jueves, 26 de agosto de 2010

ESPEJISMOS

Muy buenas de nuevo. Aprovechando que hace un calor tremendo en españa, hoy os hablaré de los espejismos, y no me refiero a aquellos que veíamos en los dibujos animados, como este de una tira cómica:



Hablamos, por supuesto, de un tipo de ilusión óptica llamada espejismo. Para entrar en qué provocan los espejismos hay que hablar un poco de óptica geométrica.

  • Explicación de los espejismos.
Los rayos de luz al pasar de un medio a otro de diferentes propiedades físicas varía su trayectoria, de tal manera que puede sufrir el fenómeno de reflexión, en el que la luz varía su dirección cumpliendo las leyes de reflexión; o el de refracción, en el que la luz cambia su dirección cumpliendo la ley de Snell. La luz sufre ambos fenómenos dependiendo de dos factores: el ángulo de incidencia sobre la superficie y el índice de refracción de los medios. A partir de ahora representaremos el índice de refracción con la letra n y los ángulos de incidencia y refracción con la letra θ.

La ley de Snell dice que:


n1 . sen θ1= n2 . sen θ2

Donde:
θ1---> ángulo incidente (ángulo que forma el rayo incidente con la normal N).
θ2---> ángulo transmitido (ángulo que forma el rayo transmitido con la normal N).
n1--> índice de refracción del primer medio.
n2--> índice de refracción del segundo medio.

Así, la dirección de la luz depende directamente del índice de refracción de los medios incidente y refractado. Lo que ocurre en los espejismos es lo siguiente: El índice de refracción depende fuertemente de la temperatura, principalmente por el efecto que esta produce en la densidad del medio. Así pues, si al aire le sube la temperatura unos grados hace que éste sea menos denso y, por tanto, con un índice de refracción menor.
Ahora bien, si una superficie absorbe mucho el calor (como el asfalto o la arena del desierto) y calienta el aire que tiene justo encima (como una estufa), conforme nos alejamos de dicha superficie el aire va decreciendo la temperatura, produciéndose de esta manera una serie de capas que tienen diferentes índices de refracción.
¿Que ocurrirá entonces con la luz? Que atraviesa muchos medios con muchos índices de refracción diferentes, con lo que se va refractando una y otra vez. Todas estos rayos cumplen la ley de Snell, por lo que cuando un rayo de luz atraviesa un medio estratificado consistente en capas de índices de refracción n1, n2, n3…. se cumple que

n1·senθ1=n2·senθ2
n2·senθ2=n3·senθ3
n3·senθ3=n4·senθ4
……

Lo que realmente ocurre es que se produce un gradiente de temperatura (va cambiando gradualmente) por tanto también un cambio gradual del índice de refracción (como un número infinito de capas con un cambio muy pequeño de índice entre ellas). Por lo que al final lo que ocurre es que la luz describe una trayectoria curva. Si el gradiente es suficientemente grande, lo que ocurre es que los rayos de luz se curvan tanto que puede llegar a producir un efecto de "falsa reflexión": si prolongamos el rayo incidente inicial y el último rayo refractado lo que tenemos son dos rayos con la misma trayectoria que tendría un rayo al reflejarse sobre una superficie, como se ve mejor en este gráfico:
(Quien quiera ver las matemáticas que lleva este fenómeno, puede visitar esta página, donde se ha extraído los diagramas).

En este dibujo se ve mejor el efecto final del espejismo. La imagen de la palmera se verá reflejada debajo de ella, como si tuviera un oasis debajo.


El rayo superior (negro) atraviesa capas de aire con la misma temperatura, pero el rayo inferior (amarillo) se curva por el gradiente más caluroso de aire y, al completar la curva, acaba alejándose de nuevo de la zona caliente, formando una imagen virtual que ve justo debajo de la real (como si se tratara de un espejo).
El efecto de temperatura cambiante hace que el gradiente cambie ligeramente entre sus capas, haciendo el efecto de "aguas" que al final hacen creer a los beduinos que lo que ven es un verdadero oasis lleno de agua. Aquí os dejo una imagen muy buena de un espejismo.
  • Tipos de espejismo.
-Espejismo inferior.

La explicación dada hasta el momento ha sido del espejismo clásico (conocido desde tiempos inmemoriables), en el que el efecto de espejismo se ve inferior a la imagen. Decir que, normalmente la temperatura del aire tiene un ligero gradiente de temperatura (alrededor de cambios de 1ºC por cada 100 metros) Así que, para que se produzca un espejismo inferior, se necesita un gradiente de temperatura mayor (en torno a 2 grados por metro, y para que se mantenga en el tiempo y sea extenso se necesitan 5 o 6)

Ejemplos hay muchos, como el comentado ya del oasis falso en el desierto. Otro ejemplo más típico es el de la carretera de asfalto en un día caluroso. El agua que se ve no es más que el reflejo del cielo que tiene encima. Aquí os dejo otra imagen como ejemplo de espejismo inferior.
-Espejismo superior.

En él lo que ocurre es una inversión de temperaturas, es decir, la superficie en cuestión es mas fría que el aire que tiene arriba, al contrario de los gradientes de temperatura normales. El rayo de luz describe también una trayectoria curva, aunque en este caso sea al contrario y lo que se "refleja" estará arriba de la imagen original. En ocasiones lo que se ve es una "prolongación de la imagen del objeto", como si las velas fueran más grandes de lo normal. Ambos fenómenos os lo explican bien estos dos dibujos:

En este ejemplo las velas del barco se ven "prolongadas" a mayor longitud"
En este caso, el árbol se ve "duplicado" por una imagen especular suya que se sitúa justo encima de ésta.
ejemplo de un barco navegando sobre el ártico
Barco al que se le ve una extraña prolongación de su tamaño, como consecuencia del espejismo

Los espejismos superiores son más raros, pero tienden a ser más estables. Suelen aparecer en las zonas polares, aunque también se producen en diferentes latitudes. Son conocidos desde hace muchos años, y así lo demuestra este dibujo de un libro de finales del siglo XIX.
Grabado del siglo XIX en el que se aprecian dos espejismos superiores. No se ven dibujados de forma exacta, pero da una idea de lo sorprendente que fue para la gente de alli.

Cuando la curvatura del rayo es paralelo a la curvatura de la tierra, pueden darse casos curiosos como cuando se descubren tras la línea del horizonte del mar islas que no se pueden ver si no es con este efecto. Podemos ver este efecto en esta espectacular imagen:

Dentro de los espejismos superiores hay dos casos especiales que merecen apartado propio: El efecto Novaya Zemlya y la Fata Morgana.

- Efecto Novaya Zemlya.

El efecto de Novaya Zemlya es un tipo de espejismo invertido causado por alta refracción de la luz solar entre el clima atmosférico. En el efecto de Novaya Zemlya dará la impresión de que el sol está saliendo antes de lo que en realidad debería (astronómicamente hablando) y dependiendo de la situación meteorológica el efecto presentará el sol como una línea o un cuadrado (lo que se refiere a veces como "sol rectangular"), compuesto por formas planas como un reloj de arena.

El espejismo requiere una capa de inversión para tener rayos de luz del sol que pueden llegar hasta cientos de kilómetros (al menos 400 km), y depende de la capa de inversión de gradiente de temperatura (por lo menos un aumento de elevación de 5 grados). La luz del sol debe plegarse hasta la curvatura de la Tierra al menos 400 km para poder llegar a ver el disco solar.
sol rectangular

La primera persona en registrar el fenómeno fue Gerrit de Veer, un miembro de la expedición de
Willem Barents
destinado a la región polar, el 24 enero de 1597. Gerrit encontró como aparecía el sol dos semanas antes de lo esperado. Novaya Zemlya, el archipiélago en el norte de rusia donde observaron por primera vez el fenómeno, da nombre al efecto.

-Fata Morgana.

Fata Morgana es un tipo de espejismo superior tremendamente complejo y efímero, en el que la imagen del objeto se distorsionan de manera que el objeto a menudo parece ser muy raro, e incluso puede ser transformado de tal manera que es completamente irreconocible. Fata Morgana se puede ver en tierra o en mar, en las regiones polares o en los desiertos. Este tipo de espejismo que puede comprometer casi cualquier tipo de objeto distante, incluso con detalles tales como barcos, islas y costas.

Para que se de el efecto de Fata Morgana tiene que haber un conducto con inversión de temperaturas y con capas de aire más frío encima y debajo. Pueden sucederse las capas de una a otra, lo que hace que sea tan variable y efímero, hasta puede convertirse en un espejismo superior común. Aquí os dejo otro diagrama que explica la Fata Morgana.

En este caso se pueden producir refracciones y reflexiones múltiples (la luz puede variar su curva contínuamente) Por lo que se puede ver una imagen reflejada varias veces. En ocasiones, lo que parece verse son los objetos que se encuentran en el horizonte como, por ejemplo, islas, acantilados, barcos o témpanos de hielo, que adquieren una apariencia alargada y elevada, similar a "castillos de cuentos de hadas". El más famoso de todos se sitúa en la región del estrecho de Messina, en italia. En su parte más angosta, la anchura no sobrepasa los 3km, y es en este punto donde se observan la mayoría de los fenómenos. Aquí os pongo una imagen de ellos:

fata morgana vista en agosto de 2005
grabado del año 1884 en el que se ve el puerto de Messina y la famosa Fata Morgana.

El origen del nombre del efecto viene del italiano fata Morgana (es decir: hada Morgana), en referencia a la hermanastra del Rey Arturo (Morgan le Fay, ) que, según la leyenda, fue descrita como una poderosa hechicera y antagonista del Rey Arturo y la reina Ginebra en la leyenda artúrica. Las leyendas la asocian a las sirenas en las aguas alrededor de Sicilia que atrajeron a los incautos a su muerte. En un romance artúrico medieval escrito por un francés, Floriant et florete, llamado "señora de las hadas de la mar salada" (La mestresse [des] Las tasas de Salée la mer.) Dice que:
Entonces, ¿quién es el hada Morgana, que estudió magia , que vive en ardiente Etna y en el mar , al mismo tiempo? ¿Qué más es capaz de hacer ella? Tal vez es el ser que crea barcos que vuelan sobre el mar y nunca se acercan a la costa, y los castillos de oro que flotan en el aire sobre el estrecho de Messina, que nadie ha podido jamás alcanzar, los castillos que no son más que una ilusión óptica - un espejismo, ¿o es ella misma sólo un espejismo, Fata Morgana como la llamaban en Italia?
Desde ese momento, Fata Morgana se ha asociado con Sicilia.
Morgana le Fay

Otro ejemplo de Fata Morgana es el de este vídeo, en el que se un Fata Morgana espectacular que incluso se ve como cambia con el tiempo:


  • Leyendas asociadas a espejismos.
Hay multitud de leyendas asociadas a los espejismos aquí contados, nombraré los mas conocidos:

-El holandés errante.

El holandés errante, de acuerdo con el folclore, es un barco fantasma que nunca se puede ir a casa, y está condenado a navegar por los océanos para siempre. El Holandés Errante es generalmente visto de lejos, y a veces se le ve que brillaba con luz fantasmal. Una de las posibles explicaciones del origen de la leyenda del holandés volador es un espejismo Fata Morgana visto en el mar.

-Montañas Crocker y Tierra Crocker.

En 1818, Sir John Ross fue en un viaje que fue un intento de descubrir el tan buscado Paso del Noroeste. El barco de Ross llegó a Lancaster Sound en Canadá. El Paso del Noroeste era recto, pero John Ross no fue en esa dirección porque vió, o creyó ver, a lo lejos, una masa de tierra con montañas, que a su juicio hacía el paso simplemente aún más imposible. Llamó a la cadena montañosa de esta masa de tierra supuesta "Montañas Crocker". Se dio por vencido y volvió a Inglaterra, a pesar de las protestas de varios de sus oficiales. El relato de su viaje, publicado un año más tarde, sacaron a la luz su desacuerdo, y las consiguiente controversia sobre la existencia de las Montañas Crocker arruinaron su reputación. Un año más tarde William Edward Parry, fue capaz de navegar más al oeste, a través de esas montañas que no existian. Realmente se trataba de un espejismo del tipo Fata Morgana que no eran más que masas de tierra del ártico (a muchísimos quilómetros de allí).

Por una extraña coincidencia, 88 años después de la expedición de Ross, Robert Peary dio el nombre Tierra
Crocker
a una masa de tierra que él creía ver en la distancia, al noroeste del punto más alto de Cabo Thomas Hubbard, que se encuentra en lo que Canadá es ahora el territorio del norte de Nunavut. Peary estimó la masa de tierra que será de 130 kilómetros de distancia, a unos 83 grados N, longitud 100 grados W. Hasta s
e organizó una expedición en busca de dicha tierra en 1913 por Donald Baxter MacMillan. Evidentemente su expedición fue un fracaso.

-Flash verde del sol.

La leyenda habla de que el último rayo de sol es de color verde. Este fenómeno es famoso dentro del mundo marino se dice que verlo trae suerte. Pero el que lo popularizó fue Julio Verne en su obra "el rayo verde", del cual se extrae este fragmento:

"Habéis observado el sol cuando se pone en el horizonte del mar? Sí, sin duda alguna ¿Lo habéis seguido hasta que la parte superior del disco desaparece rozando la línea del horizonte? Es muy posible. Pero ¿Os habéis dado cuenta del fenómeno que se produce en el preciso instante en que el astro radiante lanza su último rayo, si el cielo está completamente despejado y transparente? ¡No, seguramente no! Pues bien, la primera vez que tengas ocasión- ¡se presenta tan raramente!- de hacer esta observación, no será, como podría presumirse un rayo rojo lo que herirá la retina de vuestros ojos, sino que será un rayo verde, pero un verde maravilloso, un verde que ningún pintor puede obtener en su paleta. Un verde cuya naturaleza no se encuentra ni en los variados verdes de los vegetales, ni en las tonalidades de los mares más transparentes. Si existe el verde en el Paraíso, no puede ser mas que este verde, que es sin duda, el verdadero verde de la Esperanza".
En la historia de Verne, cuenta una vieja leyenda, que conoce la protagonista que la persona que lo veía no podía equivocarse jamás en cuestión de sentimientos de amor. La visión de este rayo tendría la virtud de ayudar a esa persona a destruir las ilusiones y las mentiras, y podría ver con total claridad en su corazón y en el de los demás.

En realidad se trataba de un espejismo de un rayo de luz dentro de otro espejismo del sol al ponerse (una variación de la gradación de temperatura). Aquí os dejo la imagen:

-OVNIS

Si en la antiguedad cuando se veía un barco volando se creía que era un barco fantasta, en la actualidad todo tipo de espejismos se consideran fenomenos paranormales para los que no conocen los fenómenos metereológicos, calificándolos en ocasiones de objetos volantes no identificados. Los que los expertos consideran como espejismos del tipo Fata son las australianas "luces Min Min".

Y con esto concluyo este caluroso post. Y una advertencia: no os fiéis de todo lo que veáis, puede ser un espejismo.

Fuentes:

2 comentarios:

Anónimo dijo...

Un post MUY completo y muy interesante. Felicidades.

Anónimo dijo...

Me ha encantado y despertado mi curiosidad, muy interesante!