aardoppervlak en de lucht op ooghoogte een rol. Een groter temperatuurverschil betekent een sterkere kromming van de lichtstralen. De vorm van de figuren 6 en 7 blijft dezelfde, maar de horizontale afstanden worden kleiner. In een figuur op dezelfde schaallopen de grenslijn en verdwijnlijn steiler. Ook de minimale afstand waarnemer-objekt wordt kleiner, zodat er eerder luchtspiegelingen worden waargenomen.

Omkeerbare stralengang
De stralengang van licht is omkeerbaar. Als we de pijltjes omdraaien geeft fig. 5b aan hoe lichtstralen, afkomstig van een punt W, zich voortplanten door de onderste laag van de atmosfeer. Een waarnemer in gebied I (bijvoorbeeld in A) ontvangt slechts één lichtstraal uit W (nl.lichtstraal 1); voor hem bevindt W zich boven de grenslijn. Het licht uit W kan zich op twee manieren voortplanten naar een waarnemer in gebied II (bijvoorbeeld in B). B ziet dan ook twee beelden van W: een
direkt recht opstaand beeld (volgens lichtstraal 3) en één omgekeerd, gespiegeld beeld (volgens lichtstraal 6). Voor B ligt W tussen de grenslijn en de verdwijnlijn. Het licht uit W kan een waarnemer in gebied III (bijvoorbeeld in C) niet bereiken; voor C ligt W onder de grenslijn.
Fig. 6 en 7 kunnen dan ook als volgt geïnterpreteerd worden. Voor een waarnemer boven de grenslijn bevindt W zich boven de grenslijn. Voor een waarnemer onder de verdwijnlijn bevindt W zich onder de verdwijnlijn. Voor een waarnemer tussen de verdwijnlijn en de grenslijn bevindt W zich tussen de verdwijnlijn en de grenslijn. Een waarnemer die zich vlak boven de verdwijnlijn bevindt ziet een vervormd uitgerekt beeld van W. Met behulp van fig. 6 en fig. 7 kunnen we weer de invloed van bukken of van het vergroten van de afstand tussen waarnemer en objekt op de vorm van de luchtspiegeling nagaan.

Bilthoven.	Workum (wisselbeeld).	Bilthoven.
	Luchtspiegelingen boven spoorwegen.

Vissersboot en Friese kust vanaf Schiermonnikoog	Friese kust vanaf Schiermonnikoog	Friese kust vanaf Schiermonnikoog
	Luchtspiegelingen boven de Waddenzee


Fig. 2. Luchtspiegeling boven de zoutvlakte van Chott el Djerid (Zuid-Tunesië), 18 juli 1978. Een hoger gelegen deel van het landschap in de verte bevindt zich boven de verdwijnlijn. Het is alsof er een eiland ligt te midden van een hoeveelheid water (f = 500 mm) (foto: Jaap Vreeling).	Fig.3. Luchtspiegelingen boven de Waddenzee, Schiermonnikoog, 29 maart 1977. De kust lijkt te zweven boven de kim (k). De grenslijn (g) bevindt zich boven de objekten aan de wal (behalve de spits van de kerktoren). De verdwijnlijn (v) ligt zodanig dat uitstulpingen naar boven overeenkomen met uitstulpingen naar beneden (Kleinbeeldopname; brandpuntsafstand objektief f = 1250 mm).	Fig.4. Schiermonnikoog vanaf de veerboot, 29 mei 1978. De grenslijn (g) loopt door de begroeiing van de Kobbeduinen heen. De grenslijn loopt niet hoog genoeg om het eiland te laten zweven boven de kim (k). (f = 2500 mm).