Fyzika v praxi - proč se vzduch “tetelí”?

Dá se pozorovat v zimě i v létě, ve dne i v noci. Co způsobuje tetelení vzduchu a jak k němu dochází? (délka blogu  min.)

K tomuto blogu mě inspiroval dotaz z diskuze: “Má tetelení vzduchu něco společného s Einsteinovou teorií relativity?” Odpověď je jednoduchá. Nemá. Co ale způsobuje tetelení, když nejde o relativistický efekt? Na vině je, jak jinak - fyzika.

Tetelení, turbulence a index lomu

Tetelení vzduchových vrstev je optický jev. Dobře se dá pozorovat například při jízdě po rozpálené asfaltové silnici.

Nad horkým povrchem (zde asfalt) se vzduch ohřívá obzvláště intenzivně. Horký vzduch pak stoupá do výšky, protože je lehčí než studený.

Nerovnosti a nerovnoměrnost podkladu přitom způsobují, že se vzduch neohřívá všude stejně. Výsledkem jsou malé a lokálně ohraničené vzduchové turbulence, které mají za následek “mihotání” obrazu, vnímané jako tetelení vzduchu.

Studený vzduch má totiž jiný index lomu (bezrozměrný fyzikální koeficient popisující šíření světla a všeobecně elektromagnetického záření v látkách) než teplý vzduch. Dá se to vypočítat podle poměrně jednoduchého vzorce, všeobecně se dá říci, že změna teploty o jeden stupeň, odpovídá změně indexu lomu o zhruba miliontinu jednotky.

Při přechodu světla z teplejšího do chladnějšího vzduchu se díky změně indexu lomu nepatrně mění i dráha světelného paprsku. Jemné a nerovnoměrné turbulence tedy způsobují nerovnoměrné chvění světelného signálu - tetelení.

Jev se dá pozorovat nejen nad rozpálenou silnicí. Stejně tak může docházet k nerovnoměrnému nahřívání také v zimě, nad zasněženou krajinou. I tady je na vině nerovnoměrnost povrchu nebo různé odchylky ve formě rychleji se nahřívajících volně ležících a nezasněžených kamenů, apod. Není tedy tolik důležité, jestli se vzduchové vrstvy od podloží ohřívají nebo ochlazují - důležitý je pro tento jev spíše vznik malých lokálních turbulencí.

Vliv teplotního chvění vzduchu na kvalitu obrazu

Tetelení vzduchu dobře znají fotografové - a astronomové. Jev se totiž dá pozorovat nejen v létě i v zimě - znatelně se projevuje také v noci při pozorování hvězd.

Za dne se projevuje silné mihotání vzduchu fragmenty zdánlivých obrazů, které se objevují v dálce nad zemským povrchem.

Fotoaparáty s automatickým zaostřováním takové fragmenty mohou mást a znesnadňují jim proces zaostření. Projevuje se to nejvíce při fotografováním teleobjektivem.

V noci je vidět tetelení vzduchových vrstev naprosto jednoznačně - téměř všechny objekty na obloze “blikají”. Stálým světlem svítí na naší obloze jen některé planety naší vlastní soustavy - jsou totiž daleko blíže než i ty nejbližší hvězdy - a jejich světlo k nám nepřichází jako bodový zdroj, ale v podobě malého kotoučku (jakkoliv mohou na první pohled pouhým okem vypadat také jako bodový zdroj). Jejich mihotání se zprůměrňuje, proto vypadá jejich obraz na nebi daleko stabilněji než je tomu u hvězd.

Fotograf nemůže proti chvění vzduchu podniknout téměř nic. Může se přesunout do jiného místa, takže vidí fotografovaný objekt pod jiným úhlem a s trochou štěstí pak už není mezi ním a objektem vzduchová vrstva plná turbulencí. Může také počkat, až se změní počasí a turbulence ustanou nebo se alespoň zeslabí.

Astronomové nemají ani tuto možnost. Atmosféra vadí při pozorování hvězd vždy - ať se přesunou kamkoliv. Mohou sice trochu ovlivnit svůj úděl tím, že se přesunou do vyšších poloh, kde už není atmosféra tak hustá - to je ale zhruba všechno. Při fotografování malých bodových objektů neúprosně vznikají díky chvění atmosféry více či méně neostré a “rozmazané” snímky.

Adaptivní optika

Vědci si samozřejmě vědí rady. Vyvinuli systémy, které jim pomáhají tento problém překonat. Některé moderní astronomické teleskopy se dokáží změnám v atmosféře okamžitě a dynamicky přizpůsobovat.

Teleskopy sbírají světlo na plochu svého primárního zrcadla. V systému s adaptivní optikou je zrcadlo poměrně tenké a zespodu je podepřeno soustavou mnoha elektronicky řízených podpěr, které mohou tvar zrcadla mírně měnit mechanickým tlakem. Nerovnoměrnosti v chodu paprsků se tedy vyrovnávají jemnou změnou zakřivení primárního zrcadla. Dnešní systémy jsou schopné provádět takové změny až tisíckrát za sekundu - nahoře zmiňované řízení počítačovou technikou je tedy nezbytné.

Systém adaptivní optiky musí mít o chvění atmosféry neustále přesné informace. Získává je analýzou obrazu z dalekohledu. Proto si vytváří v zorném poli umělý světelný bod, o kterém je známo, jak by měl na snímku vypadat, a jehož zobrazení je také ovlivněno atmosférou. Takový referenční bod se někdy nazývá umělou hvězdou. Vytváří ho laser, který míří na zvolené místo v zorném poli. Vhodně naladěný výkonný laser (oranžové barvy) excituje atomy sodíku přítomné v jedné z vysokých vrstev atmosféry. Při přechodu na nižší energetickou hladinu atomy vyzařují světlo (viz luminiscence) a vytvářejí tak referenční hvězdu, jejíž světlo kazí silná vrstva atmosféry stejně, jako světlo pozorovaných hvězd. Počítač pak může na turbulence v atmosféře velice rychle reagovat a korigovat je změnou tvaru zrcadla dalekohledu.

Rozdíl v ostrosti takto získaných snímků je fascinující. A to nejen u pozorovaných hvězd - ale také zmiňovaných planet. Na dolním snímku je rozdíl na příkladu planety Neptunu.

Tetelení pozorovaného obrazu za horkého dne tedy opravdu nemá nic společného s gravitačními čočkami, tak jak je předpověděl velikán fyziky dvacátého století, Albert Einstein. Je to lokální jev, který se projevuje při nerovnoměrném zahřívání nebo ochlazování vzduchu.