لماذا نرى المياه المزيفة على الطرق في الأيام الحارة المشمسة؟ هكذا تعمل ظاهرة «السراب»

ربما تكون قد سمعت عن ظاهرة السراب ولكنك لم تصادفها؛ فمثلاً في أثناء القيادة بيوم حار مشمس، ربما تفاجأ برؤية بركة مائية على الطريق على بُعد بضع مئات من الأمتار. ومع ذلك، فعند قطع تلك المسافة، والوصول إلى مكان بركة المياه، لا تجد الماء. ربما حينها ستجد أن الماء انتقل بضع مئات من الأمتار مرة أخرى، حينما تصل إليها أيضاً تكون قد اختفت.

من الممكن أن يتبادر إلى ذهنك أن الماء الذي رأيته، قد تبخر قبل وصولك إليه، ولكن يؤسفنا أن نبلغك أن إجابتك خاطئة، فما رأيته مجرد سراب.

إن أردت التعرف على تلك الظاهرة الغريبة وتفسيرها العلمي، فإننا ندعوك لمتابعة هذا التقرير.
ما السراب؟ وما علاقته بسرعة الضوء؟

السراب عبارة عن ظاهرة بصرية وهمية تنتج عن انكسار أشعة الضوء بسبب اختلاف درجات حرارة الهواء فوق الطريق، حيث تكون طبقة الهواء القريبة من الطريق أشد حرارة وسخونة من التي تعلوها.
هكذا تعمل ظاهرة «السراب»

ينتقل الضوء في خط مستقيم بسرعة ثابتة تبلغ نحو 300 مليون متر في الثانية، ومع ذلك، تتأثر سرعته بالوسط الذي ينتقل من خلاله. فعلى الرغم من أن الضوء ينتقل بهذه السرعة في الفراغ، فإنه يتباطأ قليلاً عندما ينتقل من وسط أرقّ (هواء) إلى وسط أكثر كثافة (زجاج أو ماء).

فعلى سبيل المثال، عندما ينتقل الضوء في الهواء فإنه يسير في خط مستقيم، وعندما يمر إلى الماء، فإن كثافة الوسط تزداد فينكسر شعاع الضوء، مغيّراً اتجاهه ليسير في خط مستقيم جديد، وهذا هو سبب رؤية القلم مكسوراً عند وضعه في كوب به ماء، بحيث يكون جزء من القلم في الهواء والآخر تحت الماء.

فلأننا نرى الأجسام نتيجة انعكاس الضوء عليها، فإن الضوء المنعكس لأعيننا من القلم يأتي من وسطين مختلفين (ماء وهواء). الجزء الموجود في الهواء يسير في خط مستقيم إلى العين، في حين أن الجزء الموجود بالماء، ينتقل منه الضوء في الماء ثم الهواء ليصل إلى العين، فيحدث له انكسار على الحد الفاصل بين الوسطين، وتختلف السرعة فيظهر القلم كأنه منكسر.
لماذا تقل سرعة الضوء في الأوساط الأكثر كثافة؟

تقل سرعة الضوء في الأوساط ذات الكثافة المرتفعة عن الأوساط ذات الكثافة المنخفضة، ويحدث هذا التباطؤ الواضح عندما تتفاعل الفوتونات (الجسيمات المجهرية التي تشكل الضوء) مع جزيئات الوسط الذي تنتقل منه. نتيجة لذلك، يتم امتصاصها وتنبعث مراراً وتكراراً، وهو ما يقلل من متوسط سرعة الضوء بواسطة جزء صغير في وسط معين.

وتسمى النسبة التي يتم بها تباطؤ الضوء في وسط معين باسم معامل الانكسار لهذا الوسط.

ويعتمد معامل الانكسار في الوسط جزئياً على درجة حرارته. عادةً، كلما ارتفعت درجة حرارة الوسط، قلت درجة الكثافة، وتزداد سرعة الضوء. والعكس صحيح، فعند انخفاض درجة الحرارة لوسط معين، تزداد كثافته، وتقل فيه سرعة الضوء.
كيف يتكون سراب الماء على الطرق الحارة؟

في الأيام الحارة المشمسة، تشرق الشمس على الطريق كثيراً، ونظراً إلى أن الطرق سوداء، فإنها تمتص كثيراً من الحرارة وتصبح أكثر حرارة من الأجسام ذات الألوان الفاتحة. هذا بدوره يرفع درجة حرارة الهواء فوق سطح الطريق عن الهواء أعلاها، فينشأ جيب من الهواء الدافئ أسفل طبقات من الهواء البارد نسبياً.

يؤدي هذا إلى إنشاء وسط غير منتظم، حيث يصبح الهواء الموجود أعلى الطريق مباشرة أكثر سخونة؛ ومن ثم أقل كثافة من بقية الهواء.

تنتقل أشعة الضوء من الشمس عبر الهواء في خط مستقيم، ولكن عندما تصل إلى الطبقة الأكثر دفئاً وأقل كثافة فوق الطريق، تزيد سرعتها قليلاً وتغيّر مسارها.

ولأن الهواء البارد أكثر كثافة ولديه معامل انكسار أكبر، فهذا يعني أنه مع مرور الضوء من الهواء البارد إلى الهواء الساخن، فإنه ينحني للأعلى نحو الهواء الكثيف وبعيداً عن الأرض.

فالضوء ينتقل من السماء إلى الأسفل باتجاه الطريق الساخن، يتحرك عبر طبقات الهواء الحارة والأقل كثافة بسرعة أكبر من الطبقات الأبرد؛ وهو ما يؤدي إلى تغيير السرعة والانكسار في أثناء تحركها عبر كل طبقة. يختتم هذا المسلك ويأخذ مساراً على شكل حرف U باتجاه أسفل الطريق، ثم موازياً له ثم يعود أخيراً إلى الأعلى، حيث قد يلتقي عين شخص يقف على الطريق.
لماذا ترى العين سراب الماء؟

بالنسبة للعين، يبدو أن هذه الأشعة المنحرفة تأتي من الأرض، لذلك ترى صورة للسماء على الأرض. هذا يبدو كأنه انعكاس على سطح بركة من المياه، والتي يمكن أن تسبب البلبلة بسهولة. ومن ثم، فإن المياه التي تراها على الطريق ليست مياهاً حقاً، ولكنها صورة منعكسة للسماء.

فلأن المخ يعلم أن وجود السماء على الأرض أمر غير منطقي، لذلك غالباً ما ينتهي بك الأمر إلى تصور السراب كمياهٍ على الطريق تعكس السماء.

يمكنك رؤية ظاهرة السراب شديدة الوضوح في مساحات شاسعة من الأرض