Miraż w służbie nawigacji

W samym środku polarnej nocy nagle zobaczyli słońce. Był 24 stycznia 1597 r., zgodnie z kalendarzem czekały ich jeszcze dwa tygodnie nieustającej ciemności. Trwało to raptem kilka sekund, ale nie mieli żadnych wątpliwości, co widzieli. Cienka wstęga zamigotała ponad południowym horyzontem, zajaśniała, po czym znikła. We trzech wbiegli z powrotem do prowizorycznej chaty, w której grzała się reszta załogi. Na rycinie nieznanego pochodzenia wygląda jak mała stodoła. Miała osiem na pięć metrów.

Zbili ją z pochodzących z okrętu desek, kiedy w wodach oblewających od wschodu archipelag Nowej Ziemi uwięził ich lód. Mieli sporo jedzenia i wino. Wychodzili z niej tylko po to, żeby sprawdzić pułapki na lisy i donieść opału. W środku zaś palenisko, twarde prycze okupowane na zmianę i dużo broni palnej, bo ciągle nachodziły ich niedźwiedzie. Ale to wystarczyło, by w siedemnastu przezimować w Arktyce, gdzie temperatura często spada poniżej minus 30 st. C. Przemieszkali tak od końca października do połowy czerwca, kiedy wreszcie lód puścił i kapitan Willem Barents z załogą mogli wracać do Europy.

Początkowo nikt nie uwierzył tym trzem, którzy akurat wyszli na zewnątrz. Matematyka jednoznacznie wskazywała, że słońce było tego dnia ponad pięć stopni poniżej horyzontu. Ale po dwóch pochmurnych dniach, 27 stycznia zobaczyli je już wszyscy. I to „w całej okrągłości”, jak zanotował cieśla Gerrit de Veer w swoim dzienniku. Ten dziennik stał się potem pierwszym świadectwem zjawiska ochrzczonego mianem „efektu Nowej Ziemi”. Długo towarzyszył mu zresztą sceptycyzm. Wielu historyków do dziś uważa go za konfabulację. Ale dla fizyków to, co zaobserwowali ludzie Barentsa, jest oczywiste jak grawitacja.

Jeziora pośród piasków

Słowem-kluczem jest tu „miraż”, chociaż większość z nas słyszała raczej o fatamorganie. Pierwsze skojarzenie – wędrowiec na skraju śmierci z pragnienia wśród piasków pustyni widzi wodę. To wcale nie musi być Sahara, wystarczy Pustynia Błędowska. I wcale nie trzeba doprowadzać się do stanu agonalnego. Botanik Kazimierz Piech, „Kosmos”, 1924 r.: „W dniu 18 maja 1924 bawiłem we wschodniej części Pustyni Błędowskiej wraz z wycieczką Kursów Nauczycielskich w Krakowie. Poranek tego dnia był chłodny, w południe słońce prażyło dość silnie. W momencie, gdyśmy się znaleźli pośrodku wielkiej płaszczyzny piaszczystej, ukazała nam się w zachodniej stronie pustyni falująca lekko, ciemno stalowa tafla jeziorna, w której przeglądały się wydmy i drzewa na nich rosnące tak, że złudzenie istnienia pobliskiego jeziora było zupełne. Złudzenie to potęgowały jeszcze wysepki na jeziorze, które nie były niczem innem, jak niewielkimi wydmami piaszczystemi, pokrytemi niską roślinnością. Zjawisko to obserwowaliśmy przez przeszło godzinę”.

Zjawiskiem załamywania się światła zajmowano się już w starożytności. Najpierw Archimedes, potem Ptolemeusz domyślali się, że w pewnych warunkach – np. na granicy powietrza i wody – jego promienie mogą zachowywać się nietypowo. Ale trzeba było XX wieku i prof. Waldemara Lehna z Uniwersytetu w Manitobie, by w pełni wyjaśnić „efekt Nowej Ziemi”. Prof. Lehn, dziś na emeryturze, niemal całą karierę naukową poświęcił badaniom miraży.

Powietrze jak lustro

– Zacznijmy od mirażu pustynnego lub drogowego, który chyba każdy z nas widział – mówi „Tygodnikowi”. – Odległy odcinek drogi, który wygląda na mokry. Ale kiedy dojeżdżamy w to miejsce, okazuje się, że droga jest sucha. O co chodzi? Tuż nad nią znajduje się cienka warstwa powietrza, która działa jak lustro. To, co widzimy, nie jest więc rozlaną na jezdni wodą, lecz lustrzanym odbiciem nieba.

Pytanie powinno więc brzmieć nie „dlaczego widzimy wodę”, ale „dlaczego powietrze zachowuje się jak lustro?”. – Pomyślmy o warunkach panujących na drodze. Gdy świeci ostre słońce, asfalt – lub piasek pustyni – nagrzewa się. Ta gorąca warstwa jest bardzo cienka. Jeśli wysiądziemy z auta, nic nie poczujemy, choć lepiej nie stawać boso. W kolejnym etapie wyjaśniania tego zjawiska musimy już zaakceptować odwołanie się do praw fizyki: powietrze będzie zachowywać się jak lustro, jeśli warstwa chłodnego powietrza wejdzie w kontakt z powietrzem gorącym. Światło, które pochodzi z warstwy chłodnej, zostaje do niej z powrotem odbite – tłumaczy prof. Lehn.

A że obraz, który w wyniku tego odbicia powstaje, widziany jest poniżej tej warstwy, mówimy o mirażu dolnym. Żeby zrozumieć miraż górny, a więc to, co przydarzyło się w ostatniej dekadzie XVI wieku ludziom Barentsa, trzeba to tłumaczenie postawić na głowie.

„Efekt Nowej Ziemi” nie był jednorazowym wybrykiem natury. Wcale też jego zasięg nie ograniczał się do syberyjskiego archipelagu. Kolejne doniesienia o obserwacjach nieobecnego na nieboskłonie słońca siłą rzeczy pochodziły głównie od polarników. Fridtjof Nansen, 1894 r.: „Na początku to była płaska, migocząca na czerwono smuga ognia na horyzoncie. Potem smugi były dwie, z ciemnym pasem między nimi. Wreszcie od góry naliczyłem cztery, a może pięć takich poziomych linii jedna pod drugą, wszystkie identycznej długości. Trudno to sobie wyobrazić: kwadratowe, matowoczerwone słońce poszatkowane ciemnymi pasami”.

Transmisja spod Waterloo

Ale to wszystko były słowa. Dopiero prof. Lehn dostarczył bardziej przekonujących dowodów. W maju 1979 r. po raz pierwszy wybrał się w kanadyjską Arktykę. Tuktoyaktuk to sama północ kontynentu, dalej są już tylko archipelagi i tzw. Przejście Północne. Najniżej pod horyzontem słońce miało się wtedy znaleźć o godz. 2.44. Ale tej nocy nigdy nie zniknęło z pola widzenia, choć przybierało najróżniejsze formy. Podobnie całe jego otoczenie uległo zniekształceniu. Dzień polarny nadszedł cztery dni przed czasem. Zdjęcia, które wtedy powstały, były pierwszym wizualnym świadectwem „efektu Nowej Ziemi”. Lehn jeszcze pięciokrotnie jeździł potem do Arktyki ze swoimi studentami i za każdym razem obserwowali miraże.

Te zwane górnymi bywają o wiele bardziej skomplikowane od dolnych. Potrzeba warstwy ciepłego powietrza nad chłodnym, tzw. inwersji. Powstanie lustro, ale – przeciwnie niż przy mirażu dolnym – tym razem będzie nad naszymi głowami. Odbijać się będą w nim – do góry nogami – odległe obiekty. Tym odleglejsze, im większa powierzchnia inwersji. Żeby mogło się to udać w czasie ekspedycji Barentsa przy tak nisko położonym słońcu, musiało to być co najmniej 400 km odległości. Skala to też istotna różnica między oboma typami miraży. Promienie świetlne odbijają się nie w danej warstwie, a w przestrzeni granicznej pomiędzy nimi. W przypadku miraży drogowych i pustynnych ta przerwa ma raptem parę centymetrów. W górnych może sięgać nawet 20 metrów.

I wcale nie są one rzadkością, szczególnie blisko biegunów. W maju ziemia w Arktyce wciąż jest zamarznięta, ale poza tym wszędzie jest już wiosna, co daje sporą szansę na napływ ciepłego powietrza. Jednak nawet na mniejszych szerokościach geograficznych efekty bywają zdumiewające. Według kilku niezależnych relacji o poranku 18 czerwca 1815 r. mieszkańcy belgijskiego Verviers ujrzeli na niebie wojsko. Podobno tak wyraźnie, że można było odróżnić mundury artylerzystów. 105 km dalej, pod Waterloo, trwała ostatnia bitwa Napoleona Bonaparte. W marcu 1917 r. miraż opóźnił zdobycie przez Brytyjczyków Bagdadu. Żołnierze zamiast do wroga, strzelali do nieistniejących celów.

Pchani złudzeniami

Są też według Lehna miraże, które zmieniły bieg historii. Normańscy żeglarze mówili na nie hillingar. Mogli wiedzieć, że gdy z południa wieje ciepły wiatr, ze skrawków znanego im lądu da się zobaczyć inne, odległe krainy. Potrzebowali dwustu lat, żeby z Wysp Owczych przeskoczyć na Islandię, stamtąd na Grenlandię i wreszcie Vinlandię, bo tak nazwali to, co dziś jest Nową Fundlandią. 430 km – tyle ma najdłuższy z najkrótszych odcinków otwartego morza na tej trasie. Islandię z Grenlandią da się połączyć poprowadzoną przez Cieśninę Duńską linią o długości 285 km. Pierwszą obserwację odległego lądu Grenlandii przypisuje się Gunnbjörnowi Ulfssonowi, którego na przełomie VIII i IX wieku zwiało z kursu podczas rejsu z Norwegii na Islandię. Kolejne nordyckie sagi powtarzały jego relacje o nieznanych skalistych wyspach widzianych na zachodnim horyzoncie. W kolejnych wiekach żeglarze pływali w ich kierunku, ale nigdy na nie nie trafili. Znaleźli za to – w latach 80. X wieku za sprawą Eryka Rudego – stały ląd, który okazał się gigantyczną wyspą – Grenlandią. Rzut oka na mapę sugeruje, że wystające z Atlantyku skały mogły być szczytami dorastających do 3,6 tys. m n.p.m. Gór Watkinsa, najwyższego grenlandzkiego pasma. Tak jak ludzie Barentsa zobaczyli na Nowej Ziemi słońce, tak Skandynawom mógł pokazać się ląd. Wystarczył górny miraż o sile podobnej do obserwowanego na Nowej Ziemi. Wiele wskazuje więc na to, że Eryk Rudy nie płynął w nieznane – potrafił czytać wskazówki podrzucane mu przez naturę. Nawet jeśli były tylko złudzeniem.

W XXI wieku, w warunkach ocieplającego się klimatu ciepłe powietrze napływa nad Arktykę coraz częściej. 22 grudnia minionego roku boja dryfująca sto mil od Bieguna Północnego zarejestrowała temperaturę 0,4 st. C na plusie. Również rok wcześniej w tym samym miejscu notowano delikatną odwilż (w tym samym czasie w Polsce panowały mrozy). Czy to oznacza, że miraże staną się w rejonach polarnych jeszcze częstsze?

– Wiele na to wskazuje. Historycznie potężne miraże górne obserwowano na dużych szerokościach geograficznych głęboką zimą – mówi Lehn. – Ale nie wiem, czy zdaje pan sobie sprawę, że już teraz, gdy woda jest zimniejsza od powietrza, są one często widywane na Bałtyku? ©