Fata Morgana

Fata Morgana – Erklärung

Zum ersten Mal wurde das Wetterphänomen 1798 vom Physiker Gaspard Monge in Ägypten erforscht. Heute wissen wir aufgrund seiner Untersuchungen, dass es sich bei einer Fata Morgana nicht um eine Fee handelt.

Fata Morgana – Bedeutung

Karawanen in der Wüste oder Seefahrer*innen auf ihren Schiffen können durch eine solche Luftspiegelung immer noch in die Irre geführt werden, aber die Erscheinung einer Fata Morgana ist inzwischen eher ein faszinierendes Ereignis als eine mystische Erscheinung. Denn was Luftspiegelungen sind und wie es zu einer Fata Morgana kommt, kann mittlerweile physikalisch erklärt werden.

Luftspiegelungen und die Entstehung einer Fata Morgana

Um herauszufinden, wie Luftspiegelungen funktionieren, müssen wir uns erst mal den Unterschied zwischen warmen und kalten Luftschichten genauer ansehen.

Warme Luftschichten

In warmen Luftschichten besteht eine geringe Dichte. Das bedeutet, dass die Luftteilchen weniger dicht zusammen liegen, sich daher mehr bewegen und im Raum verteilen können. Durch die große Bewegungsfreiheit der Teilchen in warmen Luftschichten herrscht auch weniger Widerstand. So kann Licht mit einer schnellen Geschwindigkeit warme Luftschichten durchqueren.

Kalte Luftschichten

Bei niedrigen Temperaturen ist das genau umgekehrt. Die Luftteilchen liegen sehr dicht zusammen und können sich somit weniger im Raum bewegen. Die Dichte der Teilchen nimmt also zu. Das bedeutet aber auch, dass in kalten Luftschichten mehr Widerstand herrscht als in warmen Luftschichten. Lichtstrahlen können sich dementsprechend nicht so schnell im Raum ausbreiten. Die Ausbreitung der Lichtgeschwindigkeit nimmt ab.

Das Zusammentreffen warmer und kalter Luftschichten

Normalerweise breitet sich Licht, genauso wie Luft, in einem Raum geradlinig aus, wenn die Temperatur und die Dichte konstant sind. Treffen warme und kalte Luftschichten aufeinander, so können sich die Lichtstrahlen nicht geradlinig, über die Grenzen der Luftschichten hinweg, ausbreiten.

Nehmen wir an, dass die Luftschicht knapp über dem Erdboden eine hohe Temperatur und die Luftschicht weiter oben eine niedrigere Temperatur hat. Wenn es windstill ist, bildet sich zwischen diesen beiden Schichten eine sogenannte Grenzfläche. Wenn sich nun Lichtstrahlen an diesem Ort ausbreiten wollen, müssen sie theoretisch die warme und die kalte Luftschicht durchqueren und sind dabei unterschiedlich großem Widerstand ausgesetzt.

Im oberen Abschnitt wurde bereits erklärt, dass in warmen Luftschichten der Widerstand für Teilchen relativ gering und in kalten Luftschichten relativ groß ist.

Da es, aufgrund des geringen Wiederstandes, für Lichtstrahlen einfacher ist, warme Luftschichten zu durchdringen, tendieren sie dazu, auch in diesen zu bleiben. In unserem Beispiel bedeutet das, dass sich die Lichtstrahlen nach der Grenzfläche nicht konstant weiter ausbreiten, sondern eine Art Bogen machen, um in der wärmeren Luftschicht bleiben zu können. Diesen Vorgang nennt man Totalreflexion.

Die Grenzfläche dient hier als Spiegel und wirft das Sonnenlicht zurück in die warme Luftschicht. Man spricht unter anderem von einer Lichtbrechung an der Grenzfläche zwischen Warm- und Kaltluft.

Wir sehen Objekte immer an der Stelle, von der das Licht herzukommen scheint. Dadurch, dass das Licht einen Bogen macht, sehen wir Objekte an der Bogenstelle gespiegelt und verzerrt. Dieses verzerrte Bild nennt man dann Fata Morgana.

Fata Morgana – Beispiele

Prinzipiell kann eine Luftspiegelung, also eine Fata Morgana, überall entstehen, sobald Luftschichten unterschiedlicher Temperatur bei Windstille aufeinandertreffen.

Die bekanntesten Beispiele sind:

• in der Wüste
• auf erhitzten Straßen
• auf dem Meer

Ob eine Fata Morgana nach oben oder nach unten gespiegelt wird, hängt von der Position der verschiedenen Luftschichten ab.

Fata Morgana Beispiele – Luftspiegelung nach unten

Damit eine Luftspiegelung nach unten entsteht, muss sich die warme Luftschicht über dem Boden befinden und die kalte Luftschicht weiter oben. Dann wird das Licht an der Grenzfläche zur Kaltluft reflektiert und es entsteht ein Zerrbild auf dem Boden. Je weiter oben sich die Grenzfläche der Luftschichten befindet, desto weiter entfernt können sich die Objekte befinden, die gespiegelt werden.

Fata Morgana Beispiele – in der Wüste

Abbildung 1: Foto einer Fata Morgana in der Wüste

Die häufigste und wohl bekannteste Art ist die Fata Morgana in der Wüste. Hier wird der Sandboden durch die Sonne stark erhitzt, während die oberen Luftschichten kühler sind. Beim Zusammentreffen dieser Schichten entsteht eine Luftspiegelung auf dem Sand. Die blau schimmernde Spiegelung erzeugt dann das Bild einer Wasserstelle in unmittelbarer Nähe. Tatsächlich wird nur der Himmel gespiegelt.

Bei extrem heißen Luftschichten kann es auch vorkommen, dass sehr weit entfernte Orte durch die Spiegelung plötzlich ganz nah erscheinen. Das liegt daran, dass sich die kältere Luftschicht viel weiter oben befindet und somit auch die Grenzfläche der Warm- und Kaltluft weiter oben liegt. In diesem Fall meinen Wander*innen zum Beispiel einzelne Palmen oder Oasen zu sehen, die sich in Wirklichkeit noch viel weiter entfernt befinden.

Genaue Details jedoch können nicht gespiegelt werden. Erblicken Menschen in einer Wüsten-Fata Morgana einzelne Tiere oder Pflanzen, entspringt das eher der eigenen Fantasie und hängt nicht mit dem Wetterphänomen zusammen.

Fata Morgana Beispiele – auf der Straße

Abbildung 3: Foto einer Fata Morgana auf der Straße

Um eine Fata Morgana zu sehen, muss man allerdings nicht in die Wüste reisen. An sehr heißen Sommertagen können auch auf geteerten Straßen Fata Morganen entstehen. Die Temperatur der Luftschicht über der erhitzen Straße ist dann oft viel höher als die Temperatur der Luftschicht weiter oben. Daher wirkt es so, als wären Wasserpfützen auf den Straßen, dabei wird auch hier wieder der Himmel und teilweise das Abbild von Autos auf den Straßen gespiegelt.

Fata Morgana Beispiele – Luftspiegelung nach oben

Bei einer Luftspiegelung nach oben ist die untere Luftschicht kälter als die obere. Die Lichtstrahlen werden an der Grenzfläche nicht nach unten, sondern nach oben reflektiert, um in der Warmluft bleiben zu können. Das Bild wird hier am Himmel projiziert.

Fata Morgana Beispiele – auf dem Meer

Abbildung 5: Foto einer Fata Morgana von einem Schiff auf dem Meer

Früher rankten sich viele Erzählungen um Geisterschiffe, die die Meere durchkreuzen. Heute lassen sich diese Geschichten oftmals ganz einfach mit einer Fata Morgana erklären.

In Wirklichkeit handelt es sich nämlich um eine verzerrte Spiegelung der Schiffe. Die Luftschicht knapp über der Meeresoberfläche wird durch das Meer abgekühlt und die Luftschicht darüber von der Sonne erhitzt. Aus diesem Grund erscheint die Fata Morgana in der Luft und nicht auf dem Wasser.

Die Lichtstrahlen werden auch hier an der Schichtgrenze in die Warmluft reflektiert. Da sich diese aber in der oberen Luftschicht befindet, werden Objekte nach oben, also in die Luft gespiegelt. Dann lassen sich in der Luft beispielsweise umgekehrte Schiffe entdecken, die auf Seefahrer*innen wie Festland wirken.

Befindet sich die Grenze der beiden Luftschichten auch hier wieder sehr weit oben, weil zum Beispiel das Meer eine sehr niedrige Temperatur hat und die Luft darüber extrem abkühlt, wird ein Bild weit entfernter Schiffe viel näher projiziert.