Kees Floor, Meteorologica, maart 2002

Figuur 2: Luchtspiegeling boven de Hoeverweg te Egmond aan den Hoef. Het is alsof er in de verte water op de weg staat, waarin de auto en de bus zich weerspiegelen.   Figuur 5: Links: Verloop van de temperatuur T en de brekingsindex van lucht n met de hoogte boven een door de zon verhit oppervlak in het voorjaar en het begin van de zomer. Rechts: Gang van de lichtstralen door een aan het aardoppervlak grenzende luchtlaag met een temperatuurprofiel zoals gegeven in het linkerdeel van de figuur. De lijnen met pijltjes stellen lichtstralen voor. Het licht plant zich voort in de richting van de pijlen naar het oog van de waarnemer in W. Het licht dat afkomstig is van een voorwerp in het grijze gebied, bijvoorbeeld B, kan W op twee manieren bereiken: rechtstreeks via lichtstraal 3 of via weerspiegeling tegen de warme laag nabij het aardoppervlak langs lichtstraal 6. N.B.: Verticale afstanden zijn in de figuur véél groter weergegeven dan horizontale. De hoeken tussen lichtstralen 4-8 enerzijds en het aardoppervlak anderzijds zijn daardoor véél kleiner dan het diagram suggereert.   Figuur 1 (links): Stukje uit de Volkskrant over door luchtspiegelingen misleidde hagedissen.

Figuur 3 : Luchtspiegeling boven de Leuvenlaan te Utrecht. Ook hier is het alsof er in de verte water op de weg staat, waarin de auto's zich weerspiegelen.

Figuur 4 : Luchtspiegeling boven de spoorweg te Workum. De spoorbaan lijkt in de verte onder water te staan.

Om deze vraag te kunnen beantwoorden, moeten we eerst weten wat luchtspiegelingen precies zijn en hoe ze worden veroorzaakt. Luchtspiegelingen treden op boven bijvoorbeeld wegen, spoorwegen, wateroppervlakken en zandvlakten als de temperatuur van het aardoppervlak hoger is dan die van de lucht erboven. In ons land komt dat boven land geregeld voor bij zonnig weer in het voorjaar en in het begin van de zomer. Onder die omstandigheden namelijk, is de lucht vlak bij de grond gewoonlijk veel warmer dan de lucht daar net boven. In de warme, ijlere lucht van de onderste laag van de atmosfeer is de brekingsindex kleiner - en daardoor de lichtsnelheid groter - dan in de minder warme en minder ijle lucht op bijvoorbeeld waarnemingshoogte. Lichtstralen die langs het aardoppervlak scheren, worden onder die omstandigheden naar boven toe gekromd en afgebogen. De warme laag bij het aardoppervlak, of preciezer nog het grensvlak tussen deze laag en de koelere lucht erboven, fungeert als het ware als een spiegel. Lichtstralen afkomstig van voorwerpen op afstand, zoals de trein in figuur 3, weerspiegelen tegen deze 'spiegel'; als er zich geen voorwerpen op de geschikte positie bevinden, zien we een weerspiegeling van de hemel. Zo'n situatie is normaal gesproken vrij ongebruikelijk; daarom interpreteren we de weerspiegelde objecten en de weerspiegelde lucht als zijnde weerspiegeld in water; vervolgens concluderen we dat er water op de weg, op de spoorbaan of op de dijk staat!

In figuur 5 (links) is schematisch een temperatuurprofiel weergegeven dat aanleiding kan geven tot luchtspiegelingen boven warme oppervlakken; het rechterdeel van de figuur toont de gang van de lichtstralen die een waarnemer W kunnen bereiken (Khular et. al 1977). Duidelijk is te zien dat lichtstralen die zich door de onderste luchtlaag direct tegen het aardoppervlak voortplanten, gekromd zijn en naar boven worden afgebogen. Licht van voorwerp B bereikt de waarnemer rechtstreeks via lichtstraal 3, maar langs lichtstraal 6 ook via een omweg, met een weerspiegeling tegen de warme luchtlaag. De verticale schaal in het diagram is echter sterk uitgerekt ten opzichte van de horizontale schaal. In werkelijkheid scheren de lichtstralen die betrokken zijn bij de vorming van weerspiegelde beelden (in de figuur lichtstralen 6, 7 en 8), langs het wegdek, de spoorbaan of de dijk. Minnaert (1968) vond hoeken tussen de lichtstralen en het aardoppervlak tot ten hoogste 0,01 rad; bij de waarnemingen van Ashmore (1955) waren de hoeken tussen de lichtstralen en het wegdek zelfs niet groter dan 0,002 rad. De bijbehorende afstanden tot de zogeheten 'optische horizon' (Fraser & Mach 1976) - de dichtstbijzijnde rand van het zogenaamde water op de weg - bedragen bij een ooghoogte van 1,5 m 150 tot 750 m, wat goed overeenkomt met de eigen ervaringen. Doordat het gaat om zulke kleine hoeken, zijn sterke vergrotingen nodig om het verschijnsel op foto's vast te kunnen leggen; deze kunnen bijvoorbeeld worden verkregen met zware telelenzen of met een astronomische telescoop (Floor 1979a, 1983b)

De ooghoogte bedraagt echter niet altijd 1,5m; op de fiets, maar vooral achter het stuur van een auto, bevinden de ogen zich gewoonlijk lager boven de weg. De luchtspiegelingen zijn onder die omstandigheden gemakkelijker en frequenter te zien; bovendien ligt de optische horizon bij een lagere waarnemingshoogte dichterbij. Om die reden konden mijn kinderen, toen ze nog klein waren, me tijdens het fietsen altijd tijdig attenderen op het voorkomen van luchtspiegelingen: ze bezaten het voorrecht van een geringere waarnemingshoogte.

We keren nu terug naar het stukje uit de Volkskrant en daarmee naar de hagedissen uit de Thar-woestijn in India. Voor hen is de waarnemingshoogte nog weer aanzienlijk lager dan die van de automobilist of van de fietsende kinderen in Nederland; mogelijk gaat het tegelijkertijd om grotere temperatuurgradiënten. Uitgaande van de grootste, door Minnaert boven warme oppervlakken op grote schaal gemeten hoeken, komen we bij een ooghoogte van 1,5-3 cm uit op een afstand tot de optische horizon van 1,5 - 3 m; deze getallen sporen goed met de waarden die Minnaert noemt bij luchtspiegelingen op kleinere schaal, bijvoorbeeld langs een door de zon beschenen en opgewarmde muur of langs de hete schoorsteen van een stoomboot. De hagedis hoeft dus niet eens in de lengterichting van de weg te kijken om luchtspiegelingen te kunnen zien en de misleiding van het felbegeerde water op de weg te kunnen ondergaan!

Ashmore, S.E. 1955, A North Wales road-mirage, Weather 10, 366

Floor, C,. 1979a: Wel objectief voor welk optisch verschijnsel?; Zenit, 6 (5); mei 1979

Floor, C,. 1979b: Luchtspiegelingen boven warme oppervlakken; Zenit, 6 (6); juni 1979

Floor, K., 1980: Luchtspiegelingen in het Waddengebied; Waddenbulletin juni 1980

Floor, C,. 1981: Onregelmatige luchtspiegelingen; Zenit 8 (1); januari 1981

Floor, C,. 1983a: Inferior mirages in The Netherlands, Z. Meteor. 33 (1)

Floor, C,. 1983b: Investigating mirages with an astronomical telescope, Physics Teacher 18

Fraser, A. B. & Mach, W.H.,1976: Mirages, Scientific American 234 (1), 102.

Khular, E., Thyagarayan, K. & Ghatak, A.K., 1977: A note on mirage formation; Am. J. Phys. 45, 90.

Minnaert, M., 1968⁵: De natuurkunde van 't vrije veld, deel 1: Licht en kleur in het landschap, Zutphen, Thieme.