Je leest:

Afbuigende lichtstralen

Afbuigende lichtstralen

Auteur: | 4 mei 2004

Hoe fantastisch goed onze ogen ook zijn, ze kunnen ons onder sommige omstandigheden toch aardig op het verkeerde been zetten. Ze laten ons soms dingen zien die er helemaal niet zijn. Denk aan Fata Morgana-achtige verschijnselen, of luchtspiegelingen, die u natuurlijk allemaal kent: we rijden ’s zomers op de zonnige autoroute, en ver voor ons zien we plassen op de weg, maar als we dichterbij komen blijken die er niet te zijn.

Wat er natuurlijk gebeurt, is dat we weliswaar naar de weg kijken, maar de blauwe hemel zien, alsof er een spiegel op de weg lag. In figuur 2 is geschetst hoe dat komt. De lichtstralen worden boven het hete asfalt afgebogen, doordat de lichtsnelheid daar een tikkeltje groter is dan hogerop. Dit is een belangrijk punt om ons even te realiseren, want dat komt bij andere golfverschijnselen (zoals geluid) ook voor. De snelle kant van de lichtbundel krijgt automatisch de buitenbocht. Verbeeld u maar even dat zo’n stippellijn in figuur 1 bestaat uit een aantal mensen, van bovenaf gezien, die arm in arm in de pas lopen. Als de mensen in de rechterflank iets grotere stappen gaan nemen, wordt de richting waarin de rij beweegt geleidelijk afgebogen naar links. In het geval van licht wordt de hogere snelheid vlak boven het hete asfalt veroorzaakt doordat de lucht daar uitzet en dus ijler wordt. (Daarmee gaat ze meer op vacuüm lijken, en in vacuüm is de lichtsnelheid het grootst.) Het scheelt allemaal niet veel, maar over voldoende grote afstand levert het toch een aardige afbuighoek op. Als we naar het asfalt dichtbij kijken wordt die afstand kleiner, de afbuighoek wordt dan te klein om de hemel nog te halen, en de “plassen” zijn verdwenen.

Figuur 1: Afbuigende lichtstralen boven een hete asfaltweg komen vaak voor. Resultaat: de weg lijkt nat te zijn en te spiegelen. bron: Vereniging voor Weerkunde en Klimatologie

In figuur 3 is dat schematisch weergegeven. Bovendien lijkt de zon afgeplat: de hoogte is nog maar ca. 4 /5 van zijn breedte. Dat komt doordat de laagste stralen het meest worden afgebogen: Ze leggen immers de grootste afstand door de atmosfeer af. Dit is makkelijk in te zien door eerst te kijken naar de situatie waarbij de zon pal boven ons hoofd staat. Van afbuiging is dan geen sprake, hetgeen direct volgt uit symmetrie-overwegingen: immers, naar welke kant zou die afbuiging dan moeten zijn? Naarmate de zon lager komt, zal de afbuiging sterker worden. Eindresultaat: We zien de zon hoger dan hij is, en de onderkant zien we extra hoog. Daarmee is die afplatting verklaard.

Figuur 2: “Plassen op de weg”: afbuigende lichtstralen ten gevolge van een temperatuurverschil.

Als er géén temperatuurverschillen zijn kunnen de lichtstralen toch worden afgebogen, namelijk doordat de luchtdruk geleidelijk afneemt met de hoogte. Is dat effect niet erg klein? Ja, maar het zorgt er wél voor dat we de zon nog net boven de Noordzee zien uitsteken terwijl hij in feite al is ondergegaan. Het plaatje dat we zojuist hebben gebruikt werkt dan natuurlijk precies andersom: de ijlste lucht, dus de hoogste snelheid, dus de buitenbocht, zit nu aan de bovenkant, en de lichtstralen buigen naar beneden, om de horizon heen.

Figuur 3. De ondergaande zon lijkt afgeplat en hoger dan in werkelijkheid het geval is.

In de praktijk kunnen er vreemde varianten van dit gedrag optreden, doordat dit “luchtdrukeffect” gelijktijdig kan optreden met het eerder besproken temperatuureffect. Daardoor kan de ondergaande zon de meest wonderlijke vormen aannemen.

Dit artikel is een publicatie van Leids Instituut voor Onderzoek in de Natuurkunde (LION).
© Leids Instituut voor Onderzoek in de Natuurkunde (LION), alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 04 mei 2004
NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.