11.2. Légköri optika

11.2.1. A légköri optika alapjai

A légköri optika magában foglalja az olyan különleges jelenségek tudományos leírását és magyarázatát, mint a szivárvány, a délibáb, a korona, a jégkristályokból álló halo jelenség vagy az égbolt különleges színhatásai. E területen a hipotéziseknek, s a tudományos megismerésnek sok évszázadra visszanyúló történelme van, hiszen ezek a jelenségek látványosságuknál fogva a meteorológiai folyamatokban betöltött fizikai jelentőségüknél nagyobb szerepet kaptak a korai tudományos elméletekben. Például a szivárvány korai magyarázatát a két nagy gondolkodó, René Descartes és Isaac Newton is megadta. Az optikai jelenségek általában akkor keletkeznek, ha a Napból érkező fénynyaláb a légkörben különböző hatások eredményeként eltérül. A fénysugár útjába kerülő akadályok lehetnek a levegő molekulái, aeroszol részecskék, víz eredetű részecskék (felhőrészecskék, jég és hókristályok, esőcseppek vagy jégdarabok). Az eltérítés módja lehet fényvisszaverődés (11.11. ábra), fénytörés (11.12. ábra), szóródás (11.13. ábra), diffrakció (11.14. ábra) és elnyelődés. Nagyon leegyszerűsítve a kiváltó okokat, azt mondhatjuk, hogy a légköri tükröződéseket a rendhagyó fényvisszaverődés, a szivárványt és a halo jelenséget a fénytörés és/vagy a fényvisszaverődés, a korona jelenséget a fényelhajlás, az ég színeit pedig a szóródás magyarázza. Ebben a fejezetben tárgyalt optikai jelenségek mindegyike a légkörben szétszóródva lebegő, számtalan részecske hatására keletkezik, és a sugárzás átvitel illetve a felhőfizika esztétikai aspektusait jeleníti meg.

 

Fényvisszaverődés

11.11. ábra: A fény légkörön való áthaladását gátló, módosító fényvisszaverődés. A fényvisszaverődés lehet tükröző vagy diffúz, attól függően, hogy az akadályt jelentő felszín sima vagy érdes.

 

Fénytörés

11.12. ábra: A fény légkörön való áthaladását gátló, módosító fénytörés. A fénytörés lehet fokozatos vagy hirtelen. A fénytörés folyamatos, ha a közegben folyamatosan változik a terjedési sebesség, és hirtelen történik a diszkontinuitási felületek mentén.

 

A szóródás fajtái

11.13. ábra: A fény légkörön való áthaladását gátló, módosító szóródás. A szóródás mértéke függ a részecske méretétől és a fény hullámhosszától: a kisebb részecskék, molekulák jobban és egyenletesebben szórnak minden irányban (Rayleigh-szóródás), a nagy részecskék kevésbé hatékonyan, s főleg a terjedési irányban szórják a fényt (Mie-szóródás). A szóródás hullámhosszfüggése erősebb a Rayleigh, mint a Mie szóródás esetén.

 

Diffrakció (elhajlás)

11.14. ábra: A fény légkörön való áthaladását gátló, módosító diffrakció (elhajlás). Az interferencia során a fényhullámok erősítik és gyengítik egymást, kicsi részecskék esetén az interferenciakép szélesebb, mint nagyobb részecskék esetén.

A 11.11.-11.14. ábrák mutatják azokat a folyamatokat, melyek a Napból érkező sugárnyaláb akadálymentes áthaladását gátolják. A fényvisszaverődés módja tükröző vagy diffúz, attól függően, hogy az akadályt jelentő felszín sima vagy érdes (11.11. ábra). A fénytörés folyamatos, ha a közegben folyamatosan változik a terjedési sebesség, és hirtelen történik a diszkontinuitási felületek mentén, ahol a fénynek a különböző közegekben való terjedési sebessége (a törésmutató) hirtelen változik (11.12. ábra). A szóródás mértéke függ a részecske méretétől és a fény hullámhosszától: a kisebb részecskék, molekulák jobban és egyenletesebben szórnak minden irányban (Rayleigh-szóródás), a nagy részecskék kevésbé hatékonyan, s főleg a terjedési irányban szórják a fényt (Mie-szóródás). A szóródás hullámhosszfüggése erősebb a Rayleigh, mint a Mie szóródás esetén (11.13. ábra) A fényhullámok diffrakciója (elhajlása), illetve interferenciája is függ a részecskék méretétől. Az interferencia során a fényhullámok erősítik és gyengítik egymást, kicsi részecskék esetén az interferenciakép szélesebb, mint nagyobb részecskék esetén (11.14. ábra).

11.2.2. Optikai jelenségek a légkörben

1650-ben írta fel Pierre de Fermat (1601–1665) a fény terjedését magyarázó legrövidebb idő elvét, melyet Fermat-elvnek is neveznek. Az elv alapgondolata, hogy két pont között az összes lehetséges út közül a fény azt választja, amelyik megtétele a legkevesebb időt veszi igénybe. Így előfordulhat, hogy két pont között nem az egyenes vonalon haladás a leggyorsabb. (Jól illusztrálható ez az elv a csónakázás közben vízbeesett lány példáján. A szárazföldről menteni igyekvő ember nem cselekszik helyesen, ha egyenes vonalban a lány irányába úszik a vízben. Mérlegelnie kell, hogy sokkal gyorsabban szalad a szárazföldön, mint úszik a vízben. Tehát, hogy optimálisan a leghamarabb odaérjen a lányhoz, hosszabb utat kell megtennie a parton, mint a vízben.) Ez az elv húzódik meg a fénytörés mögött is. Így, miközben a naplementében gyönyörködünk, a Nap valójában már a látóhatár alatt van. A világűrben haladó fénysugár a sűrűbb légkörbe érkezve fénytörést szenved. Ezért az égitestek valóságos helyzete egy kicsit más, mint ahogy azt mi valójában szemünkkel érzékeljük. Ennek különösen a napkeltéknél, naplementéknél van jelentősége. Ilyenkor a már/még a látóhatár alatti Napot is látjuk egy rövid ideig. A fénytörés következtében a nappalok a közepes földrajzi szélességeken mintegy 4 perccel hosszabbak.

11.2.2.1. A szivárvány

A légköri optikai jelenségek egyik leglátványosabb megnyilvánulása a szivárvány. A Napból érkező fénysugár a légkörben lévő vízcseppeken megtörik, színekre bomlik, majd visszaverődik. Így jön létre a szivárvány. A szivárvány mindig a Nappal ellentétes oldalon jelenik meg. Ott az égboltot részben felhő borítja, melyből csapadék hullik. A hulló esőcseppeken megtörő fény hozza létre a jelenséget. Szivárványt tehát akkor láthatunk, ha az észlelés helyén süt a nap, a távolban pedig esik az eső. Ez az időjárási helyzet leggyakrabban akkor áll fönn, ha cumulonimbus (zivatarfelhő) borítja az ég egy részét. Ez rövid ideig tartó, záporszerű csapadékot ad, ami esetenként távolról is megfigyelhető. Gyakran éppen egy zápor átvonulása után keletkezik szivárvány, ezért sokan a javuló idő jelét látják benne. A szivárvány kialakulásához szükséges időjárási helyzet egyben magyarázatot ad a kialakulás várható idejére is. Ez leggyakrabban a tavaszi, nyári hónapokra esik, mert egyrészt ilyenkor gyakrabban alakulnak ki záporok, másrészt a csapadék sem fagyott állapotú. Más évszakokban is kialakulhat szivárvány, csupán a gyakorisága jóval kisebb ilyenkor. A szivárvány ívének kialakulására, színeinek eloszlására az optikai törvények adnak magyarázatot. Azonban ezek részletes ismertetése nélkül is könnyű elképzelni a fény útját a Napból a vízcseppeken keresztül a szemünkig. A folyamat során először is a Napból érkező sugárzás jut a vízcseppek felületére. A Nap nagy távolsága miatt feltételezhetjük, hogy a sugárzás egymással párhuzamos sugárnyalábok formájában érkezik az esőcseppekhez. A cseppek a fény számára eltérő közeget jelentenek, ezért az addig levegőben haladó sugárzást különböző hatások érik. Egy részük a beesés szögével megegyező szögben visszaverődik, más részük behatol a cseppbe, de az eltérő optikai sűrűség miatt megtörik. A továbbiakban a sugárnyalábnak csak a cseppbe bejutott részét követjük.

 

A vízcseppeken történő egyszeres és kétszeres visszaverődés hatása

11.15. ábra: A vízcseppeken történő egyszeres és kétszeres visszaverődés hatása

A vízcseppbe behatoló fény belül továbbhaladva elér a csepp belső falára. Itt hasonló jelenség játszódik le: egy része megtörve továbbhalad a levegőben, másik része pedig mint egy tükörről, visszaverődik a csepp belső faláról. A továbbiakban ezt a visszaverődött nyalábot követjük. Ez idővel újra a csepp belső falához érkezik, ahol a már előbb vázolt hatások érik. Végül a kétszeres fénytörés és egyszeres visszaverődés után a fénysugár elérkezik a szemünkbe (11.15. ábra). A Napból párhuzamos nyalábokban érkező fény a gömb alakúnak feltételezett vízcseppekre érkezve természetesen különböző szögekben törik meg. René Descartes (1596–1650) 1637-ben tízezer(!) ilyen fénysugárutat szerkesztett meg, hogy megértse a jelenséget. Rájött, hogy egy bizonyos beesési szög esetében a kilépő sugarak sűrűsödnek, tehát a visszaverődő fénynek ez esetben van akkora fényereje, hogy azt szemünkkel érzékelhessük. A vizsgálatok szerint ez a beesési szög (a napsugár és a vízcsepp, mint szabályos gömb középpontjából a felületére húzott egyenes által bezárt szög) 60 fok körüli. Ebből, ismerve a víz törésmutatóját, (vagyis azt a számot, mely megadja a fénysugár két eltérő sűrűségű közeg határán fellépő irányváltozását) kiszámítható az a szög, melyben a visszaverődő fény maximális intenzitással érkezik a szemünkbe. Ez a szög körülbelül 42 foknak adódott. Így, ha valaki a Nappal ellentétes irányba néz, és ott esik az eső, a szivárványt a napsugarak irányához képest 42 fokos szögben látja. A 42 fokos szögben látható vízcseppek egy olyan kúp palástján helyezkednek el, melynek a csúcsa a megfigyelő szeme. Ebből a megállapításból több következtetést is leszűrhetünk. Egyrészt, még két egymás mellett álló ember is más és más szivárványt lát, hiszen mindenkinek egy kicsit másképp helyezkedik el a 42 fokos kúp, így mindenkinek „saját” szivárványa van. Másrészt, soha nem láthatunk szivárványt oldalról, csak szemből. A szivárvány valójában egy teljes körív lenne, mint ahogy a kúp alapja is az. A teljes körívből azonban értelemszerűen csak a horizont fölötti részt látjuk, az alsó része a Föld takarása miatt nem alakul ki. A szivárvány égbolton való elhelyezkedését a nap magassága befolyásolja. Minél alacsonyabban van a Nap, annál magasabban látjuk a körívet a horizont fölött. Nyáron, dél körül, amikor igen magasan van a nap, nem alakulhat ki szivárvány. A szivárvány megjelenésének a leggyakoribb időszaka a reggeli, illetve a kora esti órák. Reggel nyugati, este keleti irányban látható szivárvány megfelelő időjárási helyzet esetén.

A szivárvány színeinek kialakulását szintén a fénytörés befolyásolja. A vízcseppek a rájuk érkező napfény számára prizmaként viselkednek. Ez azt jelenti, hogy a vízcsepp határán történő fénytörés során a Napból érkező fehér fény (mely magában hordozza a szem által érzékelhető összes színt) színekre bomlik. A fénytörés függ a fény hullámhosszától is: a nagyobb hullámhosszú fény kevésbe törik meg, mint az alacsonyabb hullámhosszú. A látható fény a kéktől a vörös színig terjed, ami körülbelül a 0,38–0,78 μm-es hullámhossz tartományt jelenti. A látható színtartományban a vörös színnek a legnagyobb a hullámhossza, s a kéknek a legkisebb. Az erősebben megtörő kék szín ezért a szivárvány belső ívén, míg a kisebb törést szenvedő vörös a külső íven látható. Így a körülbelül 42 fokos szög alatt látszó vörös ív alatt körülbelül 40 fokos ívben látszik a kék szín, míg közöttük helyezkedik el a teljes látható színspektrum. (A valóságban a légköri viszonyok befolyásoló hatása miatt a teljes színspektrum csak ritkán látható.)

 

Elsődleges és másodlagos szivárvány

11.16. ábra: Elsődleges és másodlagos szivárvány

A fénysugár vízcseppen belüli útjának leírásakor láttuk, hogy a két közeg (víz és levegő) határára érkező fény vagy megtörve továbbhalad, vagy visszaverődik. A 40–42 fokos szögben látszódó szivárvány a cseppen belüli egyszeres fényvisszaverődés útján alakul ki. Az egyszeres visszaverődés során azonban nem távozik el a cseppből a fénysugár teljes energiája. Egy része újra visszaverődik, s csak ezután hagyja el a vízcseppet. Ezért az elsődleges, vagy főszivárvány fölött gyakran látszódik egy másodlagos, vagy mellékszivárvány is (11.16. ábra). E másodlagos szivárvány a cseppeken belüli kétszeres fényvisszaverődés következménye (lásd 11.15. ábra). Természetesen itt is létezik egy szög, melynél a visszaverődés erőssége maximális. Így a színskálát a másodlagos szivárvány esetében körülbelül 50 és 53 fok között látjuk. Itt azonban felcserélődik a színek sorrendje: a vörös szín a belső, míg a kék a külső íven látható. A másodlagos szivárvány már jóval gyengébben – vagy akár egyáltalán nem – látszik, hiszen ez esetben a többszöri visszaverődés miatt már jóval gyengébb a fény energiája. Az elsődleges és másodlagos szivárvány között az égbolt általában sötétebbnek látszik. Az itt elhelyezkedő vízcseppeken ugyanis olyan szögben törik a fény, hogy az egyáltalán nem jut a szemünkbe.

11.2.2.2. Fényjelenségek a Nap és a Hold körül

A felhőket alkotó vízcseppeken és jégkristályokon a fénysugarak megtörnek, visszaverődnek, szóródnak és elhajlanak. Ezek a hatások vékony felhőzet esetén, amikor a Nap vagy a Hold látszik a felhő mögött, fényjelenségeket hoznak létre a légkörben (11.1. táblázat).

11.1. táblázat: Légköri fényjelenségek a Nap és a Hold körül

Jelenség

Leírás

Létrehozó ok

A fény útja

Korona (koszorú)

színes gyűrű(k) az égitest körül, fényudvar

vízcseppek

fényelhajlás a cseppek közötti réseken

Glória

színes gyűrű(k) árnyék körül

vízcseppek

fényelhajlás a cseppek közötti réseken

Halojelenségek

22 fokos halo

körív a Nap vagy a Hold körül

kisméretű, lapos vagy oszlopos jégkristályok

fénytörés a jégkristály két szemközti oldalán

46 fokos halo

körív a Nap vagy a Hold körül

kisméretű, oszlopos jégkristályok

fénytörés a jégkristály alsó vagy felső lapján és egy oldalán

8, 17, 90 fokos halo

(nagyon ritka jelenség)

körív a Nap vagy a Hold körül

kúp alakú jégkristályok

fénytörés a jégkristály hegyes oldalain

Érintőívek

a 22 vagy 46 fokos halot két oldalról érintő színes ívek

közepes méretű, oszlopos jégkristályok

fénytörés

Melléknapkör, mellékholdkör

vízszintes, fehéres fényű sáv a Nap vagy a Hold magasságában

közepes méretű, lapos vagy oszlopos jégkristályok

fényvisszaverődés a jégkristályokról

Melléknap,

mellékhold

színes, fényes foltok az égitesttel azonos magasságban

különböző alakú jégkristályok

fénytörés a jégkristály

lapjain

Zenit körüli ívek

színes, vízszintes ívek az égitest alatt vagy fölött

különböző alakú jégkristályok

fénytörés a jégkristály alsó vagy felső lapján és egy oldalán

Fényoszlop

függőleges fényív általában a Nap vagy a Hold fölött

nagy, lapos jégkristályok

fényvisszaverődés a jégkristályokról

Vízcseppekből álló felhő hatására egy vagy több színes gyűrű jöhet létre az égitest körül. Szögátmérőjük mindössze néhány (1–5) fok. Az ilyen fénytüneményt koszorújelenségnek vagy koronának hívják. Létrejöttét a felhő vízcseppjein bekövetkező fényelhajlás, fénytörés teszi lehetővé. A vízcseppek közötti réseken áthaladó fénysugarak a tér minden irányában terjednek. A különböző résekből induló fényhullámok a fény erejét néhol erősítve, néhol kioltva metszik egymást, attól függően, hogy milyen fáziskülönbséggel találkoznak. Ahol a fényhullámok fázisa azonos, ott erősítik egymást, és fényes gyűrűk jönnek létre a Nap vagy a Hold körül. A fényelhajlás a fény hullámhosszától is függ, ekképp a különböző színű (vagyis a különböző hullámhosszú) fénysugarak nem egyformán hajlanak el. Ezért koszorújelenség esetén a gyűrűnek az égitesthez közelebbi része kékes, míg a külső ívek vöröses színűek.

A koszorújelenség leggyakrabban a Napot vagy a Holdat fátyolszerűen eltakaró, középmagas szintű felhőkön (altostratusokon vagy altocumulusokon) jön létre. Ezek a felhők néhány ezer méter magasságban keletkeznek, és a vastagságuk többnyire nem elegendő ahhoz, hogy az égitestet teljesen eltakarják. A felhőt alkotó vízcseppek mérete fordított arányban van a korona nagyságával: minél kisebbek a cseppek, annál nagyobb a korona szögátmérője, és fordítva (lásd. 11.14. ábra). Ha a felhőt alkotó vízcseppek mérete széles határok között változik, akkor az égitest körül egyetlen, egybemosódó fényudvar jelenik meg. Koszorújelenséget ritkábban jégkristályok vagy aeroszol részecskék okozta fénytörés is előidézhet. Vulkánkitörések után a magasabb légrétegekbe kerülő finom vulkáni hamu hatására hosszabb időn át látható Nap vagy Hold körüli korona.

A koronához hasonló jelenség az égitesttel ellentétes oldalon is megfigyelhető. E fénytüneményt glóriának nevezik. Egy hegycsúcson állva vagy repülőn utazva akkor látható ez, ha a csúcs vagy a repülő árnyéka apró vízcseppekből álló felhőre vagy ködre vetül. Az árnyék körül ilyenkor színes gyűrűk jelenhetnek meg. Színük hasonló a koronáéhoz: a legbelső ív kékes, ezt zöld, sárga, majd vörös ívek veszik körül. A gyűrűk egymás után többször megismétlődhetnek.

Az előbbieknél változatosabb és bonyolultabb formákat is alkothat a jégkristályokon megtörő, visszaverődő fény. Ezek a halojelenségek. Halo (magyarul fényudvar) akkor alakulhat ki, ha az eget jégkristályokból álló felhők, leggyakrabban magas szintű rétegfelhők (cirrostratusok) borítják. A cirrostratus 7000 méter fölött, általában melegfront érkezése előtt jelenik meg, ezért a halojelenség az idő csapadékosra fordulását is jelezheti. Ha az eget csak részben borítják felhők, akkor a halojelenségnek is csak egy részlete látszik.

 

Összetett halojelenség

11.17. ábra: Összetett halojelenség. Középen a kitakart Nap. Ilyen komplex halojelenség általában csak a magasabb földrajzi szélességeken fordul elő.

A jégkristályok alakjától és mozgásától, valamint az égitestek horizont feletti magasságától függően különböző haloelemek jöhetnek létre (11.17. ábra). Mivel a levegőnek és a jégnek eltérő a törésmutatója, a jégkristály felületén a fény megtörik. A jégkristályon (hatszög alapú hasáb) áthaladó fénysugár megtörve folytatja útját a levegőben. A kristályok geometriájának és törésmutatójának ismeretében meghatározhatók azok a szögek, amelyekkel a felhőn áthaladó fénysugár eltér az eredeti irányától. Bizonyos szögek esetén sűrűsödnek a fénysugarak; a halojelenségek is ezeknél a szögeknél látszanak. A fény a fénytörés során színeire bomlik, ezért a legtöbb halo elem színes. A haloban fordított a színek sorrendje, mint a koszorújelenségben, vagyis belül vöröses, kívül kékes árnyalatú.

A leggyakrabban megfigyelhető halo 22 fokos szögben látszik a Nap vagy a Hold körül. Ezt kis halogyűrűnek nevezik. Lebegő vagy hulló, oszlopos szerkezetű jégkristályokon jön létre úgy, hogy a fény a jégkristályok átellenes, egymással 60 fokos szöget bezáró lapjain halad át. Rendszerint csak a belső, vörös ív látható tisztán, a többi szín összemosódik, ezért a gyűrű leginkább fehéresnek látszik. A 22 fokos halogyűrű (kis halo) körül úgynevezett érintőívek is kialakulhatnak. A fényes ívek a 22 fokos halo alsó és felső pontját érintik, és az alakjuk attól függően változik, hogy a Nap vagy a Hold milyen magasan jár az égen. Alacsony napálláskor az alsó és a felső érintőív egymás tükörképének látszik. A Nap emelkedésekor a két ív változtatja formáját, majd 30 fokos napállásnál záródik. Ezután egyre közelebb kerülnek a kis halohoz, és 60 fokos napmagasságnál bele is olvadnak abba.

A kis halohoz hasonlóan jön létre a ritkábban látható nagy halo. Ez 46 fokos szögben látszik az égitestek körül. A fénytörés ilyenkor az oszlopos jégkristály alaplapja és egyik oldallapja között következik be. A lapok egymással 90 fokos szöget zárnak be. Ez esetben az eltérítés szöge 46 fok, ezért ebben a tartományban fényes körív látható. A nagy halo színsorrendje megegyezik a kis haloéval: belül vöröses, kívül kékes. Fénye a belső, kis haloéhoz képest gyengébb erejű. Hozzá is kapcsolódhatnak érintőívek. Ezek leginkább a szivárványtöredékhez hasonlítanak, ellentétes irányba görbülve rendszerint a nagy halo alsó felét érintik, és az égitesthez képest szimmetrikusan helyezkednek el. A kis és a nagy halon kívül nagyon ritkán egyéb halogyűrűk is előfordulnak. A Nap és a Hold magasságában, a látóhatárral párhuzamosan melléknapkör vagy mellékholdkör szintén létrejöhet. Kialakulásukat a jégkristályokon visszaverődő fény okozza. Színük fehéres, és ahol a 22 fokos és a 46 fokos halogyűrűket metszik, mindkét oldalon fényes melléknapok vagy mellékholdak láthatók. A melléknapkört és mellékholdkört kialakító jégkristályformák egyéb halo összetevőket is létrehozhatnak. Ezek a zenit körüli ívek. Általában a nagy halohoz kapcsolódnak, de olyankor is megjelenhetnek, amikor maga a 46 fokos nagy halo sem látszik. Ritka szerencse, amikor egyszerre több halo összetevő látható az égen, hiszen ilyenkor rendkívül szép látványban lehet részünk.

11.2.2.3. Légköri tükrözések

A fény különböző közegeken halad keresztül, mielőtt a szemünkbe érkezik. Mivel terjedési sebessége a közeg sűrűségétől függ, az eltérő sűrűségű közegek határán megtörik, iránya pedig eltér az eredetitől (lásd 11.12. ábra). A tárgyak képe nem onnan jut a szemünkbe, ahol valójában vannak, hanem ahol a fénytörés után látni véljük alakjukat (11.18. ábra).

A légköri fénytörés legérdekesebb jelenségei a tükrözések. Ezt nálunk általánosan délibábként emlegetik. A név valószínűleg onnan ered, hogy nyáron, az Alföldön, a déli órák körül a talajhoz közeli, erősen felforrósodott légrétegben gyakran láttak homályos alakzatokat, „bábok”-at mozogni. Ezek épp úgy távoli tárgyak látszólagos, elmosódott képeit jelenítették meg, mint a sivatagban feltűnő, hívogató – valójában azonban nem létező – vízfelületek, amelyek gyakran becsapják a vándorokat.

 

Az eltérő sűrűségű közegek határán megtörik a fény

11.18. ábra: Az eltérő sűrűségű közegek határán megtörik a fény

Ez a jelenség úgy jön létre, hogy a légkör törésmutatójának kismértékű változása is igen nagy torzulást okozhat a távoli tárgyak képén. A törésmutató változása a levegő sűrűségétől függ, ez pedig a légnyomással, a hőmérséklettel és a légnedvességgel arányos. A növekvő légnyomás, illetve a csökkenő hőmérséklet és légnedvesség a sűrűség növekedését eredményezi. A különböző légrétegek sűrűségének és törésmutatójának változása, s ezzel együtt a fény útja leginkább a hőmérséklet függőleges menti változásától, a hőmérsékleti gradienstől függ. Nagyobb hőmérsékleti gradiens esetén nagyobb légköri tükrözés keletkezhet. A hőmérsékletváltozás iránya alapján a tükrözések két csoportba sorolhatók. Az első esetben a hőmérséklet fölfelé haladva csökken, a másodikban növekszik (ez a légköri helyzet az inverzió). E két különböző esetben eltérő irányban törik meg a fény, s alsó vagy felső tükrözésről van szó.

Alsó tükrözés esetén a közvetlenül talajfelszín feletti vékony légréteg jóval melegebb a fölötte levőnél. Nyáron a talaj erősen felmelegszik, és a felszínhez közeli légréteg hőmérséklete is növekszik. Mivel a melegebb levegő sűrűsége kisebb, az ilyen levegőréteg tükörként viselkedik a látható fénnyel szemben. A Napból jövő sugarak a felszínhez közeledve, a fénytörés miatt elhajlanak, és alulról jutnak a szemünkbe. Ilyenkor az ég vagy a felhők tükörképe a felszínen vízfelületnek látszik. Az alsó tükrözés kialakulásához a felszínnel érintkező levegő hőmérsékletének körülbelül két Celsius fokkal kell meghaladnia az egy méteres szinten levő levegőét. Ez igen gyakran, akár még télen is bekövetkezhet. A jelenség kialakulása természetesen nyáron a legvalószínűbb, hiszen ilyenkor kedvezőbbek a feltételek a nagy függőleges hőmérséklet-különbség létrejöttéhez. A Hortobágyon a meleg évszakban mindennapos a délibáb, de leggyakrabban júliusban fordul elő. A tapasztalatok szerint az erős szél nem, a csapadék viszont gátolja a kialakulását.

Az alsó tükrözés legegyszerűbb változatát az utakon is megfigyelhetjük. Meleg, nyári napon gyakran úgy látszik, mintha az aszfalt a távolban nedves lenne. A víztócsát azonban sohasem érjük el. Újra meg újra eltűnik a szemünk elől, majd máshol ismét megjelenik. A szembe jövő járművek fénye és képe is megjelenhet a látszólagos vízfelületen. Ilyenkor a tükörképük verődik vissza a forró aszfaltról. Hasonlóképpen jön létre a tengerek feletti naplementékhez kapcsolódó, ún. etruszk váza tükröződés (11.19. ábra).

 

Az ún. etruszk váza jelenség

11.19. ábra: Az óceánba leszálló Nap egy speciális tükröződése az ún. etruszk váza jelenség

A légköri tükrözések másik fajtája, a felső tükrözés az előbbiektől eltérő helyzetben alakulhat ki. Ekkor a tárgyak képe a valós helyzetüknél magasabban látszik. Az effajta tükrözés fordított hőmérsékleti gradiens (inverzió) esetén jön létre. Ilyenkor a felszín jóval hidegebb, mint a fölötte elhelyezkedő légréteg. A fénysugár megtörik és a hidegebb, ezáltal sűrűbb légréteg irányába, vagyis lefelé hajlik. A tárgyak képét így a tényleges helyzetüknél magasabban látjuk. Bizonyos tárgyak közelebbinek tűnnek, és esetleg olyan tárgyakról is fény jut a szemünkbe, amelyek a látóhatár alatt helyezkednek el. E különös légköri tünemények elsősorban nagy vízfelület, hó- vagy jégmező felett, jobbára a sarkvidéki területeken jelennek meg.

A kétfajta (alsó és felső) tükrözés együtt is felléphet. Ebben az esetben két viszonylag melegebb légréteg közé egy hidegebb ékelődik be. A hideg levegő fölött felső, alatta alsó tükrözés alakul ki. Ebben az ingatag rétegződésben a hideg és a meleg levegőrészek folytonosan változtatják a helyüket, ezért a fény többszörösen is megtörik. Az ilyen bonyolult, látványos jelenséget fata morganának hívjuk.