Gruppe: Tobias Ruff, Pietro Kube, Daniel Schneider, Christian Weber
Die Luftspiegelung nach unten kann man oft im Sommer auf einer Straße sehen. Das Bild ist meist leicht verschwommen. Außerdem sieht man nur einen kleinen Bildausschnitt, nämlich nur bei sehr flach einfallender Blickrichtung.
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Wie kommt es, dass das gestreute Licht von den Autos auf zwei verschiedenen Wegen in das Auge des Betrachters kommt und man zwei Autos sehen kann?
Folgendes Bild (bsv Physik 2; S.83) ist falsch, da es in Wirklichkeit keine scharfe Grenze zwischen den Schichten gibt (nicht wie bei Spiegelung im Wasser).
Luftspiegelungen beruhen nicht auf Totalreflexionen!
Entscheidend ist die unterschiedliche Temperatur der Luft. Die Temperatur des schwarzen Asphalts ist wesentlich höher als die der Luft in 1,5m Höhe. Es herrscht ein Temperaturgefälle von unten nach oben.
Es entstehen also Luftschichten mit unterschiedlichen Temperaturen (warme Luft = optisch dünn; kalte Luft = optisch dicht), die fließend ineinander übergehen (siehe horizontale Linien im Detailausschnitt des unteren Bildes). Ein Lichtstrahl wird beim Übergang von einer kalten zu einer warmen Luftschicht vom Lot weg gebrochen (siehe Detailausschnitt im unteren Bild). Verläuft der Lichtstrahl parallel zum Boden, so wird er wegen dem Huygensschen Prinzip (siehe Merzyn: Sogenannte Luftspiegelung in: NiU-P/C 32 (1984) S.57) wieder nach oben gebrochen.
Nur bis ca. 1m über dem Erdboden ist das Temperaturgefälle so groß, dass es zu einer starken Krümmung des Lichtweges kommen kann. Über ca. 1m Höhe verlaufen die Lichtstrahlen annähernd gerade. Dadurch sind von einem Gegenstandspunkt aus zwei Lichtwege zum Beobachter möglich: ein direkter und ein stärker gekrümmter Lichtweg (Strahl 1 und 3 im Bild unten). Die stärker gekrümmten Lichtstrahlen von verschiedenen Gegenstandspunkten schneiden sich; das führt zur Vertauschung von unten und oben beim "gespiegelten " Bild.
Mit Totalreflexion haben diese Lichtwege überhaupt nichts zu tun, die obige Abbildung aus dem Schulbuch ist also schlicht falsch. Für den Beobachter ist allerdings das Bild wie gespiegelt (daher auch die Bezeichnung "Luftspiegelung") und von einem totalreflektierten Bild nicht zu unterscheiden.
Bei der "Luftspiegelung" kommt es entscheidend auf das Temperaturgefälle, nicht auf die absolute Temperatur an. Man kann sehr wohl "Luftspiegelungen" auch bei bedecktem Himmel beobachten, auch bei Temperaturen unter 0°C.
(Finnland: Leuchtturm von Isokari)