Sólin Sólin Rís 05:29 • sest 21:25 í Reykjavík
Tunglið Tunglið Rís 19:47 • Sest 05:31 í Reykjavík
Flóð Flóð Árdegis: 05:41 • Síðdegis: 18:03 í Reykjavík
Fjaran Fjara Árdegis: 11:54 • Síðdegis: 24:11 í Reykjavík

Hvað eru hitahillingar og hvernig er hægt að útskýra þær á vísindalegan hátt?

Ari Ólafsson

Með misleitu efni, þar sem svonefndur ljósbrotstuðull (e. index of refraction) breytist með staðsetningu í efninu, verður tilveran fjölbreyttari en þegar brotstuðulinn er sá sami alls staðar í efninu. Þá svigna ljósgeislar á ferð sinni um efnið. Þar sem breyting á hitastigi með hæð í loftlögum næst jörðu veldur breytingum á þéttleika loftsins, það er fjölda sameinda á rúmmmálseiningu, koma fram hillingar.

Mynd 1. Hitahillingar (e. inferior mirage) geta komið fram á heitum degi þegar yfirborð jarðar hitnar í sólskini og hitar loftið næst jörðu. Þá lækkar hitastigið og þar með ljóshraðinn með hæð. Þessar aðstæður geta framkallað hillingar þar sem sveigja ljósgeislanna færir mynd af fjarlægu fyrirbæri neðar, jafnvel svo að neðri hluti fyrirbærisins hverfur bak við sjóndeildarhring.

Án hitastiguls við jörð fara ljósgeislar eftir beinum línum. Vegna sveigju yfirborðs jarðar myndast sjóndeildarhringur þar sem geisli frá auga athuganda snertir yfirborð jarðar en sker ekki. Þegar hitastig loftsins næst jörðu lækkar með hæð, lækkar ljóshraðinn líka með hæð. Ljósgeislar sveigja því frá jörðu og sjóndeildarhringur færist nær athuganda. Neðsti hluti fyrirmyndar sem er handan sjóndeildarhrings sést ekki. Mynd 2 sýnir reiknaðar geislabrautir fyrir mismunandi lokastefnur geisla inn til augna athuganda. Athugið að öll stefnuhorn á myndinni eru mikið ýkt, því lengdarkvarðar á ásunum tveimur eru mjög ólíkir. Forsendur í útreikningunum eru að augu athuganda séu í hæðinni 1,5 m og breyting á brotstuðli 10-5 á fyrstu 15 hæðarmetrunum en engin þar fyrir ofan. Brotstuðulsbreytingin er nálægt því að samsvara 10°C hitafalli á fyrstu 15 metrunum. Þar sem allir fletir (jafnvel dökkir) verða vel speglandi þegar horn milli geisla og flatar verður lítið, eru stefnuhorn sem gefa speglun líka tekin með á myndinni. Ferillinn sem stefnir hraðast niður með fjarlægð frá auga á fyrsta kaflanum samsvarar stefnuhorninu -0,30° við lárétt, og næstu ferlar koma með 0,05° bili, upp að +0,20°. Auk ofantalinna ferla er geislabrautin, sem markar sjóndeildarhringinn í fjarlægðinni 1900 m undir stefnuhorninu -0,09°, dregin í ljósbláum lit. Án hitastiguls væri sjóndeildarhringurinn í 4400 m fjarlægð með stefnuhornið -0,02°.

Mynd 2. Geislabrautir hitahillinga fyrir jaðarskilyrðin 10°C lækkun á hitastigi á fyrstu 15 m frá jörðu og fast hitastig þar fyrir ofan. Augnhæð athuganda er í 1,5 m. Neðsti ferillinn á fyrsta kaflanum frá athuganda er með stefnuhornið -0,30° við lárétt, og næstu ferlar koma með 0,05° bili, upp að +0,20°. Auk ofantalinna ferla er geislabrautin, sem markar sjóndeildarhringinn í fjarlægðinni 1900 m undir stefnuhorninu -0,09°, dregin í ljósbláum lit. Neðstu 5 geislarnir á þessum kafla speglast af yfirborði jarðar.

Til þess að skoða samhengi fyrirmyndar og hillingarmyndar skulum við hugsa okkur 10 m hátt spjald sem koma má fyrir sem fyrirmynd í ákveðinni fjarlægð frá athuganda. Spjaldið er þríhyrningur sem situr á einni hliðinni og mjókkar því upp. Fimm láréttar litaðar rendur hjálpa til við að einkenna hæðarpunkta á spjaldinu, eins og mynd 3 sýnir. Mynd 4 sýnir hillingarmyndir af spjaldinu í fjarlægðunum 2 km, 3 km og 4 km frá athuganda. Svarti ófyllti ramminn á 2 km myndhlutanum sýnir hvernig spjaldið sæist án hitastiguls, það er án hillinga. Efri hlutarnir á þrískiptri myndinni sýna hillingarmyndir án speglunar. Þessar myndir snúa rétt og eru aðeins lítillega bjagaðar að formi. Þegar fjarlægð í fyrirmyndina vex sker sjóndeildarhringurinn meira neðan af myndinni af spjaldinu. Neðri hlutarnir á myndinni snúa öfugt og eru afrakstur einnar speglunar á yfirborði og geislasvignunar. Speglaða myndin af spjaldinu er bjagaðri að formi en sú óspeglaða, með bogna jaðra.

Mynd 3. 10 m hátt spjald sem notað er sem fyrirmynd hillingamyndarinnar. Hæðarhnit á spjaldinu má lesa úr bæði lit og breidd spjalds. Litarendurnar eru 2 m á hæð hver.

Mynd 4. Hitahillingarmyndir fyrir 3 fjarlægðir milli athuganda og spjalds. Svarti ófyllti ramminn á 2 km myndhlutanum sýnir hvernig spjaldið sæist án hitastiguls. Efri hluti hillingarmyndanna sýnir það sem er ofan sjóndeildarhrings af spjaldinu, með toppinn upp og hliðarnar lítið bjagaðar. Neðri hluti myndanna er afrakstur speglunar frá yfirborði jarðar og sýnir spjaldið á hvolfi og hliðarnar bjagaðar. Sjóndeildarhringur er í fjarlægðinni 1900 m.

Hitahillingar eru óstöðugar vegna hringstreymis, heitara loft í neðsta lagi leitar upp en kaldara í efri lögum niður. Hillingamyndin og sjóndeildarhringurinn flökta því með smávægilegum breytingum á geislabrautum. Þetta fyrirbæri köllum við tíbrá (e. heat haze). Stjörnur himinsins tindra af sömu ástæðu.

Myndir:

Höfundur

Ari Ólafsson

dósent emeritus í eðlisfræði við HÍ

Útgáfudagur

26.3.2024

Spyrjandi

Sara Líf

Tilvísun

Ari Ólafsson. „Hvað eru hitahillingar og hvernig er hægt að útskýra þær á vísindalegan hátt?“ Vísindavefurinn, 26. mars 2024. Sótt 22. apríl 2024. http://visindavefur.is/svar.php?id=86397.

Ari Ólafsson. (2024, 26. mars). Hvað eru hitahillingar og hvernig er hægt að útskýra þær á vísindalegan hátt? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/svar.php?id=86397

Ari Ólafsson. „Hvað eru hitahillingar og hvernig er hægt að útskýra þær á vísindalegan hátt?“ Vísindavefurinn. 26. mar. 2024. Vefsíða. 22. apr. 2024. <http://visindavefur.is/svar.php?id=86397>.

Chicago | APA | MLA

Spyrja

Sendu inn spurningu LeiðbeiningarTil baka

Hér getur þú sent okkur nýjar spurningar um vísindaleg efni.

Hafðu spurninguna stutta og hnitmiðaða og sendu aðeins eina í einu. Einlægar og vandaðar spurningar um mikilvæg efni eru líklegastar til að kalla fram vönduð og greið svör. Ekki er víst að tími vinnist til að svara öllum spurningum.

Persónulegar upplýsingar um spyrjendur eru eingöngu notaðar í starfsemi vefsins, til dæmis til að svör verði við hæfi spyrjenda. Spurningum er ekki sinnt ef spyrjandi villir á sér heimildir eða segir ekki nægileg deili á sér.

Spurningum sem eru ekki á verksviði vefsins er eytt.

Að öðru leyti er hægt að spyrja Vísindavefinn um allt milli himins og jarðar!

=

Senda grein til vinar

=

Hvað eru hitahillingar og hvernig er hægt að útskýra þær á vísindalegan hátt?
Með misleitu efni, þar sem svonefndur ljósbrotstuðull (e. index of refraction) breytist með staðsetningu í efninu, verður tilveran fjölbreyttari en þegar brotstuðulinn er sá sami alls staðar í efninu. Þá svigna ljósgeislar á ferð sinni um efnið. Þar sem breyting á hitastigi með hæð í loftlögum næst jörðu veldur breytingum á þéttleika loftsins, það er fjölda sameinda á rúmmmálseiningu, koma fram hillingar.

Mynd 1. Hitahillingar (e. inferior mirage) geta komið fram á heitum degi þegar yfirborð jarðar hitnar í sólskini og hitar loftið næst jörðu. Þá lækkar hitastigið og þar með ljóshraðinn með hæð. Þessar aðstæður geta framkallað hillingar þar sem sveigja ljósgeislanna færir mynd af fjarlægu fyrirbæri neðar, jafnvel svo að neðri hluti fyrirbærisins hverfur bak við sjóndeildarhring.

Án hitastiguls við jörð fara ljósgeislar eftir beinum línum. Vegna sveigju yfirborðs jarðar myndast sjóndeildarhringur þar sem geisli frá auga athuganda snertir yfirborð jarðar en sker ekki. Þegar hitastig loftsins næst jörðu lækkar með hæð, lækkar ljóshraðinn líka með hæð. Ljósgeislar sveigja því frá jörðu og sjóndeildarhringur færist nær athuganda. Neðsti hluti fyrirmyndar sem er handan sjóndeildarhrings sést ekki. Mynd 2 sýnir reiknaðar geislabrautir fyrir mismunandi lokastefnur geisla inn til augna athuganda. Athugið að öll stefnuhorn á myndinni eru mikið ýkt, því lengdarkvarðar á ásunum tveimur eru mjög ólíkir. Forsendur í útreikningunum eru að augu athuganda séu í hæðinni 1,5 m og breyting á brotstuðli 10-5 á fyrstu 15 hæðarmetrunum en engin þar fyrir ofan. Brotstuðulsbreytingin er nálægt því að samsvara 10°C hitafalli á fyrstu 15 metrunum. Þar sem allir fletir (jafnvel dökkir) verða vel speglandi þegar horn milli geisla og flatar verður lítið, eru stefnuhorn sem gefa speglun líka tekin með á myndinni. Ferillinn sem stefnir hraðast niður með fjarlægð frá auga á fyrsta kaflanum samsvarar stefnuhorninu -0,30° við lárétt, og næstu ferlar koma með 0,05° bili, upp að +0,20°. Auk ofantalinna ferla er geislabrautin, sem markar sjóndeildarhringinn í fjarlægðinni 1900 m undir stefnuhorninu -0,09°, dregin í ljósbláum lit. Án hitastiguls væri sjóndeildarhringurinn í 4400 m fjarlægð með stefnuhornið -0,02°.

Mynd 2. Geislabrautir hitahillinga fyrir jaðarskilyrðin 10°C lækkun á hitastigi á fyrstu 15 m frá jörðu og fast hitastig þar fyrir ofan. Augnhæð athuganda er í 1,5 m. Neðsti ferillinn á fyrsta kaflanum frá athuganda er með stefnuhornið -0,30° við lárétt, og næstu ferlar koma með 0,05° bili, upp að +0,20°. Auk ofantalinna ferla er geislabrautin, sem markar sjóndeildarhringinn í fjarlægðinni 1900 m undir stefnuhorninu -0,09°, dregin í ljósbláum lit. Neðstu 5 geislarnir á þessum kafla speglast af yfirborði jarðar.

Til þess að skoða samhengi fyrirmyndar og hillingarmyndar skulum við hugsa okkur 10 m hátt spjald sem koma má fyrir sem fyrirmynd í ákveðinni fjarlægð frá athuganda. Spjaldið er þríhyrningur sem situr á einni hliðinni og mjókkar því upp. Fimm láréttar litaðar rendur hjálpa til við að einkenna hæðarpunkta á spjaldinu, eins og mynd 3 sýnir. Mynd 4 sýnir hillingarmyndir af spjaldinu í fjarlægðunum 2 km, 3 km og 4 km frá athuganda. Svarti ófyllti ramminn á 2 km myndhlutanum sýnir hvernig spjaldið sæist án hitastiguls, það er án hillinga. Efri hlutarnir á þrískiptri myndinni sýna hillingarmyndir án speglunar. Þessar myndir snúa rétt og eru aðeins lítillega bjagaðar að formi. Þegar fjarlægð í fyrirmyndina vex sker sjóndeildarhringurinn meira neðan af myndinni af spjaldinu. Neðri hlutarnir á myndinni snúa öfugt og eru afrakstur einnar speglunar á yfirborði og geislasvignunar. Speglaða myndin af spjaldinu er bjagaðri að formi en sú óspeglaða, með bogna jaðra.

Mynd 3. 10 m hátt spjald sem notað er sem fyrirmynd hillingamyndarinnar. Hæðarhnit á spjaldinu má lesa úr bæði lit og breidd spjalds. Litarendurnar eru 2 m á hæð hver.

Mynd 4. Hitahillingarmyndir fyrir 3 fjarlægðir milli athuganda og spjalds. Svarti ófyllti ramminn á 2 km myndhlutanum sýnir hvernig spjaldið sæist án hitastiguls. Efri hluti hillingarmyndanna sýnir það sem er ofan sjóndeildarhrings af spjaldinu, með toppinn upp og hliðarnar lítið bjagaðar. Neðri hluti myndanna er afrakstur speglunar frá yfirborði jarðar og sýnir spjaldið á hvolfi og hliðarnar bjagaðar. Sjóndeildarhringur er í fjarlægðinni 1900 m.

Hitahillingar eru óstöðugar vegna hringstreymis, heitara loft í neðsta lagi leitar upp en kaldara í efri lögum niður. Hillingamyndin og sjóndeildarhringurinn flökta því með smávægilegum breytingum á geislabrautum. Þetta fyrirbæri köllum við tíbrá (e. heat haze). Stjörnur himinsins tindra af sömu ástæðu.

Myndir:

...