Słońce, które właśnie zachodzi, tak naprawdę zaszło kilka minut temu. To, co widzimy, to jego obraz podniesiony przez powietrze.
Wiemy już z Rozdziału 1, że powietrze jest gęstsze przy ziemi i coraz rzadsze w górę. Wiemy z Rozdziału 3, jak zachowuje się światło, gdy spotyka cząstki — i że każdy materiał ma swój współczynnik załamania, czyli liczbę mówiącą, ile razy wolniej idzie w nim światło niż w próżni. Tam wspomnieliśmy tylko mimochodem, że od tej liczby zależy też, jak mocno światło skręca. Teraz zajmiemy się właśnie tym: zmianą kierunku na granicy ośrodków o różnej gęstości.
Zna ją każdy, kto kiedykolwiek włożył łyżeczkę do szklanki z wodą i zobaczył, że wygląda na złamaną. Światło biegnie w wodzie nieco wolniej niż w powietrzu, a przy przejściu skośnym przez granicę zmienia kierunek. To jest załamanie, czyli refrakcja. A wolniej biegnie dlatego, że każda cząsteczka wody, rozkołysana przez falę, odsyła własną maleńką falkę z lekkim opóźnieniem, a suma fali pierwotnej i milionów takich spóźnionych odpowiedzi posuwa się naprzód wolniej niż sama fala. Im gęściej upakowane cząsteczki, tym więcej opóźnień po drodze — dlatego gęstsze powietrze też spowalnia światło, choć o wiele słabiej niż woda.
W atmosferze nie ma żadnej ostrej granicy, jest za to płynna zmiana gęstości. Efekt jest ten sam, tylko rozłożony: promień nie skręca raz, tylko zakrzywia się stopniowo na całej drodze. I zakrzywia się zawsze w tę samą stronę — ku warstwie gęstszej.
Ponieważ przy ziemi powietrze jest gęstsze, promień biegnący do nas z niska wygina się delikatnie w dół. My tego nie wiemy i, jak zawsze, zakładamy, że przyszedł po linii prostej — więc widzimy jego źródło wyżej, niż jest naprawdę.
To jest cały mechanizm. Wszystko dalej to pytanie, jak dokładnie gęstość zmienia się z wysokością w danym miejscu i o danej porze.
Na pierwszy rzut oka to zagadka. Między cząsteczkami wody jest pusto, a w pustce światło biegnie zawsze z tą samą prędkością. I rzeczywiście: żaden kawałek fali po drodze nie hamuje. Zwalnia dopiero ich suma.
Suma fali i spóźnionych odpowiedzi. Fala przechodząca przez materiał kołysze elektronami każdej cząsteczki, a każdy rozkołysany elektron wysyła własną falkę w tej samej barwie — to jest rozpraszanie z Rozdziału 3. Do przodu, w kierunku biegu fali, falki z całej cienkiej warstwy cząsteczek dodają się w jedną słabą falę. Ta fala jest jednak przesunięta względem pierwotnej o ćwierć drgania — to czysta geometria: falki z cząsteczek leżących z boku mają do nas odrobinę dalej niż te z najbliższego miejsca warstwy, więc przychodzą odrobinę później, i ich suma wychodzi spóźniona. Dodanie do fali słabej fali spóźnionej o ćwierć drgania daje falę trochę opóźnioną. Każda kolejna warstwa cząsteczek dokłada swoje maleńkie opóźnienie, a grzbiety fali, przychodząc coraz później, wyglądają dokładnie tak, jakby fala szła wolniej.
Ile wolniej. Mierzy to współczynnik załamania:
Dla powietrza przy ziemi n wynosi około 1,0003, więc światło idzie w nim wolniej zaledwie o trzy setne procenta. Dla wody n ≈ 1,33: światło biegnie w niej z prędkością około 225 000 km/s. Tak mała różnica w powietrzu wystarcza, żeby przy horyzoncie podnieść Słońce o całą szerokość tarczy, bo promień idzie przez gęste powietrze setki kilometrów.
Skąd n się bierze. Model elektronu na sprężynce z Rozdziału 3 daje go wprost:
Refrakcję w atmosferze w liczbach, razem z zielonym błyskiem, rozpisuje Dodatek G; polaryzowalność lodu, wody, pyłu i sadzy — Dodatek C.
Efekt refrakcji rośnie gwałtownie, im niżej patrzymy — bo tym dłuższą drogę promień pokonuje w gęstym powietrzu przy ziemi. Dokładnie przy horyzoncie podniesienie wynosi około 34 minuty kątowe, czyli nieco ponad pół stopnia.
Tarcza Słońca ma średnicę mniej więcej 32 minuty kątowe. Te dwie liczby są prawie identyczne i to prowadzi do sytuacji, którą warto sobie porządnie wyobrazić: w chwili, gdy widzimy Słońce dolnym brzegiem dotykające horyzontu, całe jest już geometrycznie pod nim. Widzimy obraz. Rzecz zaszła.
Skutek uboczny: doba jest dłuższa, niż wynikałoby z geometrii. Refrakcja dokłada nam w Polsce kilka minut światła rano i kilka wieczorem — łącznie kwadrans dnia, którego bez atmosfery byśmy nie mieli.
Drugi skutek widać gołym okiem i jest to najprostszy dowód całej sprawy, jaki można sobie wyobrazić. Dolny brzeg tarczy jest bliżej horyzontu niż górny, więc jest podnoszony silniej. Koło robi się elipsą. Zachodzące Słońce jest wyraźnie spłaszczone, mniej więcej o jedną piątą wysokości — i wystarczy raz na to spojrzeć uważnie, żeby zobaczyć.
Jeśli warstwy powietrza przy horyzoncie mają nierówną temperaturę, spłaszczenie zamienia się w coś dziwniejszego: tarcza dostaje karby, stopnie, czasem odrywa się jej fragment. Nad Bałtykiem, przy zimnej wodzie i ciepłym powietrzu, potrafi wyglądać jak grecka waza. Nazywa się to zachodem etruskim i nie jest wcale rzadkie — po prostu trzeba patrzeć przez lornetkę i akurat wtedy, gdy Słońce już nie razi.
Przez lata zielony błysk uchodził za marynarskie zmyślenie albo za powidok w zmęczonym oku. Jest jednym i drugim jednocześnie — bo powidoki naprawdę istnieją i naprawdę bywają zielone — ale samo zjawisko jest w pełni realne, wielokrotnie sfotografowane i całkiem dobrze rozumiane.
Mechanizm składa się z dwóch części. Pierwsza: refrakcja nie działa jednakowo dla wszystkich barw. Krótsze fale są zakrzywiane odrobinę mocniej, bo leżą odrobinę bliżej ultrafioletowych rezonansów azotu i tlenu — ich ulubionego tempa drgań — więc chętniej rozkołysują elektrony i bardziej zwalniają. Tę zależność załamania od barwy nazywamy dyspersją. Dlatego obraz zielony jest podniesiony minimalnie wyżej niż czerwony. Różnica to ułamek minuty kątowej — sama z siebie kompletnie niezauważalna.
Druga część to powód, dla którego mimo wszystko coś widać. Gdy ostatni skrawek tarczy znika za horyzontem, czerwona wersja obrazu chowa się pierwsza, a zielona zostaje przez ułamek sekundy sama. Zwykle jest to zbyt małe i zbyt krótkie. Ale jeśli akurat panują warunki mirażowe — a o nich za chwilę — obraz zostaje powiększony w pionie i ta ostatnia zielona kreska rozciąga się na tyle, że widać ją gołym okiem.
Dlatego zielony błysk to w praktyce zjawisko dwuskładnikowe: dyspersja daje kolor, a miraż daje powiększenie. I dlatego widuje się go głównie nad morzem, gdzie różnice temperatury wody i powietrza tworzą warunki mirażowe niemal codziennie.
Nad Bałtykiem da się go zobaczyć. Potrzebny jest czysty horyzont morski, dobra widoczność aż do samej linii wody i cierpliwość: obserwujemy ostatnie sekundy zachodu, patrząc na sam skrawek tarczy. Nie należy patrzeć wcześniej — Słońce, które jeszcze razi, spali nam adaptację i zafunduje powidok, który potem weźmiemy za zjawisko.
Miraż to złudzenie — coś, co nam się wydaje.
Miraż to realny obraz optyczny, wytworzony przez zakrzywienie promieni w powietrzu o silnym gradiencie temperatury. Da się go sfotografować, zmierzyć i przewidzieć. Aparat „widzi" go tak samo jak my.
Słowo „złudzenie” sugeruje błąd zmysłów i zamyka temat, zamiast go otwierać. Tymczasem jedyne, co jest tu złudne, to nasze założenie, że światło biegło prosto — a to założenie zawodzi także wtedy, gdy patrzymy na zachodzące Słońce.
Miraże dzielą się na dwa rodzaje i różnią się wyłącznie tym, gdzie jest cieplejsze powietrze.
Miraż dolny powstaje, gdy tuż nad podłożem jest warstwa bardzo gorącego, a przez to rzadkiego powietrza. Rozgrzany asfalt, piasek pustyni, dach samochodu w upał. Promienie biegnące do nas z dołu wyginają się wtedy ku górze i docierają do oka z dołu — a my, konsekwentni jak zawsze, interpretujemy je jako odbicie. Widzimy więc pod obiektem jego odwrócony obraz, jakby leżał w kałuży. Nic się tu jednak nie odbija: promienie po prostu łagodnie zawracają w gorącej warstwie ku górze. Ta „woda" na drodze w upalny dzień to niebo, którego światło zakręciło tuż nad asfaltem.
Miraż górny to sytuacja odwrotna: nad zimną powierzchnią — morzem, lodem, śniegiem — leży warstwa cieplejszego powietrza. Promienie wyginają się wtedy w dół i docierają do nas znad obiektu. Widzimy przedmioty uniesione, rozciągnięte w pionie, czasem wywrócone do góry nogami nad prawdziwym obrazem, a niekiedy takie, które są fizycznie za horyzontem.
Ta ostatnia możliwość jest naprawdę zdumiewająca. Przy odpowiednim ułożeniu warstw powietrze działa jak falowód: promienie zakrzywiają się w nim raz w dół, raz w górę, jakby odbijały się od niewidzialnych ścian, i biegną wzdłuż zakrzywienia Ziemi, zamiast uciekać w kosmos. Dzięki temu widuje się nad Bałtykiem szwedzkie brzegi, a nad Adriatykiem — przeciwległy ląd. Statek, który zniknął już za horyzontem, potrafi wrócić do widoku, unosząc się nad wodą.
Fatamorgana to najbardziej rozbudowana odmiana mirażu górnego: obraz jest wielokrotnie powtórzony i rozciągnięty w pionie tak silnie, że zwykły daleki brzeg albo skała zamienia się w pionowe ściany, wieże i mury. Stąd nazwa, od czarodziejki Morgany, i stąd cała rodzina opowieści o miastach widzianych na morzu.
Kiedy Słońce świeci zza dziury w chmurach, widać czasem wyraźne, jasne pasma rozchodzące się wachlarzowo w dół. Nazywa się je smugami słonecznymi albo, mniej fachowo, drabiną Jakuba.
Nasuwa się wniosek, że promienie rozchodzą się ze Słońca na boki. To nieprawda i to z dwóch powodów naraz. Po pierwsze, Słońce jest tak daleko, że jego promienie docierają do nas praktycznie równoległe — rozbieżność jest niemierzalna. Po drugie, gdyby naprawdę się rozchodziły, cienie przedmiotów na ziemi też by się rozchodziły, a przecież są równoległe.
Wachlarz to perspektywa. Patrzymy wzdłuż wiązki równoległych smug, a równoległe linie widziane w głąb zawsze zbiegają się w jednym punkcie — dokładnie tak jak tory kolejowe albo słupy przy drodze. Punkt zbiegu wypada w miejscu Słońca.
Najładniejszy dowód dostajemy wtedy, gdy smugi są tak długie, że przechodzą przez całe niebo i pojawiają się także po przeciwnej stronie, zbiegając się w punkcie dokładnie naprzeciw Słońca. Nazywa się je wtedy przeciwsmugami. Gdyby promienie naprawdę się rozchodziły, dwa punkty zbiegu byłyby niemożliwe.
I jeszcze jedno, o czym łatwo zapomnieć: smugi widać wyłącznie dlatego, że w powietrzu jest na czym rozpraszać. W idealnie czystym powietrzu wiązka światła jest niewidoczna — widzimy nie promień, tylko pył i kropelki oświetlone przez promień. To znowu Rozdział 3, tym razem w roli warunku widoczności.
Gdzie w Polsce szukać mirażu górnego. Wybrzeże Bałtyku wiosną, gdy woda jest jeszcze zimna po zimie, a powietrze już ciepłe — to najlepszy możliwy układ. Patrzymy przez lornetkę wzdłuż linii horyzontu w pogodny, bezwietrzny poranek. Statki wyglądają wtedy na rozciągnięte w pionie albo unoszą się nad wodą, a przy dużym szczęściu wracają zza horyzontu.
Miraż dolny mamy za darmo. Latem, na prostej drodze asfaltowej, w środku dnia. Patrzymy jak najniżej — najlepiej przykucnąć albo obserwować z pozycji siedzącej w samochodzie. Im mniejszy kąt patrzenia, tym efekt silniejszy, bo promień ma dłuższą drogę w gorącej warstwie.
Migotanie gwiazd i drżące powietrze to to samo. Turbulentne mieszanie powietrza o różnej temperaturze tworzy bezustannie zmieniające się soczewki, przez które obraz punktowego źródła skacze i zmienia jasność. To dlatego gwiazdy migoczą, a planety — będące małymi tarczami, nie punktami — migoczą znacznie mniej. To także powód, dla którego zdjęcia teleobiektywem w upalny dzień wychodzą nieostre, choć ostrość jest ustawiona prawidłowo.
Kończymy część o świetle. Wiemy już, co powietrze robi ze światłem — rozprasza je i zakrzywia. Teraz zajmiemy się tym, co robi z wodą, bo to z niej zbudowane jest wszystko, co dalej. Zaczniemy od zdania, które brzmi jak prowokacja, a jest po prostu prawdziwe: para wodna jest całkowicie niewidzialna, więc wszystko, co widzimy nad czajnikiem, parą wodną już nie jest.