Ghost boat mirage video - https://www.youtube.com/watch?v=QjIxRMWM5do
Indiana Jones cammina nel deserto assetato e scorge in lontananza una ‘pozza d’acqua’ che però non riesce mai a raggiungere. La stessa scena è ricorrente in molti film Western e un fenomeno simile lo osserviamo spesso viaggiando in autostrada. L’effetto è dovuto ad alcuni fenomeni ottici: ecco come funzionano i miraggi.
I miraggi sono dei fenomeni ottici che si verificano a causa della rifrazione. Ci sono due modi per spiegare i miraggi, uno secondo il principio di Snell e uno secondo quello di Fermat. In breve, se alcuni strati di aria vicini tra loro hanno due temperature molto diverse, allora i raggi di luce che passano negli strati di aria modificheranno la loro traiettoria, e per questo si possono verificare i miraggi di tipo inferiore o superiore, oppure di ‘Fata Morgana’.
Il miraggio inferiore
Per capire come funzionano i miraggi, bisogna ricordarsi in che cosa consiste la rifrazione. Prendiamo come esempio un raggio di luce che viaggia prima attraverso uno strato di acqua e poi attraverso l’aria. L’aria ha una densità minore rispetto all’acqua, e per questo si osserva che l’angolo di incidenza rispetto al limite dei due materiali tenderà a ampliarsi di più nel mezzo con minore densità (l’aria) rispetto a quello con maggiore densità (l’acqua), come illustrato in figura.
http://www.andreaminini.org/fisica/onde/rifrazione-onde
Nei miraggi inferiori, il suolo è molto caldo e quindi riscalda gli strati d’aria più vicini ad esso. Ciò che è caldo tende ad espandersi e quindi a diventare sempre meno denso (perchè lo stesso numero di molecole di aria occupa più spazio espandendosi). Se abbiamo tanti strati di aria in successione sempre meno densi dal cielo verso il suolo, l’angolo di incidenza del raggio di luce tenderà ad ampliarsi sempre di più, per la legge di rifrazione di Snell. E questo può produrre gli effetti per i quali i raggi provenienti dal cielo verranno riflessi sul suolo, facendo apparire che una parte di cielo stia sul suolo. Spesso l’azzurro del cielo viene confuso con l’immagine di una pozza d’acqua. Questa apparente pozza d’acqua è tipica nelle scene di film Western nel deserto o nelle autostrade asfaltate, in cui il suolo rovente riscalda l’aria che sta sopra.
immagine - Neal Jackson
http://apollo.lsc.vsc.edu/classes/met130/notes/chapter19/infer_mirage.html
Un ulteriore modo per spiegare come funzionano i miraggi è con il principio di Fermat. La luce viaggia più veloce nell’aria più calda (e meno densa). Per il principio di Fermat, la luce cerca di spendere più tempo possibile viaggiando veloce, e quindi seguendo un percorso per minimizzare il tempo di trasmissione. Il percorso del raggio di luce è un compromesso tra viaggiare per il percorso geometrico più corto non piegandosi (e quindi stando in un mezzo con maggiore densità in cui però passa più tempo andando più lentamente), e tra piegarsi per passare in un mezzo che permette al raggio di viaggiare più veloce (aumentando però il percorso geometrico). Il risultato è lo stesso di quello descritto da Snell, e predice allo stesso modo i miraggi.
I miraggi inferiori sono instabili perchè l’aria calda, essendo meno densa, tende a salire in superficie dell’atmosfera, e l’aria fredda tende a depositarsi più vicina al suolo. Per la tendenza al rimescolamento dell’aria calda sottostante e l’aria fredda in superficie, il miraggio inferiore è definito instabile.
Il miraggio superiore
Il miraggio superiore si verifica quando uno strato di aria che sta sotto ad un altro è molto più freddo di quello che sta sopra. Il gradiente termico necessario per il fenomeno del miraggio è di circa 10°K in pochi metri di distanza, e l’inversione termica deve accadere al livello degli occhi dell’osservatore. I raggi che provengono dal suolo (o dall’altezza sotto agli occhi dell’osservatore), salendo incontrano strati di aria sempre più caldi, e ciò può fare in modo che l’immagine del suolo venga riflessa nel cielo. L’effetto ottico è molto particolare perchè all’osservatore pare che ci siano degli oggetti che sono sospesi in aria. In realtà questi oggetti sono sul suolo.
Il miraggio superiore è ricorrente negli ambienti freddi come ai poli, dove il ghiaccio raffredda molto gli strati di aria ad esso più vicini e il sole colpisce prima l’atmosfera che sta sopra. Il miraggio superiore è infatti considerato stabile (perchè l’aria fredda sta già sotto a quella calda). Nell’immagine infatti si vede l’effetto di una nave che sembra sospesa in aria.
McMurdo Station, Wikipedia
La ‘Fata Morgana’
I fenomeni di miraggi del tipo ‘Fata Morgana’ si possono osservare in giorni molto freddi nelle zone polari o in giorni molto caldi nei deserti ad esempio, quindi in qualunque luogo dove l’inversione termica sia molto elevata. Risulta più semplice osservarli quando l’osservatore è posto in un piano sopraelevato rispetto al resto, come ad esempio su una montagna o su un aereo. Il gradiente termico deve infatti permettere alla curvatura dei raggi di luce di essere maggiore rispetto alla curvatura della Terra percè il fenomeno si verifichi.
Quando si osserva una ‘Fata Morgana’, si nota l’alternanza di regioni in cui le immagini sembrano diritte, all’inverso, compresse o allungate, e le immagini osservate cambiano rapidamente. Un esempio è illustrato nella seguente figura.
http://www.blueplanetheart.it/2018/06/fata-morgana-un-fenomeno-fisico-insolito-assolutamente-incredibile-agli-occhi-osserva/
