Refracción Atmosférica

El fenómeno de la refracción es responsable de nuestra capacidad para enfocar imágenes con una lente o con nuestro ojo. La refracción, o flexión de la luz, depende del índice de refracción del medio de transmisión. La cantidad de flexión puede ser muy grande en la superficie de una lente debido a su gran índice de refracción, generalmente alrededor de n = 1,5.

En la atmósfera se pueden observar varios fenómenos de refracción, pero las condiciones son bastante diferentes porque el índice de refracción del aire es muy pequeño, siendo un medio casi transparente. El índice de refracción del aire a temperatura y presión estándar (STP) es n= 1,00029 en comparación con exactamente 1 para el vacío. Las interesantes observaciones de los efectos de la refracción en la atmósfera surgen del hecho de que el índice de refracción varía con la temperatura y la presión, y del hecho de que las distancias para la observación pueden ser muy grandes, de modo que una pequeña cantidad de refracción produce efectos observables. La refracción conduce a la flexión de los rayos de luz hacia el medio más lento al pasar la interfaz, por lo que en el aire la luz tenderá a doblarse hacia el área de mayor presión, ya que la velocidad de la luz disminuye al aumentar la presión. También tenderá a doblarse hacia el área de temperatura más baja, ya que la velocidad de la luz será ligeramente menor.

Para la luz que proviene del exterior de la atmósfera terrestre, la mayor influencia sobre la velocidad de la luz es la presión atmosférica. Los rayos de luz entrantes del Sol o las estrellas se doblarán hacia abajo por refracción, en dirección a la Tierra. La flexión es significativa principalmente cuando la luz proviene de cerca del horizonte, cuando la luz tiene que viajar a través de un largo camino de aire. Para el Sol cerca de la puesta del sol, la refracción hará que el Sol aparezca más alto en el cielo de lo que está. Debido a esta refracción, el Sol está en realidad más allá de la dirección tangente a la Tierra cuando se ve el efecto del gran Sol rojo y, en raras ocasiones, el destello verde. Las estrellas cercanas al horizonte también aparecerán más altas en el cielo de lo que están debido a esta refracción.

Algunos de los efectos visibles de la refracción en la atmósfera son los espejismos, vislumbramientos, un Sol aplanado cerca del horizonte, el resplandor verde, la puesta de Sol roja y el centelleo de estrellas

Espejismos

Los espejismos se producen por refracción atmosférica y se ven principalmente en entornos donde hay grandes variaciones en la temperatura del aire, como en los desiertos o sobre cuerpos de agua fríos. La refracción que se produce cerca de la superficie de la Tierra se debe principalmente a los gradientes de temperatura donde los rayos de luz se doblarán hacia el lado más frío de una interfaz determinada.

La fotografía de arriba fue tomada en una calurosa carretera de Arizona en verano. La refracción desvía los rayos de luz desde el cielo brillante hacia arriba de la superficie caliente, produciendo un espejismo que tiene la apariencia de una superficie húmeda. Gallant se refiere a este tipo de espejismo como "espejismo de charco". La luz de los vehículos que avanzan hacia la superficie caliente se refracta hacia arriba, produciendo imágenes de espejismos debajo de los vehículos.

El espejismo inferior se produce cuando los rayos de luz de un objeto se acercan a una región más caliente y se refractan lejos del área caliente. En el espejismo del desierto, los rayos que se acercan a la superficie caliente se giran hacia arriba alejándose de la superficie. Si esos rayos ascendentes son interceptados por su ojo, verá la imagen de un espejismo que aparece debajo del objeto real. Siguiendo el patrón de Greenler para demostrar este tipo de espejismo, las cantidades de curvatura que se muestran en la ilustración están muy exageradas. Tales espejismos inferiores se ven típicamente desde una gran distancia y las curvaturas son mucho menores que las ilustradas.

La Línea de Fuga

Teniendo en cuenta el ejemplo del desierto, los rayos de un objeto se refractarán hacia arriba, hacia la región de aire más frío. Puede haber un nivel en el objeto de tal manera que todos los rayos de puntos por debajo de ese nivel se refractarán por encima de la posición del observador. Los puntos debajo de esa línea evanescente en el objeto, "línea de fuga", no serán vistos por el observador. El observador puede ver tanto el objeto por encima de la línea de fuga como los puntos correspondientes de un espejismo inferior por debajo de ese nivel.

Un buen ejemplo del fenómeno de la línea de fuga se puede encontrar en el sitio Atmospheric Optics.

La ilustración anterior sigue el modelo de otra en Greenler, basado en sus observaciones de los lagos en las latitudes del norte. La línea de fuga limita la cantidad de la línea de costa distante que es visible, y se muestra un espejismo inferior debajo de la línea de fuga. La ilustración anterior muestra el espejismo inferior en la misma escala vertical que el objeto, pero ese no es necesariamente el caso. Greenler señala que el espejismo inferior a menudo se comprime verticalmente. Con una mayor distancia de visualización, la línea de fuga se elevará y se verá menos objeto. Greenler señala que con un pequeño cambio en la altura de visión, como al inclinarse hacia abajo, puede ocurrir un cambio espectacular en la línea de fuga.

Algunos aspectos del gráfico anterior son hipotéticos, es decir, yo nunca había visto uno como este. Pero el enlace de arriba a Atmospheric Optics muestra que la luz refractada del cielo se refracta para hacer el espejismo, reemplazando la vista del agua debajo del horizonte geométrico. Como se muestra arriba, la luz refractada del cielo coincide en brillo y tono con la luz directa del cielo, lo que parece poco probable. Se esperaría un límite discernible entre la vista directa del cielo y la luz refractada del cielo. La extensión del espejismo del cielo se sitúa en la extensión de los árboles en el espejismo de las islas, pero esa extensión presumiblemente dependería del perfil de temperatura del aire alrededor de las islas.

Si bien es difícil anticipar la apariencia detallada de un espejismo, parece que esos detalles surgen de la naturaleza del perfil de la temperatura del aire frente a la altura. Una vez más, haciendo uso del trabajo de Robert Greenler con su permiso, considérese el conjunto propuesto de senderos de luz que conducen a una de las interesantes imágenes de veleros de los mares del norte.

Estos notables bocetos de los espejismos asociados con los barcos de vela fueron publicados por S. Vince, "Observaciones sobre una refracción inusual del aire, con comentarios sobre la variación a la que a veces están sujetas las partes inferiores de la atmósfera", Transacciones filosóficas del Royal Society of London 89, 436 [1799].

La siguiente ilustración, que se ha vuelto a dibujar con el permiso de Greenler, muestra cómo la imagen de la izquierda de arriba podría haber sido producida por refracción de la variación vertical de la temperatura del aire. Un aumento de temperatura produce una ligera disminución del índice de refracción, correspondiente a un ligero aumento de la velocidad de la luz en el aire. De una tabla publicada por NIST la disminución en el índice es de n=1,0002718 a 20°C a 1,000243285 a 50°C. El pequeño cambio en la velocidad de la luz a grandes distancias produce los efectos de refracción visibles.

Imágenes Superiores y Falsos Horizontes

Se puede producir un espejismo superior cuando existe aire caliente sobre agua fría. Nuevamente, usando el patrón de Greenler, la escala vertical y la curvatura se exageran mucho para mostrar el efecto. Tales espejismos a menudo se ven a grandes distancias en la región ártica cuando el aire es significativamente más cálido que el agua. Dado que la geometría de las imágenes de espejismo depende de los detalles del contorno de temperatura, se puede formar una gran variedad de imágenes de espejismo.

El espejismo superior puede aparecer como una imagen invertida sobre la vista del objeto real. Ejemplos del Gurney Journey

Una imagen como esta nave que parece estar flotando en el aire, de Explorersweb puede no clasificarse como un espejismo, sino como un horizonte perdido. La refracción más la reflexión y la bruma pueden oscurecer la vista del horizonte, aunque en este caso, con un examen detenido, puede encontrarse el sutil horizonte. .

Un video de YouTube sobre barcos flotando en el aire y otro que describe el mismo fenómeno muestran ejemplos de falsos horizontes. A veces, estas imágenes superiores se denominan "vislumbramientos" o fata morganas. El vislumbramiento se puede distinguir del fenómeno del horizonte perdido por el hecho de que el nivel del agua sube con el barco. El vislumbramiento es el fenómeno que puede permitirle ver un barco distante cuando está geométricamente debajo del horizonte.

Vislumbramiento

El efecto de vislumbramiento es el resultado de un espejismo superior. Un ejemplo típico es el espejismo de una nave formada sobre el agua fría en una zona donde la temperatura aumenta con la altura. La refracción dobla los rayos de luz hacia abajo, hacia el agua en este caso.

Los marineros siempre han sido conscientes de que, en las condiciones adecuadas, podrían ver un barco que estaba geométricamente sobre el horizonte, tal como podemos ver un Sol rojo después de que se haya puesto por debajo del horizonte debido a la refracción atmosférica. Ellos dirían que el barco está "flotando" sobre el horizonte. Dado que la visibilidad de este espejismo depende de los detalles del contorno de la temperatura del aire sobre el agua, puede haber una gran variedad en estas imágenes de espejismo. Los marineros observaron que los espejismos a veces se estiraban en dirección vertical, que ellos llaman "towering", y a veces se comprimían, en lo que llaman "stooping".

Hay una rica literatura sobre las variedades de vislumbramientos, particularmente de la región ártica. Gallant relata algunas de estas historias. Los vislumbramientos pueden parecer estar cerca, y pueden parecer grandemente aumentados (towering). El explorador polar Fridtjof Nansen una vez estuvo a punto de dispararle a uno de sus perros de trineo pensando que era un oso polar, porque formaba un espejismo agrandado. El capitán de un barco en Terranova vio lo que él creía que era un bote blanco adelante y estuvo a punto de girar para evitar embestirlo cuando de repente aleteó sus alas y se fué volando. ¡Es un espectacular aumento "towering", que una gaviota se parezca a un barco!

"La tripulación de un barco canadiense en el Ártico informó sobre el espejismo de un velero en la distancia que se veía boca abajo. La imagen era tan nítida que la tripulación podía distinguir las cuerdas del aparejo y podía ver a la gente moverse en la cubierta. "Dos meses más tarde, los barcos se encontraron. Cuando los capitanes compararon los registros de sus barcos, encontraron que en el momento del avistamiento los dos barcos ¡habían estado a 80 millas de distancia!" (de Gallant). La explicación sugerida para un espejismo visible a una distancia tan grande es la de una observación de la luz que viaja una larga distancia cuando una capa de aire más frío y más denso se encuentra entre dos capas de aire más cálido (una inversión de temperatura).

La imagen de la nave anterior es de un artículo de 1799 de S. Vance titulado "Observaciones sobre una Refracción Horizontal Inusual del Aire, con comentarios sobre las variaciones a las que están sometidas a veces las partes inferiores de la atmósfera", Transacciones filosóficas de la Royal Society de Londres 89.436.

Esta ilustración de cómo la luz puede quedar atrapada en una capa fría de la atmósfera es de Robert Greenler. Da un ejemplo de una fotografía de la cordillera de montañas de Alaska de la Universidad de Alaska, que está a más de cien millas de distancia.

Estas imágenes de espejismo también se han llamado "fata morgana" (ver wiki). "Es un término italiano que lleva el nombre de la hechicera artúrica Morgan le Fay, por la creencia de que estos espejismos, a menudo vistos en el Estrecho de Messina, eran castillos de hadas en el aire o tierra falsa creada con su brujería para atraer a los marineros a su muerte."

"Morgana (equivalente bretona de mujer del mar) según una leyenda celta y del romance artúrico, era una hada, media hermana del rey Arturo, que exhibió su poder por el espejismo. Los poetas italianos la representan como morando en un palacio de cristal bajo las olas. De ahí que, presumiblemente, el nombre Fata Morgana (italiano para Morgan le Fay, o Morgan el hada) fue dado, hace siglos, a esos complicados espejismos que ocasionalmente aparecen sobre el estrecho de Messina ... moldeando los acantilados y las casas de la costa opuesta, dibujando maravillosos castillos que, por igual, se elevan hacia el cielo y se hunden bajo la superficie; tampoco es extraño que este nombre poético para todos esos espejismos múltiples, se haya convertido en genérico, como lo ha hecho siempre que ocurren." (Humphreys, W. J., "Physics of the Air", 3rd Ed, Dover, 1940. Reprint 1964, pp 474-5.)

Abajo hay enlaces sobre ejemplos de vislumbramientos publicados:

Vislumbramiento del Sol	Espejismos de Destello Verde y Agrandamiento (towering) de Isla	Espejismo de Agrandamiento del Ártico, Alaska	Naves en el Aire - Wiki

Centelleo

El centelleo de una estrella se produce por la falta de uniformidad en el índice de refracción causado por la turbulencia del aire que recorre la luz de la estrella. Cualquier límite donde cambie el índice de refracción experimentará una curvatura o refracción de la luz. Las estrellas están tan distantes que aparecen como puntos de luz, por lo que ese punto de luz aparecerá danzar cuando se encuentra con diferentes "células" de la atmósfera que tienen diferentes temperaturas y/o densidades. Los planetas están tan cerca que se presentan como discos de luz, que tienden a un promedio de luz sobre varias células de la atmósfera y aparecen como más estables, a pesar de que a simple vista no se perciban que sean más grandes que las estrellas.

Pilares

Los pilares de Sol están causados por la reflexión de cristales de hielo que caen, a diferencia del halo de 22º y los perros del Sol que son fenómenos de refracción.

Los cristales de hielo en la atmósfera a menudo forman cristales planos hexagonales. A medida que tales cristales caen a través de la atmósfera e interactúan con el aire, tienden a orientarse paralelamente a la Tierra, pero tienen una variación suficiente en sus ángulos para reflejar hacia abajo y desde varias alturas los rayos del Sol hacia los ojos de los observadores. Esto da la apariencia de un pilar de luz en el cielo.

Los pilares también pueden producirse por las luces brillantes de una ciudad en la noche, pero esas son fuentes divergentes y las columnas de luz son mucho más estrechas, -como líneas de luz verticales-. Solo los cristales de hielo de la fuente de luz en una columna vertical muy estrecha pueden reflejarse en los ojos del espectador..

A continuación se encuentran enlaces a ejemplos publicados sobre pilares de sol y otras imágenes de pilares de luz:

Imagen Astronómica del Día	El Tiempo en Línea	Pilar de Luz wiki	El Cielo de la Tierra

Rayos Crepusculares

Cuando la estructura de la nube es la adecuada, los rayos o haces de luz pueden parecer que se abren en abanico radialmente desde un Sol muy bajo. Los rayos del Sol a 93 millones de millas de distancia son paralelos, pero en el contexto de los rayos crepusculares parecen divergir debido a la estrechez de la perspectiva sobre la larga trayectoria en la que son visibles (como la aparente convergencia de las vías del ferrocarril cuando se mira por una larga vía recta). En condiciones raras, los rayos crepusculares se extienden a través del cielo hasta el final y aparecen converger de nuevo en el horizonte en el lado opuesto del Sol.

Este boceto intenta coincidir con la perspectiva de la imagen de los rayos crepusculares sobre Reno que viene a continuación.

También hay enlaces a ejemplos publicados de rayos crepusculares

Rayos sobre Reno de Wiki	Rayos sobre Plymouth Sound, RU de Wiki	Rayos Espaciales sobre la India de Wiki	Astro Bob