העין שלנו היא איבר מדהים! היא מסוגלת לקלוט אור, לתרגם אותו לאותות חשמליים ולהעביר את המידע החשמלי למוח, שמתרגם אותו לחפץ מוגדר או דמות. בתהליך קליטת האור, העין צריכה להתגבר על מכשולים אופטיים רבים כדי למסור למוח מידע נכון ומדויק על החפץ שעליו אנו מתבוננים – איפה הוא נמצא, מה צורתו ומה צבעו.

יש מקרים שבהם הטבע מצליח לשטות בנו וגורם לנו לראות משהו שאיננו קיים באמת. קרה בוודאי לכולכם שנסעתם ביום חם, הסתכלתם קדימה על הכביש וראיתם מעין שלולית מים שנעלמה כשהתקרבתם אליה. האם דמיינתם אותה? מובן שלא. מה שראיתם היה תוצאה של הטעייה אופטית – מיראז'. אותה תופעה מתרחשת גם במדבר, כאשר ההלך הצמא מגלה באופק חיזיון של מים שאינם נמצאים שם באמת. התופעה הזו מוכרת גם בשמה הפופולרי יותר "פאטה מורגנה".

אז מהי אותה הטעיה או תעתוע אופטי? מהם התנאים המאפשרים את קיומה? ומדוע היא מתרחשת?

אופטיקה על קצה המזלג
כשקרן אור פוגעת בחומר כלשהו, יכולים להתרחש כמה תהליכים: הקרן יכולה להתפזר לכל הכיוונים, כמו שמתרחש בשמיים; היא יכולה לחזור, כך שנוצרת השתקפות כמו במראה; או שהקרן יכולה להתעקם או להישבר – תהליך שאחראי בין היתר גם על היווצרות תופעת המיראז'.

על מנת להמחיש בצורה הטובה ביותר את תופעת השבירה של קרני האור, אפשר פשוט למלא כוס מים, להכניס לתוכה כפית ולהביט בה מהצד. אם תעשו זאת תגלו מיד שקטע הכפית שנמצא בתוך המים נראה כאילו הוא נמצא במקום שונה מהקטע שבחוץ. הסיבה היא שקרן האור נשברת כשהיא יוצאת מהמים. כשקרן אור חודרת מהאוויר לתוך המים היא נתקלת במולקולות מים רבות ולכן מהירותה פוחתת. כפיצוי על אובדן המהירות הקרן משנה את כיוונה כדי לקצר את משך שהותה בתוך המים.

שינוי הכיוון הזה נקרא שבירה. האור המגיע לעינינו מקטע הכפית השקוע במים נשבר בעת יציאתו מהמים, ולכן מגיע בזווית אחרת מהאור המגיע מידית הכפית שבחוץ, ונדמה לנו שהכפית "שבורה" באמצע.
בתנאים של רִיק, כשאין מולקולות, הקרן איננה מואטת ולכן היא נעה במהירות האור (300אלף קילומטרים בשנייה). מידת השבירה שלה תלויה מאוד באופי החומר שדרכו היא עוברת. ככלל, ככל שמהירותה מואטת יותר כך השינוי בכיוונה יהיה גדול יותר, כלומר היא תישבר חזק יותר.


מימין: קרן אור נשברת בחדירתה לתוך בלוק פלסטיק. משמאל: אשליה של כפית שבורה כתוצאה משבירת קרני האור | תמונות: ויקיפדיה(ajizai), מכון דוידסון

מיראז' – תעתוע אופטי
משמעות המונח מיראז' (מצרפתית Mirage) היא תעתוע אופטי הגורם לעצם מסוים להשתקף על הקרקע. את ההשתקפות אנו נוטים לפרש כשכבת מים דקה. ההשתקפות אינה נובעת כמובן מהימצאות של מים על הקרקע במציאות, אלא מאותו תהליך אופטי ש"שבר" את הכפית שלנו, ובגלל הדמיון בין השניים אנו מניחים שראינו מים.

ההסבר הזה רחוק כמובן מלהיות מלא, ויש עוד כמה שאלות חשובות שנשארו פתוחות מדוע איננו רואים את "שלולית המים" תמיד? מדוע היא מופיעה בעיקר על הכביש או במדבר? ומדוע הקרניים נשברות אם אין באמת מים על הכביש, אלא רק אוויר?

אחד הגורמים המרכזיים להתרחשות מיראז' הוא הטמפרטורה. בימים חמים, הקרקע חשופה לשמש במשך שעות רבות, ולכן מתחממת. בשונה מאדמה, האספלט בכביש קולט הרבה מאוד חום ולכן מתחמם לטמפרטורות גבוהות יותר (כ-70-60 מעלות צלזיוס בימים חמים). בדומה לכביש, גם הקרקע במדבר חשופה לטמפרטורות גבוהות מאוד ולכן יכולה גם היא להגיע לאותן מעלות.


השתקפות ההרים והמכונית יוצרים אשליה של מים על הכביש הלוהט | תמונה: שאטרסטוק

בגלל חומו העז של הכביש, האוויר בקרבתו מתחמם מאוד, וככל שמתרחקים מהכביש כך טמפרטורת האוויר נמוכה יותר. כשטמפרטורת האוויר גבוהה, הוא גם הופך פחות דחוס. אפשר למעשה להסתכל על האוויר בקרבת הכביש כאילו הוא מורכב משכבות של אוויר בטמפרטורות שונות, כך שהשכבה הקרובה ביותר לכביש היא השכבה הכי חמה ולכן הכי פחות דחוסה (כלומר עם הכי מעט מולקולות גז בתוכה), ואילו האוויר בשכבה הרחוקה ביותר הוא הדחוס ביותר.

כאשר קרן אור היוצאת מעצם מסוים נעה לעבר הכביש הלוהט, היא נתקלת בשכבות האוויר הללו. במעבר משכבה לשכבה הקרן נתקלת בפחות ופחות מולקולות גז ככל שהיא מתקרבת לכביש, כך שמהירותה עולה בהדרגה והיא נשברת. אם הכביש חם מספיק, הקרן תישבר בחדות שתשנה את כיוונה לחלוטין ותגרום לה להתרחק ממנו. ובמילים אחרות, הקרן תשתקף מהכביש. אם הקרן המשתקפת תגיע לעינינו, נראה את העצם שממנו יצאה קרן האור כאילו הוא נמצא על הכביש.

דוגמה לכך היא אדם שעומד על כביש לוהט ורואה מולו את העץ שנמצא בצדו השני של הכביש, משום שקרני האור היוצאות ממנו מגיעות היישר אל עיניו. אולם חלק מהקרניים שיוצאות מהעץ עושות את דרכן גם לעבר הכביש. במצב רגיל, הקרניים האלו לא יגיעו לעיניו של האיש, אך בתנאים מסוימים, כשהכביש לוהט, הקרניים יישברו ויוחזרו גם הן מהכביש אל עיניו של האיש. בבואתו של העץ תופיע על הכביש, וההשתקפות הזאת על הכביש תיצור את הרושם כאילו יש עליו מים שהעץ משתקף כביכול מהם.

 


שבירה הדרגתית של קרן האור היוצאת מהעץ. הקרן מוחזרת מהכביש לעיניו של האיש שרואה את העץ משתקף מהכביש

במדבר, הטמפרטורות הגבוהות מחממות מאוד את הקרקע ונוצרים תנאים מתאימים להיווצרות מיראז'. אדם שירוץ לעבר מקור המים שהוא רואה באופק, יתאכזב מאוד לגלות שהקרקע יבשה ושהטבע הצליח לשטות בו. אז בפעם הבא שתראו מים על הכביש, דעו שהטבע מנסה לתעתע בכם. וגם אם את האשליה הזאת חשפנו בפניכם, אל דאגה – לטבע יש דרכים נוספות לתעתע בנו...

רן טבעוני
דוקטורנט, המחלקה לחומרים ופני שטח
מכון ויצמן למדע



הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום ואנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.

7 תגובות

  • מיקי

    טעות בכותרת

    זה לא פאטה מורגנה, מדובר במיראז' תחתון.

  • דור

    משפט מטעה

    "כשקרן אור חודרת מהאוויר לתוך המים היא נתקלת במולקולות מים רבות ולכן מהירותה פוחתת. כפיצוי על אובדן המהירות הקרן משנה את כיוונה כדי לקצר את משך שהותה בתוך המים."

    המשפט מנוסח כאילו קרן האור נכנסת במהירות גבוהה (מהירות האור באוויר), נתקלת במולקולות מים ומאטה, אך ברור שהדבר לא נכון. לא כל תופעה אופטית ניתן להסביר באנלוגיה מושלמת לתופעה מכנית!

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןרן טבעוני

    לא מפורט אבל בטח שלא מטעה

    הכוונה פה היא לא להאטה מכנית מכיוון שאור הוא שדה אלקטרומגנטי. אך בהחלט ניתן לומר ולהסביר בצורה פשוטה ועניינית שבעת מעבר קרן אור דרך המים הקרן מואטת. הסבר מעמיק ומסובך יותר כמו האטה של התקדמות הגל בחומר מסוים בגלל המקדם הדיאלקטרי והמגנטי של החומר רק יבלבל ויסבך.

  • דור

    מוכן להתפשר על "מבלבל"

    ראשית, תודה רבה על התגובה!

    שנית, כתבת שקרן האור "נתקלת במולקולות מים רבות ולכן מהירותה פוחתת", אבל קרן האור "מאטה" עוד לפני שהיא נתקלת במולקולות מים רבות, שכן ברגע שהיא נכנסת לסביבה חדשה עם תכונות אלקטרומגנטיות שונות, היא מתנהגת בצורה שונה, ובפרט מתפשטת במהירות שונה.

    מסכים איתך גם שההסבר עם המקדם הדיאלקטרי יבלבל ויסבך, ואפילו שהסבר לגבי הסיבה לכך שהמקדם הדיאלקטרי של חומר שונה משל ריק (ובכלל מה זה מקדם דיאלקטרי) עוד יותר יבלבל ועוד יותר יסבך, אבל ממה שהבנתי מהכתוב - התיאור שכתבת נשמע כאילו אוסף כדורים נע (האור) מתנגש באוסף כדורים נייח (החומר), ומאט עקב כך. התיאור האמיתי אכן מאוד מסובך, אבל מהתיאור שכתבת נשמע כאילו הקרן "מאבדת אנרגיה" כתוצאה מהתנגשויות או משהו בסגנון הזה, מה שאינו נכון, ועלול לבלבל לדעתי.

  • י. כהן

    פטה מורגנה

    רן
    מאמר מעניין מאוד
    עכשיו אני יודעת מה זה פטה מורגנה
    אני חייבת לציין שהמאמרים שלך הם מעניינים, קולעים, מובנים
    כך שכל אדם מן הישוב הרוצה לרכוש לעצמו ידע ימצא
    עניין במאמרים שאתה כותב
    בהצלחה
    י.כהן

  • י.ר

    פאטה מורגנה

    למה הקרן חוזרת מהכביש ועולה למעלה?
    האם בגלל הזווית הקריטית? או שיש סיבה אחרת?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןרן טבעוני

    פטה מורגנה

    תודה רבה.