Eine Fata Morgana entsteht, wenn Licht durch übereinanderliegende Luftschichten mit unterschiedlichen Temperaturen läuft und dabei fortlaufend gebrochen wird. Das Auge verfolgt die ankommenden Lichtstrahlen gedanklich geradlinig zurück. Dadurch erscheint ein entferntes Objekt an einer Stelle, an der es sich tatsächlich nicht befindet – zum Beispiel als vermeintliche Wasserfläche auf einer heißen Straße oder als verzerrtes Bild über dem Horizont.
Es handelt sich also nicht um eine Einbildung und auch nicht um ein Spiegelbild an einer unsichtbaren Fläche. Die Lichtstrahlen erreichen das Auge wirklich, haben auf dem Weg durch die Atmosphäre jedoch eine gekrümmte Bahn genommen.
Warum unterschiedlich warme Luft das Licht ablenkt
Luft besitzt je nach Temperatur eine etwas andere Dichte. Kalte Luft ist bei vergleichbarem Druck dichter als warme Luft und hat einen geringfügig anderen Brechungsindex. Trifft Licht schräg auf den Übergang zwischen verschieden temperierten Luftbereichen, ändert sich seine Ausbreitungsrichtung.
In der freien Atmosphäre liegen diese Bereiche meistens nicht wie scharf getrennte Glasscheiben übereinander. Die Temperatur und damit der Brechungsindex verändern sich allmählich. Ein Lichtstrahl wird deshalb nicht nur einmal an einer klaren Grenze geknickt, sondern entlang seines Weges immer wieder ein wenig abgelenkt. Seine Bahn kann dadurch sichtbar gekrümmt sein.
Das Gehirn berücksichtigt diese Krümmung bei der räumlichen Zuordnung nicht. Es geht im Alltag davon aus, dass Licht geradlinig zum Auge gelangt. Verlängert es den zuletzt eintreffenden Strahl zurück, entsteht ein virtuelles Bild oberhalb oder unterhalb der tatsächlichen Position des Gegenstands.
Die vermeintliche Pfütze auf einer heißen Straße
Das bekannte Schimmern über Asphalt ist eine untere Luftspiegelung. Sonneneinstrahlung erhitzt die Straßenoberfläche stark. Die Luft unmittelbar darüber wird wärmer als die höher gelegene Luft. Licht vom hellen Himmel fällt schräg nach unten und gelangt durch immer wärmere Luftschichten. Dabei wird seine Bahn nach oben gekrümmt, sodass es schließlich das Auge eines entfernten Beobachters erreicht.
Weil das Auge den ankommenden Lichtstrahl geradlinig zurückverfolgt, scheint das Himmelslicht vom Boden zu kommen. Die Straße sieht stellenweise nass aus, obwohl dort kein Wasser liegt. Fahrzeuge, Bäume oder andere entfernte Objekte können zusätzlich ein auf dem Kopf stehendes, flimmerndes Bild unterhalb ihrer tatsächlichen Position zeigen.
Beim Näherkommen verschwindet die vermeintliche Pfütze nicht einfach an derselben Stelle. Sie scheint nach vorn auszuweichen, weil sich Beobachtungswinkel und Strahlenweg verändern. Dieses Verhalten unterscheidet die Luftspiegelung von echtem Wasser auf der Fahrbahn.
Wenn entfernte Objekte über dem Horizont erscheinen
Bei einer oberen Luftspiegelung ist die Temperaturschichtung umgekehrt: Nahe der Oberfläche befindet sich vergleichsweise kalte Luft, darüber liegt wärmere Luft. Eine solche Temperaturinversion kann unter anderem über kalten Wasser- oder Eisflächen auftreten. Die Lichtstrahlen werden dann so gekrümmt, dass ein entferntes Objekt höher erscheint, als es tatsächlich steht.
Schiffe können dadurch scheinbar über dem Meer schweben. Unter geeigneten Bedingungen werden sogar Gegenstände sichtbar, die wegen der Erdkrümmung normalerweise hinter dem Horizont verborgen wären. Das Bild kann aufrecht, umgekehrt, gestreckt oder mehrfach vorhanden sein. Welche Form sichtbar wird, hängt vom Verlauf der Temperatur mit der Höhe und vom Standort des Beobachters ab.
Im engeren meteorologischen Sinn bezeichnet Fata Morgana eine besonders komplexe Form der oberen Luftspiegelung. Mehrere aufrechte und umgekehrte Bildteile können übereinanderliegen, sich verformen und rasch verändern. Im Alltag wird der Ausdruck häufig weiter gefasst und auch für die scheinbare Wasserfläche über heißem Boden verwendet.
Warum die Erscheinung flimmert und ihre Form verändert
Die Luft über stark erwärmtem Boden steht nicht vollkommen still. Kleine Wirbel mischen wärmere und kühlere Bereiche miteinander. Dadurch ändern sich Dichte, Brechungsindex und Verlauf der Lichtstrahlen fortlaufend. Das virtuelle Bild wirkt dann unruhig, verschwommen oder wellenförmig.
Bei komplexen Luftspiegelungen kann bereits eine geringe Änderung der Temperaturschichtung einzelne Bildteile verschieben. Ein entferntes Schiff erscheint dann kurzzeitig gestreckt, zusammengedrückt oder in mehrere Segmente zerlegt. Auch eine Bewegung des Beobachters verändert den Blickwinkel und damit die sichtbare Darstellung.
Die Luftspiegelung bildet grundsätzlich vorhandenes Licht ab. Sie kann ein entferntes Objekt versetzen und verzerren, aber keine beliebigen Städte, Oasen oder Schiffe aus dem Nichts erzeugen. Was wie ein neues Objekt aussieht, geht auf eine reale Landschaft, den Himmel oder einen tatsächlichen Gegenstand außerhalb der scheinbaren Bildposition zurück.
So lässt sich eine Luftspiegelung im Alltag erkennen
Mehrere Beobachtungen helfen dabei, eine Fata Morgana von einer echten Wasserfläche oder einem wirklichen Objekt zu unterscheiden:
- Das Bild flimmert, verändert seine Höhe oder zerfällt in unscharfe Bereiche.
- Eine vermeintliche Wasserfläche auf Asphalt weicht beim Annähern zurück.
- Die Erscheinung liegt dicht über einer stark erwärmten Fläche oder über einem auffallend kalten Untergrund.
- Entfernte Gegenstände wirken gespiegelt, gestreckt, gestaucht oder mehrfach abgebildet.
- Schon eine kleine Veränderung des Standorts lässt das Bild deutlich anders aussehen oder vollständig verschwinden.
Eine einfache Gegenprobe gelingt bei der vermeintlichen Pfütze auf einer geraden Straße: Bleibt die glänzende Stelle trotz der Vorwärtsbewegung stets weit entfernt und verändert sie ihre Form, spricht das für eine untere Luftspiegelung. Eine echte nasse Stelle behält dagegen ihre Position zur Fahrbahn und wird beim Näherkommen räumlich klarer erkennbar.
Nicht jede Spiegelung am Himmel ist eine Fata Morgana
Ein Regenbogen, ein Halo um Sonne oder Mond und eine Nebensonne beruhen ebenfalls auf optischen Vorgängen in der Atmosphäre, entstehen aber auf andere Weise. Bei ihnen spielen Wassertröpfchen oder Eiskristalle eine zentrale Rolle. Eine Fata Morgana benötigt dagegen vor allem einen ausreichend starken Temperaturgradienten zwischen benachbarten Luftschichten.
Auch das gewöhnliche Flimmern über einem Grill, einer Heizung oder einer heißen Motorhaube folgt demselben Grundprinzip der Lichtbrechung in unterschiedlich warmer Luft. Dabei ist häufig kein klar versetztes Fernbild zu sehen, weil die warmen Luftwirbel kleinräumig und unregelmäßig sind. Gerade dieses Flimmern macht den zugrunde liegenden Effekt jedoch unmittelbar sichtbar.
Was für die Beobachtung zusammenkommen muss
Eine ausgeprägte Luftspiegelung braucht einen deutlichen Temperaturunterschied, einen passenden flachen Blickwinkel und ein geeignetes entferntes Motiv. Über heißem Asphalt liefert der helle Himmel das scheinbar vom Boden kommende Licht. Über kaltem Meer können Küstenlinien oder Schiffe durch eine Inversionsschicht angehoben und verzerrt erscheinen.
Die Entfernung allein entscheidet nicht. Ohne passende Temperaturschichtung verläuft das Licht annähernd geradlinig, und das Phänomen bleibt aus. Umgekehrt kann eine günstige Schichtung entfernte Bilder sehr auffällig verändern. Darin liegt der Kern der Erscheinung: Nicht das Objekt bewegt sich an einen unwirklichen Ort, sondern die Atmosphäre lenkt sein Licht auf einem ungewöhnlichen Weg zum Auge.
