سراب پدیده ای علمی و تماشایی - مهندس احمد نوحي

توصيف:
با شنيدن نام سراب معمولا اولين تصاويري كه به ذهن خطور مي كند ، همان صحنه هاي خيال انگيز ويژه ازآب و تاب كارتوني هستندكه همگي كمابيش با آنها آشنا هستيم . مناطق سرسبز و زمين هاي پوشيده از نخل گرمسيري همراه آبگير يا بركه اي زيبا با آب زلال كه البته تمامي به محض رسيدن قهرمان داستان يكباره نيست و ناپديد مي شوند .

اما آنچه بخواهيد در واقعيت و به دور از اين خيال پردازي هاي سينياتوري و استادانه سراب را بررسي كنيم بايد پذيرفت كه اين هوا گرم است. شدت نور خورشيد چشم هايت را آزار مي دهد .براي هيجان كوير پا به اين جا گذاشته اي. چندين راهنما خبره همراه يات م يكنند و آب هم به اندازه كافي به همراه ات داري. اين گونه است كه درياچه زلال و زيبايي كه در دور دست ديده مي شود سرابي دلپذير به نظرت م يآيد. اما واي به روزي كه بي آب و سايه بان و پاي پياده به كوير بزني.

براي آنها كه تشنگي چندين روزه در كوير را تجربه مي كردند، سراب، شوخي زشت و بي مزه كوير است. اما براي آنان كه به كشف اسرار كوير م يروند يكي از زيباي يهاي منحصر به فرد كوير قطعا سراب است. سراب در حقيقت شكست نور است و دقيقا زماني رخ مي نمايد كه شاهد يك جا به جايي و تغيير بسيار سريع در چگالي هوا و اتمسفر جو هستيم ، يعني زماني كه يك لايه هوا به مقدار نسبتا زيادي گر متر از سطح مجاورش باشد.پديده كاملا علميتقريبا هيچ تناسبي با شكل نمايشي و كارتوني خود ندارد .

به طور كلي در بيشتر انواع اين پديده شيئي چنان بازتاب مي يابد كه گويي بركه اي از آب در آن مكان و زير اين شيئوجود دارد . در واقع اگر در جستجوي يك سراب واقعي و طبيعي هستند ، بايد سري به مناطق گرمسيري بزنيد و معمولترين آنها را در بزرگراه ها ودر سطح جاده هاي آسفالته مشاهده كنيد.

اغلب در جاد ههاي آسفالته مستقيم يا در بيابانها ، منظره آب يا برك هاي ديده مي شود، كه وقتي بسوي آن حركت مي كنيم،آن هم با همان سرعت و در همان جهت پيش مي رود، يا وقتي نزديكش مي شويم، از نظر محو مي گردد. اين منظره سراب است. سراب يك فريب طبيعت است كه در شرايط معين جوي چشم ما را دچار خطاي ديد م يكند.

اگر بخواهيم علت تشكيل سراب را عنوان كنيم اولين مرحله تابيدن پرتوهاي نور خورشيد بر سطح زمين و گرم شدن اناست.لايه هاي هوا كه در نزديكي سطح زمين قرار دارند نسبت به لايه هاي بالايي گرمتر و رقيقتر مي شوند. سپس پرتوهاي نور كه از خورشيد به سوي سطح زمين منتشر مي شوند از لايه هاي غليظ تر كه به لايه هاي رقيق تر مي رسند شكست مي يابند و از خط عمود دورتر مي شوند و زاويه ي تابش ان ها به زاويه ي حد نزديك مي شود. هنگاميكه زاويه ي تابش به حد برسد پرتو نمي تواند از محيط غليظ به محيط رقيق تر پايين برسد و در نتيجه بازتابش كلي مي يابد و به سوي بالا باز مي گردد.اين پرتو ضمن برخورد با مولكول ها ي هوا رنگ ابي را بيش از ساير رنگ ها پراكنده مي كنند و باعث ميشود كه ناظر رنگ ابي را بر سطح زمين ببيند و تصور كند كه درياچه اي برابر او قرار دارد...

چرا سراب پديد مي آيد؟
اصل و ريشه اين پديده را بايد در شيوه حركت نور در محيطهاي مختلف و به تبع آن پديده شكست و انكسار نور بررسي كرد. پرتوهاي نور در عبور از محيطهايي با غلظتهاي متفاوت تغيير جهت داده و به عبارتي مي شكنند، مثل عبور نور از هوا به آب و يا از هواي گرمتر به هواي سردتر و علت هم به تغيير سرعت نور در محيطهاي متفاوت بر م يگردد .

در روزهاي گرم ، پرتوهاي خورشيد كه به سطح زمين م يرسند، آن را گرم مي كنند. لايه هاي هوايي كه نزديك سطح زمين قرار دارند، نسبت به لاي ههاي بالايي ، گرمتر و در نتيجه رقيقتر مي شوند. حال پرتوهاي خورشيد براي رسيدن به سطح زمين بايد از محيط غليظ وارد محيط رقيق شوند، لذا پرتوهاي شكست مربوط به آنها از خط عمود دورتر م يشوند. زماني كه پرتوهاي تابشي خورشيد به زاويه حد (اگر تابش از محيط غليظ با ضريب شكست بالا بر محيط رقيق با ضريب شكست پايين صورت بنابراين قانون اسنل با اين شرايط ، مبهم مي شود .زيرا (n1>n گيرد ( 2بزرگتر از واحد شود .پس يك sin r هاي بزرگ i 1)بنابر اين احتمال دارد، براي < n2/1n) كه در آن (sin r=n1/n2 sin i) هست. r= را به ما دهد كه برابر واحد يا زاويه اش 90 sin r زاويه بحراني تعريف مي كنيم كه حد بيشينه را كه از رابطه زير يافت مي شود (c=i) خواهيم داشت زاويه حد sin r= يعني به ازاي 1: (c=arcsinn2/n1) از كلمه لاتين c خواهد شد. بهتر است بدانيد كه c~ بنابراين درجه 41 :n= به عنوان مثال اگر تابش از هوا بر شيشه باشد داريم 1.5 به معني بحراني اخذ شده است.) م يرسند. ديگر وارد لايه رقيق نخواهند شد. در نتيجه بازتابش داخلي كلي( اگر تابش Critical صورت گيرد و نيز زاويه تابش از زاويه حد بزرگتر باشد يعني ( n بر محيط رقيق كوچك ( 2 ( n از محيط غليظ بزرگ( 1در اين صورت هيچ نوري بر محيط دوم عبور نمي كند و بر خلاف زاويه حد در مرز مشترك محيط ها نيز نوري i >arcsin n2/n1 مي نامند كه با (Total Internal Reflection) نخواهيم داشت .اين بازتابش كامل نور به محيط اول را پديده بازتابش داخلي كلي نمايش مي دهند.) رخ داده و اين پرتوها به سمت بالا بر م يگردند. TIR علامت اختصاري پرتوهاي بازتابي ضمن برخورد با ذرات هوا ، رنگ آبي را بيش از ساير رنگها پراكنده كرده و موجب مي شوند، كه ناظر رنگ آبي را روي سطح زمين ببيند. و تصور كند كه آنجا برك هاي وجود دارد. به بيان ساد هتر لايه هوا مانند آينه عمل كرده و آسمان را در خود منعكس مي كند و آن را به شكل بركه آبي در برابر ديدگان ما هويدا مي سازد. در اين هنگام است كه با يك سراب روبرو مي شويم. در زمينهايي كه بطرف بالا شيب دارند، پرتوهاي بازتابي بيشتري به ما م يرسد و احتمال رؤيت سراب افزايش مييابد .

به صورت ديگر علت پيدايش سراب را مي توان اينگونه بيان نمود كه در روزهايگرم ، پرتوهاي خورشيد كه به سطح زمين مي رسند، آن را گرم مي كنند. لايه هايهوايي كه نزديك سطح زمين قرار دارند، نسبت به لايه هاي بالايي ، گرمتر و در
نتيجه رقيقتر مي شوند.حال پرتوهاي خورشيد براي رسيدن به سطح زمين بايد از محيط غليظ وارد محيطرقيق شوند ، لذا پرتوهاي شكست مربوط به آنها از خط عمود دورتر مي شوند.

زماني كه پرتوهاي تابشي خورشيد به زاويه حد مي رسند. ديگر وارد لايه رقيق نخواهند شد. در نتيجه بازتابش داخلي كلي رخ داده و اين پرتوها به سمت بالا برمي گردند . پرتوهاي بازتابي ضمن برخورد با ذرات هوا ، رنگ آبي را بيش از ساير رنگها پراكنده كرده و موجب مي شوند، كه ناظر رنگ آبي را روي سطح زمين ببيند. و تصور كند كه آنجا بركه اي وجود دارد. به بيان ساده تر لايه هوا مانند آينه عمل كرده و آسمان را در خود منعكس مي كند و آن را به شكل بركه آبي در برابرديدگان ما هويدا مي سازد. در اين هنگام است كه با يك سراب روبرو مي شويم. در زمين هايي كه بطرف بالا شيب دارند، پرتوهاي بازتابي بيشتري به ما مي رسد و احتمال رويت سراب افزايش مي يابد كلا شاخص شكست هوا بر حسب تغييرات دانستيه آن تغيير مي كند درنتيجه نوري كه از ميان لايه هاي جو بالا با دانستيه هاي مختلف عبور مي كند شكسته مي شود. بنابراين اجسام ممكن است به نظر برسد كه در موقعيت هاي غير واقعي قرار گرفته اند واغلب تغيير شكل يافته به نظر مي رسند. پديده شكست نور از اين نوع را سراب مي نامند سراب و شرحي ديگر اصل و ريشه ي اين پديده را بايد در شيوه ي حركت نور در محيط هاي مختلف و به تبع آن پديده ي شكست و انكسار نور بررسي كرد . همان طور كه مي دانيد پرتوهاي نور در عبور از محيط هايي با غلظت هاي متفاوت تغيير جهت داده و به عبارتي مي شكنند ، مثل عبورنور از هوا به آب و يا از هواي گرمتر به هواي سردتر و علت هم به تغيير سرعت نور در محيط هاي متفاوت بر مي گردد . سراب دقيقاً زماني رخ مي دهد كه شاهد يك جابجايي و تغيير بسيار سريع در چگالي هوا و اتمسفر جو هستيم : يعني زماني كه يك لايه هوا به مقدار نسبتا زيادي گرمتر از سطح مجاورش باشد . اين اتفاق معمولا در روزهاي گرم تابستان روي مي دهد ، به شكلي كه سطح يك جاده آسفالته كه زير تابش مستقيم خورشيد به شدت داغ شده است .لايه هوايي را كه دربالاي آن قرار دارد ، كاملا گرم مي كند و در نتيجه سبب ايجاد تفاوتي فاحش ميان چگالي هواي اين لايه و لايه هاي بالايي آن مي شود . بدين ترتيب با عبور نور از اين سطوح متفاوت جهت آن به سمت بالا تغيير مي يابد و سراب ايجاد مي شود.

براي بارزتر شدن قضيه به اين نكته توجه كنيد كه به طور معمول پرتوهاي بازتابي از يك شيئ مثلا يك خودرو در جهت هاي متعددي درفضا حركت مي كنند و يك جسم تنها در زماني قابل رويت خواهد بود كه گوشه اي از اين پرتوها با مردمك چشم برخورد كنند دريك روز كاملا ابري ، شما تنها همان نوري را مي بينيد كه به طور مستقيم از جسم به سوي چشمانشان بازتاب مي يابد ، اما در روزهاي آفتابي شرايط كمي متفاوت است در اينجا آن پرتوهايي كه به طور مستقيم از شيئي به سوي چشم ها حركت مي كنند همان وضعيت قبلي تكرار مي كنند . اما علاوه بر اين پرتوهايي نيز وجود دارند كه اداره كل هواشناسي استان قم ٥١ اداره پيش بيني وتحقيقات اقليمي و هواشناسي كاربردي به سمت زمين حركت مي كنند اين پرتوها در عبور از لايه سردتر و چگالي تر بالايي به لايه گرمتر و سبك تر پائيني
شكسته و به طرف چشمانش باز مي تابنددر نتيجه اين فرآيند ، شما شاهد 2 تصوير يكسان از شيئ خواهيد بود ، يكي روي جاده و ديگري در سطح آن مغز انسان تنها قادر به درك حركت نور در مسير مستقيم است ، بنابراين چنين به نظر مي آيد كه در سطح جاده چاله اي پر از آب وجود دارد كه تصوير دوم حاصل از انعكاس تصوير اول در داخل اين آب است . از اين نوع سراب به عنوان سراب پائيني و يا فرعي( سراب پست ) ياد مي شود چرا كه شكل گيري آن در زير خط افق است. سرابهاي بالاتر و اصلي( سراب مرتفع) انواعي هستند كه در بالاي خط افق ظاهر مي شوند . اين نوع سراب در چشماندازهاي پوشيده از يخ و يا آبهاي بسيار سرد روي مي دهد.

جايي كه يك لايه بسيار سردتر از هوا زير لايه نسبتاً گرمتر قرار گرفته است و همين باعث مي شود سراب خيلي بالاتر از سطح معمول آن ظاهر شود. مشاهده ي قايق هايي كه در هوا شناورند بر اثر همين شكل سراب است . در اين نوع معمولاً شيئ بازتابي از اندازه هاي اوليه ي خود خارج شده و تصويري غير واقعي و بسيار بزرگتر را به نمايش مي گذارد. پديده سراب از خرداد تا شهريور، زماني كه هوا بسيار گرم است بسيار ديده م يشود مه مترين خصيصه در بهتر ديدن سراب رطوبت است كه با دماي هوا نسبت مستقيم دارد.

هر چه هوا گرم تر باشد رطوبت در لاي ههاي نزديك به زمين بيشتر است و احتمال ديده شدن سراب هم افزايش مييابد.ورزش باد بايد جزيي باشد و يا اصلا وجود نداشته باشد تا سراب به خوبي به چشم بيايد. لايه اي بودن آسمان هم به خوب ديده شدن سرابكمك م يكند اگر چه در هواي ابري هم م يتوان سراب را ديد.

سراب در دريا
سراب در دريا نيز بصورت معكوس ديده مي شود. البته اين در جايي است كه هواي مجاور آب ، سرد بوده و در بالاي آن نيز هواي گرمي قرار گرفته باشد، آنگاه كشتيهايي كه از دور م يآيند و در پشت افق پنهانند، بوسيله اين هواي گرم طوري منعكس م يشوند كه ما آنها را در آسمان شناور مي بينيم. در اين حالت معمولاً شيئ بازتابي از اندازه هاي اوليه خود خارجشده و تصويري غير واقعي و بسيار بزرگتر را به نمايش ميگذارد.

يكي از سرابهاي معروف در جزيره سيسيل در تنگه مسينا رخ م يدهد. در شرايط جوي مذكور شهر مسينا در آسمان منعكس م يشود و افرادي كه در آبهاي تنگه مجاور كشتيراني م يكنند، اين شهر را در هوا شناور مي بينند. ايتاليائيها نام اين سراب را فاتامورگانا گذاشت هاند، زيرا گمان مي كنند كه جني به نام مورگان آن را پديد آورده است.

سراب كيهاني
با وجود پيشرف تهاي زيادي در زمينه كيهان شناسي ، معمايي كه هنوز هم حل نشده ، مقدار چگالي ماده موجود در جهان است. چون قسمت نامشخصي از ماده بصورت نامرئي است، امكان دستيابي به مقدار آن براي اخترشناسان تقريبا غير ممكن است. ولي اخيرا آنها پديده تاز هاي كشف كرد هاند كه نويد روشن كردن بسياري پرسشها را پيرامون مقدار تام ماده مرئي و نامرئي در كائنات و پراكندگي آن را در فضا به ما مي دهد. اين كشف عبارتست از پديده سرابهاي جاذب هاي .

سراب هاي گرانشي
"سرابهاي جاذبه اي" زماني حاصل مي شوند كه دو ستاره يا بيشتر كه در فاصل ههاي متفاوتي از زمين واقع شد هاند، بصورت كامل با كره زمين روي يك خط قرار گيرند و بنظر برسد كه در آسمان باهم برخورد كرد هاند. روشنايي دورترين ستاره براي رسيدن به ما بايد از ميدان گرانشي نزديكترين ستاره بگذرد و در اين عبور منحرف م يشود. اين انحراف روشنايي يك تغيير شكل و حتي نوعي تكثير تصوير از ستاره پديد ميآورد.

پيش بيني سراب
آلبرت انيشتين در سال 1936 با استفاده از نسبيت عمومي نشان داد كه اگر از ديد ناظر رصد كننده ، دو ستاره با كره زمين روي يك خط قرار گيرند، دورترين ستاره علاوه بر تصوير عادي خود كه يك نقطه است، تصوير ديگري به شكل يك حلقه نوراني در اطراف آن نقطه روشن ، پيدا خواهد كرد .اين حلقه نوراني ، نوعي سراب كيهاني و نوعي توهم بصري است زيرا در عالم حقيقت وجود ندارد .آلبرت انيشتين همخط شدن دو ستاره با زمين را امري بسيار غير محتمل م يدانست و اين پديده را فقط بصورت تئوري ارايه داده بود .

سراب پست
سرابهاي پست در روي سطوح گسترده جائي كه هواي نزديك زمين گرمتر (بنابراين دانسيته كمتر دارد ) از هواي بلافاصله بالاي آن است اتفاق مي افتد . اين نوع سراب ها خيلي زياد در نواحي بياباني ديده مي شود ولي ممكن است در روي سطوح هموار جاده ها ، سواحل، درياها، باند فرودگاهها و غيره نيز اتفاق بيافتد . اجسامي كه نزديك افق قرار دارند بنظر ميرسد در داخل استخر آبي منعكس شده اند و تصويري در زير سطح افق بدست مي دهند .آنچه كه در واقع رخ مي دهد آن است كه اشعه هاي كه از آسمان بطرف پائين مي آيند همانطوريكه وارد هواي گرمتر و رقيق تر نزديك سطح زمين مي شوند با شيب ملايمي بطرف بالا شكست پيدا كرده و به چشم ناظر ميرسند . در اين موقع ناظر دچار اشتباه بينائي شده و فكر مي كند اين اشعه ها از سطح آب شفاف به چشم او مي آيد . در حاليكه تصوير اجسام روي زمين معكوس شده بنظر مي رسند .شكل زير اين اثر را نشان مي دهد . چنانچه زاويه تابش خيلي كوچك باشد در اينصورت شكست نور براي جلوگيري از برخورد اشعه ها با زمين غير كافي مي باشد . بنابراين فقط اجسام نزديك افق ايجاد سراب مي كنند . روشنائي با پرتو ضعيفي كه در اثر جريانات جابجائي صعودي( كنوكشن) كم عمق ايجاد مي شود و همينطور انعكاس قسمتي از آسمان آبي ، ممكن است اشتباه بينائي ناشي از شكست را در سطح آب شديدتر بنمايد .

سراب مرتفع
در مقابل سراب پست، در روي هر سطح مسطح گسترده در صورتي كه هواي نزديك زمين خيلي سردتر از هواي بالاي آن باشد . يعني وارونگي دما مشخصي وجود داشته باشد سراب مرتفع ديده مي شود . در چنين شرايطي اجسام نزديك افق بنظر مي رسد بطور عمودي بالاتر از موقعيت مكاني واقعي خود گسترده يافته اند . در حالت هاي حدي اجسام زير افق ممكن است مرئي شوند . شكل زير نشان مي دهد كه چگونه اشعه هاي نوراني در موقع ورود به هواي سردتر و غليظ تر نزديك سطح زمين بطرف پائين خم مي شوند . سراب نوع مرتفع بيشتر در نواحي جنب قطبي ديده مي شوند . ولي بهرحال اين نوع سراب ها در ساير مناطق در روي سطوح خشكي ( بويژه در روي زمينهاي پوشيده از برف) يا در روي دريا هنگاميكه هواي خشك در بالاي يك وارونگي كم عمق سطح زمين وجود داشته باشد نيز ممكن است ديده شوند . در اين بخش اثرات تابش مرئي مورد بحث قرار گرفت . ساير شكل ها تشعشع الكترومگنتيك نيز از ميان جو انتقال مي يابند و هنگاميكه به سطح زمين برخورند ممكن است جذب شده و تبديل به گرما گردند . مدت زماني بعد مقداري از اين انرژي ممكن است توسط فرآيندهاي هدايت ، جابجايي صعودي جريانات يا تشعشع به جو انتقال داده شوند . در بخش بعدي ترمودينامك جو مورد بررسي قرار مي گيرد .

منابع و ماخذ:
http://robot.ir/blog/mollasadra/pages.php?show&id=000137
http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/mavara
http://negahe85.blogfa.com/post-14.aspx
http://www.schoolnet.ir/~besat/khabar%20fizik4.htm
http://www.irandeserts.com/42.htm
http://cph-theory.persiangig.com/L495-sarab.htm
جزوه هواشناسي فيزيكي آقاي مهندس احمد نوحي