سراب پدیده ای علمی و تماشایی
ساعت ۱۱:٤٦ ‎ب.ظ روز دوشنبه ٢٤ فروردین ۱۳۸۸  کلمات کلیدی:

با شنیدن نام سراب معمولا اولین تصاویری که به ذهن خطور می کند ، همان صحنه های خیال انگیز ویژه ازآب و تاب کارتونی هستندکه همگی کمابیش با آنها آشنا هستیم . مناطق سرسبز و زمین های پوشیده از نخل گرمسیری همراه آبگیر یا برکه ای زیبا با آب زلال که البته تمامی به محض رسیدن قهرمان داستان یکباره نیست و ناپدید می شوند .

اما آنچه بخواهید در واقعیت و به دور از این خیال پردازی های سینیاتوری و استادانه سراب را بررسی کنیم باید پذیرفت که این هوا گرم است. شدت نور خورشید چشم هایت را آزار می دهد .برای هیجان کویر پا به این جا گذاشته ای. چندین راهنما خبره همراه یات م یکنند و آب هم به اندازه کافی به همراه ات داری. این گونه است که دریاچه زلال و زیبایی که در دور دست دیده می شود سرابی دلپذیر به نظرت م یآید. اما وای به روزی که بی آب و سایه بان و پای پیاده به کویر بزنی.

برای آنها که تشنگی چندین روزه در کویر را تجربه می کردند، سراب، شوخی زشت و بی مزه کویر است. اما برای آنان که به کشف اسرار کویر م یروند یکی از زیبای یهای منحصر به فرد کویر قطعا سراب است. سراب در حقیقت شکست نور است و دقیقا زمانی رخ می نماید که شاهد یک جا به جایی و تغییر بسیار سریع در چگالی هوا و اتمسفر جو هستیم ، یعنی زمانی که یک لایه هوا به مقدار نسبتا زیادی گر متر از سطح مجاورش باشد.پدیده کاملا علمیتقریبا هیچ تناسبی با شکل نمایشی و کارتونی خود ندارد .


به طور کلی در بیشتر انواع این پدیده شیئی چنان بازتاب می یابد که گویی برکه ای از آب در آن مکان و زیر این شیئوجود دارد . در واقع اگر در جستجوی یک سراب واقعی و طبیعی هستند ، باید سری به مناطق گرمسیری بزنید و معمولترین آنها را در بزرگراه ها ودر سطح جاده های آسفالته مشاهده کنید.


اغلب در جاد ههای آسفالته مستقیم یا در بیابانها ، منظره آب یا برک های دیده می شود، که وقتی بسوی آن حرکت می کنیم،آن هم با همان سرعت و در همان جهت پیش می رود، یا وقتی نزدیکش می شویم، از نظر محو می گردد. این منظره سراب است. سراب یک فریب طبیعت است که در شرایط معین جوی چشم ما را دچار خطای دید م یکند.


اگر بخواهیم علت تشکیل سراب را عنوان کنیم اولین مرحله تابیدن پرتوهای نور خورشید بر سطح زمین و گرم شدن اناست.لایه های هوا که در نزدیکی سطح زمین قرار دارند نسبت به لایه های بالایی گرمتر و رقیقتر می شوند. سپس پرتوهای نور که از خورشید به سوی سطح زمین منتشر می شوند از لایه های غلیظ تر که به لایه های رقیق تر می رسند شکست می یابند و از خط عمود دورتر می شوند و زاویه ی تابش ان ها به زاویه ی حد نزدیک می شود. هنگامیکه زاویه ی تابش به حد برسد پرتو نمی تواند از محیط غلیظ به محیط رقیق تر پایین برسد و در نتیجه بازتابش کلی می یابد و به سوی بالا باز می گردد.این پرتو ضمن برخورد با مولکول ها ی هوا رنگ ابی را بیش از سایر رنگ ها پراکنده می کنند و باعث میشود که ناظر رنگ ابی را بر سطح زمین ببیند و تصور کند که دریاچه ای برابر او قرار دارد...


چرا سراب پدید می آید؟
اصل و ریشه این پدیده را باید در شیوه حرکت نور در محیطهای مختلف و به تبع آن پدیده شکست و انکسار نور بررسی کرد. پرتوهای نور در عبور از محیطهایی با غلظتهای متفاوت تغییر جهت داده و به عبارتی می شکنند، مثل عبور نور از هوا به آب و یا از هوای گرمتر به هوای سردتر و علت هم به تغییر سرعت نور در محیطهای متفاوت بر م یگردد .


در روزهای گرم ، پرتوهای خورشید که به سطح زمین م یرسند، آن را گرم می کنند. لایه های هوایی که نزدیک سطح زمین قرار دارند، نسبت به لای ههای بالایی ، گرمتر و در نتیجه رقیقتر می شوند. حال پرتوهای خورشید برای رسیدن به سطح زمین باید از محیط غلیظ وارد محیط رقیق شوند، لذا پرتوهای شکست مربوط به آنها از خط عمود دورتر م یشوند. زمانی که پرتوهای تابشی خورشید به زاویه حد (اگر تابش از محیط غلیظ با ضریب شکست بالا بر محیط رقیق با ضریب شکست پایین صورت بنابراین قانون اسنل با این شرایط ، مبهم می شود .زیرا (n1>n گیرد ( 2بزرگتر از واحد شود .پس یک sin r های بزرگ i 1)بنابر این احتمال دارد، برای < n2/1n) که در آن (sin r=n1/n2 sin i) هست. r= را به ما دهد که برابر واحد یا زاویه اش 90 sin r زاویه بحرانی تعریف می کنیم که حد بیشینه را که از رابطه زیر یافت می شود (c=i) خواهیم داشت زاویه حد sin r= یعنی به ازای 1: (c=arcsinn2/n1) از کلمه لاتین c خواهد شد. بهتر است بدانید که c~ بنابراین درجه 41 :n= به عنوان مثال اگر تابش از هوا بر شیشه باشد داریم 1.5 به معنی بحرانی اخذ شده است.) م یرسند. دیگر وارد لایه رقیق نخواهند شد. در نتیجه بازتابش داخلی کلی( اگر تابش Critical صورت گیرد و نیز زاویه تابش از زاویه حد بزرگتر باشد یعنی ( n بر محیط رقیق کوچک ( 2 ( n از محیط غلیظ بزرگ( 1در این صورت هیچ نوری بر محیط دوم عبور نمی کند و بر خلاف زاویه حد در مرز مشترک محیط ها نیز نوری i >arcsin n2/n1 می نامند که با (Total Internal Reflection) نخواهیم داشت .این بازتابش کامل نور به محیط اول را پدیده بازتابش داخلی کلی نمایش می دهند.) رخ داده و این پرتوها به سمت بالا بر م یگردند. TIR علامت اختصاری پرتوهای بازتابی ضمن برخورد با ذرات هوا ، رنگ آبی را بیش از سایر رنگها پراکنده کرده و موجب می شوند، که ناظر رنگ آبی را روی سطح زمین ببیند. و تصور کند که آنجا برک های وجود دارد. به بیان ساد هتر لایه هوا مانند آینه عمل کرده و آسمان را در خود منعکس می کند و آن را به شکل برکه آبی در برابر دیدگان ما هویدا می سازد. در این هنگام است که با یک سراب روبرو می شویم. در زمینهایی که بطرف بالا شیب دارند، پرتوهای بازتابی بیشتری به ما م یرسد و احتمال رؤیت سراب افزایش مییابد .


به صورت دیگر علت پیدایش سراب را می توان اینگونه بیان نمود که در روزهایگرم ، پرتوهای خورشید که به سطح زمین می رسند، آن را گرم می کنند. لایه هایهوایی که نزدیک سطح زمین قرار دارند، نسبت به لایه های بالایی ، گرمتر و در
نتیجه رقیقتر می شوند.حال پرتوهای خورشید برای رسیدن به سطح زمین باید از محیط غلیظ وارد محیطرقیق شوند ، لذا پرتوهای شکست مربوط به آنها از خط عمود دورتر می شوند.


زمانی که پرتوهای تابشی خورشید به زاویه حد می رسند. دیگر وارد لایه رقیق نخواهند شد. در نتیجه بازتابش داخلی کلی رخ داده و این پرتوها به سمت بالا برمی گردند . پرتوهای بازتابی ضمن برخورد با ذرات هوا ، رنگ آبی را بیش از سایر رنگها پراکنده کرده و موجب می شوند، که ناظر رنگ آبی را روی سطح زمین ببیند. و تصور کند که آنجا برکه ای وجود دارد. به بیان ساده تر لایه هوا مانند آینه عمل کرده و آسمان را در خود منعکس می کند و آن را به شکل برکه آبی در برابردیدگان ما هویدا می سازد. در این هنگام است که با یک سراب روبرو می شویم. در زمین هایی که بطرف بالا شیب دارند، پرتوهای بازتابی بیشتری به ما می رسد و احتمال رویت سراب افزایش می یابد کلا شاخص شکست هوا بر حسب تغییرات دانستیه آن تغییر می کند درنتیجه نوری که از میان لایه های جو بالا با دانستیه های مختلف عبور می کند شکسته می شود. بنابراین اجسام ممکن است به نظر برسد که در موقعیت های غیر واقعی قرار گرفته اند واغلب تغییر شکل یافته به نظر می رسند. پدیده شکست نور از این نوع را سراب می نامند سراب و شرحی دیگر اصل و ریشه ی این پدیده را باید در شیوه ی حرکت نور در محیط های مختلف و به تبع آن پدیده ی شکست و انکسار نور بررسی کرد . همان طور که می دانید پرتوهای نور در عبور از محیط هایی با غلظت های متفاوت تغییر جهت داده و به عبارتی می شکنند ، مثل عبورنور از هوا به آب و یا از هوای گرمتر به هوای سردتر و علت هم به تغییر سرعت نور در محیط های متفاوت بر می گردد . سراب دقیقاً زمانی رخ می دهد که شاهد یک جابجایی و تغییر بسیار سریع در چگالی هوا و اتمسفر جو هستیم : یعنی زمانی که یک لایه هوا به مقدار نسبتا زیادی گرمتر از سطح مجاورش باشد . این اتفاق معمولا در روزهای گرم تابستان روی می دهد ، به شکلی که سطح یک جاده آسفالته که زیر تابش مستقیم خورشید به شدت داغ شده است .لایه هوایی را که دربالای آن قرار دارد ، کاملا گرم می کند و در نتیجه سبب ایجاد تفاوتی فاحش میان چگالی هوای این لایه و لایه های بالایی آن می شود . بدین ترتیب با عبور نور از این سطوح متفاوت جهت آن به سمت بالا تغییر می یابد و سراب ایجاد می شود.


برای بارزتر شدن قضیه به این نکته توجه کنید که به طور معمول پرتوهای بازتابی از یک شیئ مثلا یک خودرو در جهت های متعددی درفضا حرکت می کنند و یک جسم تنها در زمانی قابل رویت خواهد بود که گوشه ای از این پرتوها با مردمک چشم برخورد کنند دریک روز کاملا ابری ، شما تنها همان نوری را می بینید که به طور مستقیم از جسم به سوی چشمانشان بازتاب می یابد ، اما در روزهای آفتابی شرایط کمی متفاوت است در اینجا آن پرتوهایی که به طور مستقیم از شیئی به سوی چشم ها حرکت می کنند همان وضعیت قبلی تکرار می کنند . اما علاوه بر این پرتوهایی نیز وجود دارند که اداره کل هواشناسی استان قم ۵١ اداره پیش بینی وتحقیقات اقلیمی و هواشناسی کاربردی به سمت زمین حرکت می کنند این پرتوها در عبور از لایه سردتر و چگالی تر بالایی به لایه گرمتر و سبک تر پائینی
شکسته و به طرف چشمانش باز می تابنددر نتیجه این فرآیند ، شما شاهد 2 تصویر یکسان از شیئ خواهید بود ، یکی روی جاده و دیگری در سطح آن مغز انسان تنها قادر به درک حرکت نور در مسیر مستقیم است ، بنابراین چنین به نظر می آید که در سطح جاده چاله ای پر از آب وجود دارد که تصویر دوم حاصل از انعکاس تصویر اول در داخل این آب است . از این نوع سراب به عنوان سراب پائینی و یا فرعی( سراب پست ) یاد می شود چرا که شکل گیری آن در زیر خط افق است. سرابهای بالاتر و اصلی( سراب مرتفع) انواعی هستند که در بالای خط افق ظاهر می شوند . این نوع سراب در چشماندازهای پوشیده از یخ و یا آبهای بسیار سرد روی می دهد.


جایی که یک لایه بسیار سردتر از هوا زیر لایه نسبتاً گرمتر قرار گرفته است و همین باعث می شود سراب خیلی بالاتر از سطح معمول آن ظاهر شود. مشاهده ی قایق هایی که در هوا شناورند بر اثر همین شکل سراب است . در این نوع معمولاً شیئ بازتابی از اندازه های اولیه ی خود خارج شده و تصویری غیر واقعی و بسیار بزرگتر را به نمایش می گذارد. پدیده سراب از خرداد تا شهریور، زمانی که هوا بسیار گرم است بسیار دیده م یشود مه مترین خصیصه در بهتر دیدن سراب رطوبت است که با دمای هوا نسبت مستقیم دارد.


هر چه هوا گرم تر باشد رطوبت در لای ههای نزدیک به زمین بیشتر است و احتمال دیده شدن سراب هم افزایش مییابد.ورزش باد باید جزیی باشد و یا اصلا وجود نداشته باشد تا سراب به خوبی به چشم بیاید. لایه ای بودن آسمان هم به خوب دیده شدن سرابکمک م یکند اگر چه در هوای ابری هم م یتوان سراب را دید.


سراب در دریا
سراب در دریا نیز بصورت معکوس دیده می شود. البته این در جایی است که هوای مجاور آب ، سرد بوده و در بالای آن نیز هوای گرمی قرار گرفته باشد، آنگاه کشتیهایی که از دور م یآیند و در پشت افق پنهانند، بوسیله این هوای گرم طوری منعکس م یشوند که ما آنها را در آسمان شناور می بینیم. در این حالت معمولاً شیئ بازتابی از اندازه های اولیه خود خارجشده و تصویری غیر واقعی و بسیار بزرگتر را به نمایش میگذارد.


یکی از سرابهای معروف در جزیره سیسیل در تنگه مسینا رخ م یدهد. در شرایط جوی مذکور شهر مسینا در آسمان منعکس م یشود و افرادی که در آبهای تنگه مجاور کشتیرانی م یکنند، این شهر را در هوا شناور می بینند. ایتالیائیها نام این سراب را فاتامورگانا گذاشت هاند، زیرا گمان می کنند که جنی به نام مورگان آن را پدید آورده است.


سراب کیهانی
با وجود پیشرف تهای زیادی در زمینه کیهان شناسی ، معمایی که هنوز هم حل نشده ، مقدار چگالی ماده موجود در جهان است. چون قسمت نامشخصی از ماده بصورت نامرئی است، امکان دستیابی به مقدار آن برای اخترشناسان تقریبا غیر ممکن است. ولی اخیرا آنها پدیده تاز های کشف کرد هاند که نوید روشن کردن بسیاری پرسشها را پیرامون مقدار تام ماده مرئی و نامرئی در کائنات و پراکندگی آن را در فضا به ما می دهد. این کشف عبارتست از پدیده سرابهای جاذب های .


سراب های گرانشی
"سرابهای جاذبه ای" زمانی حاصل می شوند که دو ستاره یا بیشتر که در فاصل ههای متفاوتی از زمین واقع شد هاند، بصورت کامل با کره زمین روی یک خط قرار گیرند و بنظر برسد که در آسمان باهم برخورد کرد هاند. روشنایی دورترین ستاره برای رسیدن به ما باید از میدان گرانشی نزدیکترین ستاره بگذرد و در این عبور منحرف م یشود. این انحراف روشنایی یک تغییر شکل و حتی نوعی تکثیر تصویر از ستاره پدید میآورد.

پیش بینی سراب
آلبرت انیشتین در سال 1936 با استفاده از نسبیت عمومی نشان داد که اگر از دید ناظر رصد کننده ، دو ستاره با کره زمین روی یک خط قرار گیرند، دورترین ستاره علاوه بر تصویر عادی خود که یک نقطه است، تصویر دیگری به شکل یک حلقه نورانی در اطراف آن نقطه روشن ، پیدا خواهد کرد .این حلقه نورانی ، نوعی سراب کیهانی و نوعی توهم بصری است زیرا در عالم حقیقت وجود ندارد .آلبرت انیشتین همخط شدن دو ستاره با زمین را امری بسیار غیر محتمل م یدانست و این پدیده را فقط بصورت تئوری ارایه داده بود .

 

سراب پست
سرابهای پست در روی سطوح گسترده جائی که هوای نزدیک زمین گرمتر (بنابراین دانسیته کمتر دارد ) از هوای بلافاصله بالای آن است اتفاق می افتد . این نوع سراب ها خیلی زیاد در نواحی بیابانی دیده می شود ولی ممکن است در روی سطوح هموار جاده ها ، سواحل، دریاها، باند فرودگاهها و غیره نیز اتفاق بیافتد . اجسامی که نزدیک افق قرار دارند بنظر میرسد در داخل استخر آبی منعکس شده اند و تصویری در زیر سطح افق بدست می دهند .آنچه که در واقع رخ می دهد آن است که اشعه های که از آسمان بطرف پائین می آیند همانطوریکه وارد هوای گرمتر و رقیق تر نزدیک سطح زمین می شوند با شیب ملایمی بطرف بالا شکست پیدا کرده و به چشم ناظر میرسند . در این موقع ناظر دچار اشتباه بینائی شده و فکر می کند این اشعه ها از سطح آب شفاف به چشم او می آید . در حالیکه تصویر اجسام روی زمین معکوس شده بنظر می رسند .شکل زیر این اثر را نشان می دهد . چنانچه زاویه تابش خیلی کوچک باشد در اینصورت شکست نور برای جلوگیری از برخورد اشعه ها با زمین غیر کافی می باشد . بنابراین فقط اجسام نزدیک افق ایجاد سراب می کنند . روشنائی با پرتو ضعیفی که در اثر جریانات جابجائی صعودی( کنوکشن) کم عمق ایجاد می شود و همینطور انعکاس قسمتی از آسمان آبی ، ممکن است اشتباه بینائی ناشی از شکست را در سطح آب شدیدتر بنماید .


سراب مرتفع
در مقابل سراب پست، در روی هر سطح مسطح گسترده در صورتی که هوای نزدیک زمین خیلی سردتر از هوای بالای آن باشد . یعنی وارونگی دما مشخصی وجود داشته باشد سراب مرتفع دیده می شود . در چنین شرایطی اجسام نزدیک افق بنظر می رسد بطور عمودی بالاتر از موقعیت مکانی واقعی خود گسترده یافته اند . در حالت های حدی اجسام زیر افق ممکن است مرئی شوند . شکل زیر نشان می دهد که چگونه اشعه های نورانی در موقع ورود به هوای سردتر و غلیظ تر نزدیک سطح زمین بطرف پائین خم می شوند . سراب نوع مرتفع بیشتر در نواحی جنب قطبی دیده می شوند . ولی بهرحال این نوع سراب ها در سایر مناطق در روی سطوح خشکی ( بویژه در روی زمینهای پوشیده از برف) یا در روی دریا هنگامیکه هوای خشک در بالای یک وارونگی کم عمق سطح زمین وجود داشته باشد نیز ممکن است دیده شوند . در این بخش اثرات تابش مرئی مورد بحث قرار گرفت . سایر شکل ها تشعشع الکترومگنتیک نیز از میان جو انتقال می یابند و هنگامیکه به سطح زمین برخورند ممکن است جذب شده و تبدیل به گرما گردند . مدت زمانی بعد مقداری از این انرژی ممکن است توسط فرآیندهای هدایت ، جابجایی صعودی جریانات یا تشعشع به جو انتقال داده شوند . در بخش بعدی ترمودینامک جو مورد بررسی قرار می گیرد .


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 هواشناسی فیزیکی آقای مهندس احمد نوحی