Tatry znad Kielczy – refrakcyjny fenomen na przykładzie dalekich obserwacji z drona.

Zdjęcia przedstawiają: Tatry
Miejsce: Gajowice / pow. gliwicki /woj.śląskie  oraz Kielcza / pow. strzelecki / woj.opolskie.
Wysokość obserwatora:  Gajowice  – ok. 300 m n.p.m. ; Kielcza 250m.n.p.m. + AGL 120m
Odległość: ~190 km
Czas: 18.12.2023 oraz 19.12.2023
Autor: Adam Sikora.
Sprzęt: DJI Inspire 2, X5S, Lumix 175mm,  AGL 120m

Opis: Podczas dalekich fotografii Tatr wykonanych z drona w dniach 18-19 grudnia 2023 roku zauważono interesujące efekty refrakcji atmosferycznej. Refrakcja, czyli załamanie światła w atmosferze, wywołuje zmiany w widoczności obiektów, zwłaszcza gdy dochodzi do zmian gęstości powietrza na różnych wysokościach. W tym przypadku, dzięki przejrzystej atmosferze, można było zaobaczyć niezwykłe zjawiska refrakcji, które wpływały na percepcję wysokich szczytów górskich. Obserwując Tatry z różnych wysokości, można było dostrzec, jak zmieniają się ich kształty i widoczność, co jest efektem różnic w kącie padania światła oraz zmienności współczynnika refrakcji w warstwie granicznej atmosfery. Te obserwacje stanowią cenny przykład dynamiki refrakcji atmosferycznej w zależności od warunków pogodowych i wysokości obserwacji.

Zacznijmy od poranku 18.12.2023 r, i zdjęć z gruntu w okolicy Gajowic , pow. gliwicki , woj. śląskie. Autor: Adam Sikora.

Kolejnego dnia Adam wykonał serię zdjęć i ujęć z drona znad okolic Kiełczy  w województwie opolskim. Popatrzmy na fascynujący przykład dalekich obserwacji z drona.

Zbliżenie na Tatry i zmianę obrazu wraz z wysokością obserwatora pokazano na zdjęciach poniżej.

Szczegółowy opis – analiza Mariusza Krukara:

18 oraz 19 grudnia to jedne z najlepszych dni mijającej zimy, w którym obserwatorzy mogli nie tylko bezproblemowo dostrzegać odległe obiekty dzięki przejrzystej atmosferze, ale także być świadkami niecodziennego „zachowania” refrakcji atmosferycznej. Refrakcja atmosferyczna jest zjawiskiem powszechnym występującym w przyrodzie. Wyróżniamy zarówno refrakcję astronomiczną, dla której przyjęło się z góry założone standardy jako, że dotyczy ona działania atmosfery ziemskiej jako całości. Z kolei refrakcja ziemska (geodezyjna), będąc jej pochodną warunkowana jest głównie przez lokalne właściwości najniższej warstwy atmosfery ziemskiej – troposfery, gdyż tam zachodzi 80% zjawisk pogodowych. Idąc dalej tym rozumowaniem będzie to w dużej mierze dolna troposfera, w której zachodzą zjawiska inwersji i gdzie dynamika temperatury powietrza jest największa. Natomiast sama definicja refrakcji została już wytłumaczona, toteż w celu jej przypomnienia należy odwiedzić tą zakładkę. Jako ciekawostkę warto dodać także trzeci typ refrakcji związany ściśle z pracami geodezyjnymi. Jest nią refrakcja niwelacyjna.
Znając występowanie tego zjawiska należy zdać sobie z jego specyfiki, której podstawą jest zmienność w czasie i przestrzeni. Skoro wielkość refrakcji warunkuje pionowy gradient temperatury musimy być świadomi, że ten ulega ciągłym zmianom w zależności od sytuacji synoptycznej nad danym obszarem. Co bardziej interesujące, dla obserwatora znajdującego się nawet kilka kilometrów dalej sytuacja może być już inna.  Wszystko zależy od tego jak dynamiczna jest pogoda. Jedno jest pewne, iż zmienna temperatura powietrza rzutuje na zmienną jego gęstość. Innymi czynnikami, które będą na nią wpływały są ciśnienie atmosferyczne oraz (w niewielkim stopniu) wilgotność.  W takiej sytuacji przestrzeń obserwacyjna pomiędzy obserwatorem a obiektem nie jest optycznie jednolita. Kluczowym rozumieniem działania refrakcji atmosferycznej jest gęstość powietrza, do którego odwołuje się I prawo Lallemanda twierdząc, iż warstwy powietrza o jednakowej gęstości są równoległe do powierzchni terenu, a nie do powierzchni ekwipotencjalnej. Patrząc na to prawo z innej strony wnioskować można, iż największy efekt refrakcja ziemska będzie mieć dla promieni świetlnych wysyłanych równolegle do powierzchni Ziemi.
W dniach 18 oraz 19 grudnia nad Polską mieliśmy nasuwający się ośrodek wyżowy, który ściągał ciepłe powietrze zwrotnikowe z południowego zachodu. W związku z tym temperatura na południu kraju przekraczała lokalnie 10 stopni Celsjusza. W miejscu, znad którego Tatry były obserwowane temperatura wskazywała ok. 11 stopni Celsjusza. Warto dodać iż obserwacja wykonywana była przed wschodem Słońca. Było to zarazem pierwsze tak duże ocieplenie po dosyć długim epizodzie zimowym, który zdołał konkretnie przechłodzić grunt. Początkowo mieliśmy więc do czynienia z inwersją adwekcyjną, natomiast kilkanaście godzin później jak ośrodek wyżowy nieco się ustabilizował wystąpiła silna inwersja radiacyjna.

Z wykresu dla Wrocławia poniżej wynika, iż jej współczynnik na tamte warunki mógł sięgać nawet 0.45 w przypowierzchniowej warstwie powietrza. Temperatura na wysokości ok. 2m wynosiła 4 stopnie i bardzo szybko rosła do wysokości ok. 360m.n.p.m. osiągając aż 11 stopni Celsjusza. Potem zaczęła spadać limitując silną inwersję radiacyjną. Zaobserwowano również dalszy wzrost temperatury na wyższym pułapie, aczkolwiek nieco mniej dynamiczny (ok. 1st/100m), co zapewne wiąże się z inwersją osiadania. Ta jest charakterystyczna dla okoliczności wyżowych, kiedy w wyniku wysokiego ciśnienia powietrze opada (jest niejako „dociskane” od góry) sprężając się i ogrzewając suchoadiabatycznie. Rezultatem  tego jest cieplejsza warstwa powietrza niż ta obserwowana poniżej. Tak właśnie było w momencie, dla którego wykres został sporządzony.  W dniu 19 grudnia wyż jedynie zahaczył o południe naszego kraju, ale był wystarczająco silny aby spowodować solidną inwersję osiadania ze współczynnikiem refrakcji sięgającym 0.29. Ciśnienie obserwowane wtedy nad obszarem skąd fotografowano Tatry wynosiło przynajmniej 1027HPa. Dla porównania mamy również pionowy układ temperatury i współczynnika refrakcji dla jednego z letnich dni (25.07.2022), cechującego się obecnością centrum wyżu nad Polską. Tam inwersja osiadania również występuje, ale z uwagi niższego ciśnienia (1020HPa) nie jest aż tak intensywna.   Skupiając się na 19 grudnia widzimy, iż wykres sporządzony został dla północy. Obserwację wykonano rano, przed wschodem Słońca. Według danych Ogimet temperatura w okolicach miejsca obserwacji mogła wynosić o tej porze już nawet 11 stopni! Zakładając iż przebieg zmian temperatury i współczynnika refrakcji w pionie był przynajmniej taki sam nie powinno dziwić, iż autor obserwacji uzyskał tak spektakularny widok. W momencie obserwacji ośrodek wyżowy słabnął, co zapewne wpływało na charakter inwersji radiacyjnej.

Radiosondaże z serwisu Windy.com (Ryc. 2) również nie pozostawiają złudzeń w tym temacie, wskazując jasno na dwa typy inwersji jednocześnie w strefie silnego oddziaływania ośrodka wyżowego (Ryc. 2).

Można powiedzieć także o „kolosalnej” różnicy w inwersji osiadania pomiędzy stacją w Popradzie, po drugiej stronie Tatr, a stacją wrocławską położoną ok. 120km na północny zachód od miejsca obserwacji. To świadczy tylko i wyłącznie o tym, o czym wspomniałem wcześniej iż wyż jedynie nasunął się nad południowe rubieże naszego kraju. Poprad od Kielczy dzieli ponad 200km w linii prostej w porównaniu do Wrocławia położonego ok. 120km dalej. To oznaczałoby pewne daleko idące „uśrednienie” warunków zaprezentowanych na wykresie.

Obserwację Tatr wykonano z drona z przypuszczalnej wysokości ok. 100m nad poziomem gruntu. Biorąc pod uwagę wysokość Kielczy n.p.m. która wynosi ok. 250m.n.p.m. można śmiało stwierdzić, iż dron autora znalazł się tuż przy górnej granicy inwersji radiacyjnej, gdzie współczynnik refrakcji był największy.
Spójrzmy teraz na nagranie z drona Autora, który początkowo znajduje się na maksymalnej wysokości aby później nieznacznie ją obniżyć.
Nagranie dowodzi, iż autor osiągnął praktycznie maksimum inwersji radiacyjnej na tamte warunki. W miarę jak obniżał bądź wzlatywał wyżej swoim urządzeniem odległe Tatry zmieniały kształt, gdyż zmieniał się wręcz „dramatycznie” współczynnik refrakcji. To jednak nie wszystko. W momencie, gdy urządzenie rejestrowało obraz z najwyższej wysokości, główną rolę odgrywała wspomniana inwersja osiadania, która znajdowała się w wyżu stanowiąc górną granicę planetarnej warstwy granicznej. Ta dla Popradu przebiegała na wysokości z grubsza 1500m.n.p.m. o północy. Jednak nad ranem mogła znajdować się wyżej z uwagi na fakt iż wyż słabnął. Obecność inwersji osiadania na wysokości ok. 1500m.n.p.m. okazała się optycznym limitem dla Tatr Wysokich.
Musimy na to popatrzeć z perspektywy linii widzenia drona.
Szczyty Tatr, których wysokość przekraczała ok. 2300m.n.p.m były intensywnie „dźwigane” do góry, ponieważ na linii widzenia współczynnik refrakcji wynosił nawet 0.29. Z kolei szczyty znajdujące się niżej wyglądały już bardziej „normalnie” gdyż ich linia widzenia przebiegała pod innym kątem.

Ową zależność tłumaczy prawo Snelliusa i należy je odnieść do drugiej inwersji – inwersji osiadania, która występowałą wyżej. Zastanówmy się poniżej jak funkcjonuje prawo Snelliusa w praktyce.

Rysunek z prawej u góry odnosi się do prawa Snelliusa w sytuacji gdy światło w ośrodku 1 (v1) przemieszcza się szybciej niż w ośrodku poniżej (v2), a z taką sytuacją mamy często do czynienia gdy Tatry wchodzą w grę. Szczyty gór znajdują się z reguły w „wolnej atmosferze”, w której światło przemieszcza się szybciej, jako że powietrze jest rzadsze. W tym przypadku prawo Snelliusa mówi nam, iż jeżeli prędkość rozchodzenia się światła w pierwszym ośrodku jest większa niż w drugim to wówczas kąt padania jest większy od kąta załamania.  Powyższy rysunek obrazuje dokładnie jak to wygląda w standardowym ujęciu refrakcji atmosferycznej. Światło biegnące z rzadszej do gęstszej warstwy atmosfery załamuje się „w kierunku Ziemi” czyniąc dany obiekt widocznym w sytuacji gdy nie powinien być. Prawo Snelliusa mówi tutaj o kącie padania oraz kącie załamywania się tego światła. Skoro wiemy już jak zjawisko wygląda spójrzmy na główny rysunek obrazujący widoczność Tatr z Kielczy oraz znad Kielczy. Literą O oznaczono drona obserwatora wykonującego zdjęcie z maksymalnej wysokości, która pokrywa się z grubsza z górną granicą inwersji radiacyjnej (oznaczonej numerem II). Jeżeli tak jest, to inwersja ta w zasadzie nie kształtuje już refrakcji na linii widzenia, co pokazuje wykres na ryc. 1. Zostaje więc inwersja osiadania (oznaczona literą I) oraz powietrze w najniższej części troposfery cechujące się wyższym współczynnikiem refrakcji aniżeli to ponad granicą inwersji osiadania. Teraz spójrzmy na łańcuch górski Tatr, w którym widać szczyty o różnych wysokościach. Każda indywidualna wysokość względna danej góry odznacza się indywidualnym kątem padania światła, będącego dalej załamywanym w kierunku urządzenia. Dla Łomnicy czy Kieżmarskiego, oznaczonego (dla przykładu) nr 1 droga światła jest inna aniżeli w przypadku Tatr Bielskich (oznaczonych numerem 2). Linia ciągła oznaczałaby standardową drogę światła przez atmosferę, ale ponieważ ta odpowiada sytuacji z ryc. 1 to prawdziwa droga światła oznaczona jest linią przerywaną. Dla lepszego zobrazowania stanu rzeczy linię tą poprowadzono nieco wzdłuż warstwy inwersyjnej, co powinno odpowiadać dłuższej widoczności gór na pewnym dystansie. Kąt padania światła od szczytu Tatr Wysokich różni się od kąta padania od szczytu Tatr Bielskich. Zatem kąty załamywania obu będą różnić się także.

Spoglądając na kadry powyżej nasuwa się jeszcze jedna optyczna właściwość, jaką jest widoczna gęstość powietrza w planetarnej warstwie granicznej, czyli już w obrębie inwersji osiadania i poniżej niej. Stanowi ona czerwonawą warstwę ułożoną równolegle do horyzontu, która wysokości odpowiada mniej więcej najwyższym szczytom tatrzańskim. To akurat jest złudne, gdyż już wcześniej zostało wspomniane, iż owa warstwa sięgała co najwyżej 1500-1600m.n.p.m zakładając, iż wyż słabł. Tutaj należy popatrzeć na to w taki sposób, że Tatry praktycznie w całości są widoczne w jej obrębie tylko dlatego, że w wyniku krzywizny Ziemi znajdują się niżej. To odzwierciedla dokładnie to, co zostało zaprezentowane na rysunku powyżej (Ryc. 7), gdzie linia ich widoku na pewnej odległości biegnie w obrębie inwersji osiadania i dalej, poniżej niej. W miarę wznoszenia się drona obserwatora najwyższe szczyty tatrzańskie już nie „wyrastają” a ulegają spłaszczeniu dorównując optycznie pozostałym, które na niższej wysokości wyglądały jak izolowane ścięte wzgórza niczym z Monument Valley. Gdyby obserwator wzbił drona jeszcze wyżej prawdopodobnie z wolna mógłby zobaczyć jak najwyższe szczyty od nowa „wyrastają” ponad ową inwersję osiadania. Piszę z wolna nie bez powodu, gdyż powyżej niej współczynnik refrakcji jest już dużo niższy. Nawiązując jeszcze do Tatr Bielskich wyraźnie widać, jak ich kąt padania odbiega wyraźnie. Ulokowane optycznie „na spodzie” planetarnej warstwy granicznej pozostają dla obserwatora w miarę „normalnie” widoczne jak dron wzbija się wyżej. Z kolei gdy urządzenie rejestruje obraz niże też są zauważalne, ale monstrualnie wypłaszczone, będąc efektem działania inwersji radiacyjnej, wewnątrz której aktualnie linia widoku przebiega.

Autor wspaniale przedstawił również widok na Tatry z niższej wysokości, już wewnątrz inwersji radiacyjnej, gdzie współczynnik refrakcji był dużo wyższy od tego obserwowanego nad wiatrakami. W takiej sytuacji całe pasmo Tatr było optycznie „zatopione” w owej inwersji. Światło pokonując większość drogi w jej obrębie spowodowało dosyć wyraźne „wypiętrzenie” szczytów ponad horyzont z względnym zachowaniem ich kształtów, co dla takiej konfiguracji jest typowe.

Obserwacyjny poranek nie był sprzyjającym dla fotografii. O ile przejrzystość powietrza była dobra, to już jego dynamika była bardzo niesprzyjająca. Obecność wielu warstw powietrza o różnych właściwościach na linii widzenia skutkowała nieostrym obrazem odległego pasma Tatr.
Na koniec warto zwrócić uwagę na obserwację w innych kierunkach wykonane znad Kielczy tamtego dnia.

Ujęcia Kol. Adama są najlepszym jak dotąd przykładem pokazującym zachowanie refrakcji w ujęciu pionowym. Podobne spektakle refrakcyjne był już widywane, ale nikt jeszcze nie przedstawiał ich z wielu perspektyw tego samego miejsca różniących się wysokością. Obserwacja rozbudza świadomość na temat podobnego scenariusza optycznego, który możliwy byłby do zaobserwowania z niejednego miejsca, w którym zwyczajnie zmienilibyśmy wysokość czy to za pomocą drona czy poprzez wejście na najwyższe piętro wieżowca lub wieży telewizyjnej. W przypadku wież widokowych różnica wysokości może być zbyt mała, ale i tak warto próbować.