שבירה אטמוספירית

שבירה אטמוספירית (באנגלית: Atmospheric refraction) היא סטייתן של קרני אור או גלים אלקטרומגנטיים אחרים מנתיב ישר כאשר הם מתקדמים דרך האטמוספירה, שנגרמת כתוצאה מהשינוי בצפיפות האוויר כפונקציה של הגובה מעל פני הים. שבירה זו נגרמת מהשינוי במהירות התקדמות האור דרך האוויר, שקטנה (מקדם השבירה גדל) עם הגידול בצפיפות. שבירה אטמוספירית בסמוך לקרקע היא הגורם לתופעת המיראז'. היא גורמת גם לעלייה או ירידה, כיווץ או מתיחה של הדמויות של עצמים מרוחקים, ומבלי לגרום בהכרח לתופעות מיראז'. אזורים טורבולנטיים באטמוספירה העליונה יכולים לגרום גם לנצנוץ. המונח "שבירה אטמוספירית" עשוי לשמש גם בהתייחס לשבירת גלי קול עקב השינוי במהירות הקול בגבהים שונים. כימות השבירה האטמוספירית הוא מרכיב חשוב הן במדידות מיקומים ארציות וה במדידות שמיימיות.
שבירת קרני אור מגרמי שמים גורמת להם להופיע גבוה יותר מעל האופק מאשר מיקומם האמיתי. בדומה לכך, שבירה ארצית גורמת לרוב לעצמים ארציים להופיע גבוה יותר ממיקומם האמיתי, אף על פי שבשעות אחר הצהריים האוויר שבסמוך לקרקע מתחמם ומתפשט (צפיפותו יורדת), כך שהקרניים מתעקלות למעלה וגורמות לעצמים להופיע נמוך יותר ממיקומם האמיתי.
שבירה אטמוספירית משפיעה לא רק על קרני אור נראה, אלא על כל סוגי הקרינה האלקטרומגנטית, אם כי במידה שונה. למשל, בספקטרום הנראה, הצבע הכחול מושפע יותר מהצבע האדום. אפקט זה עשוי לגרום לאור מגרמי שמיים להינפץ לספקטרום של צבעים בתמונות ברזולוציה גבוהה.
כל אימת שמתאפשר, אסטרונומים יעדיפו לערוך את תצפיותיהם בשעות שבהן העצם הנצפה מופיע בנקודה הגבוהה ביותר שלו בשמים. למשל, אסטרונומים יעדיפו לא לערוך תצפית של כוכב שגובהו מתחת ל-20° מעל האופק. אם לא ניתן להימנע מתצפיות של עצמים בסמוך לאופק, ניתן לצייד טלסקופ אופטי במערכות שיפצו על עיוות התמונה הנגרם משבירה אטמוספירית. אם הנפיצה גם היא בעיה (במקרה של תצפיות בפס רחב וברזולוציה גבוהה), ניתן לשלב בו אביזרים אופטיים (זוגות של מנסרות זכוכית) שיתקנו את השבירה האטמוספירית.
כיוון שמידת השבירה האטמוספירית היא פונקציה של גורמים רבים, בהם גרדיאנט טמפרטורה, טמפרטורה, לחץ ולחות (כמות אדי המים, שמשפיעה במיוחד על אורכי הגל שבאמצע תחום התת-אדום), כמות המאמץ הנדרשת לקיזוז מוצלח של השגיאות הנובעות משבירה אטמוספירית עשויה להיות מרתיעה. שבירה אטמוספירית עשויה אף להפוך לחמורה עוד יותר כאשר גרדיאנטי הטמפרטורה חזקים, או כאשר השבירה לא אחידה בגלל שהאטמוספירה הטרוגנית, כמו למשל כאשר טורבולנציה מתחוללת באוויר. זה גורם לתנאי ראות גרועים, כמו נצנוצים ועיוותים רבים של הצורה הנצפית של השמש מעט לפני השקיעה או קצת אחרי הזריחה.

היסטוריה

ההיסטוריה של חקר השבירה האטמוספירית מהווה הדגמה חשובה להתפתחות הקונספציה המדעית. להלן מובאת סקירה קצרה שלה.

תאוריות יווניות מוקדמות

אריסטו (322-384 לפנה"ס) היה הראשון שקיבץ באופן שיטתי תצפיות אופטיות הקשורות לשבירה אטמוספירית, עם כי הוא לא ייחסן לשבירה כזו. ספרו המטאורולוגיה כולל את התיעוד המדעי הראשון של תופעת המיראז', ומכיל דיונים בתופעות הקשת בענן וההילה, כמו גם תיאורים של האפקטים הנגרמים מצפייה בעצמים מרוחקים שבסמוך לקו האופק. אף על פי כך, בהסברו לתופעות אלו ניכר כי הוא ערבב בין גורמים שונים; למשל, הוא ייחס את תופעת אשליית הירח, שהיא תופעה פסיכולוגית גרידא, למקורות פיזיקליים בבסיסם. הראשון שכתב חיבור מתמטי "מסודר" על אופטיקה היה אוקלידס, אך תרומותיו נגעו בעיקר בחוקי הפרספקטיבה, ולא התייחסו כלל לשבירת אור.
המדען הראשון בעולם המערבי שהתייחס במפורש לשבירת אור היה ארכימדס (212-287 לפנה"ס), אשר קטע מכתביו, בו דן בבעיה של שינוי המיקום הנצפה של עצם כאשר הוא משוקע במים (עקב השתברות האור), השתמר. מן הקטע עולה כי הבין את עקרונות השבירה והדימות, ונטען גם שהדיאגרמה שלו מראה שהבין כי הדמות של עצם נקודתי משוקע נמצאת בדיוק מעל מיקום העצם המקורי, כלומר נמצאת על הקו שעובר דרך מיקום העצם ואנכי לקו שמפריד בין שני התווכים. לאפיון שנתן לאפקט ההשתברות של האור יהיה משקל חשוב בתאוריות יווניות מוקדמות על הסטת מיקומם הנצפה של גרמי שמים. עם זאת, אם ישנה התייחסות כלשהי של ארכימדס לשבירת אור הנגרמת על ידי האוויר עצמו, היא אבדה.
באנציקלופדיה הענפה שלו, פליניוס הזקן (23-79 לספירה) ציין תצפית "פרדוקסלית" של האסטרונום היפרכוס: ליקוי ירח שבו ניתן היה לצפות הן בירח והן בשמש, שהופיעו בכיוונים מנוגדים. מאוחר יותר, האסטרונום קלאומדס, בספרו "על התנועות הסיבוביות של הגופים השמימיים", הציע לראשונה הסבר לתופעת ליקוי הירח המוזר שנצפה על ידי היפרכוס, אשר קשר לראשונה בין הרעיון של שבירת אור על ידי האוויר שבאטמוספירה לתופעת ליקויי הירח הללו. כן סיפק את ההסבר הנכון הראשון לתופעת ההגדלה של דמויות עקב שבירה. לבסוף, האסטרונום המבריק בן המאה ה-2 לספירה תלמי, שעבודתו הכבירה "אלמגסט" הייתה הבסיס לאסטרונומיה המערבית ב-1000 השנים הבאות, ליטש לכדי שלמות את מודל השבירה האטמוספירית של העולם העתיק. כתביו מכילים אף רישומים מדויקים של זוויות שבירה כפונקציה של זוויות פגיעה, כך שקרוב לוודאי שהוא עמל רבות כדי לכמת את תופעת השבירה בצורה מתמטית, אך הדבר לא צלח בידו.

תרומות ערביות

להפצה ושימור הידע היווני על שבירה אטמוספירית בעולם הערבי תרם רבות המלומד אבן אל-היית'ם. תרומתו למדע השבירה הייתה יותר בשימור התחום מאשר במתן תרומות יצירתיות משל עצמו. מאוחר יותר, המלומד בן המאה ה-11 לספירה, Ibn Mu’adh, הצליח לחשב באופן מבריק את גובה האטמוספירה במודל של תלמי בעזרת אפקטים של שבירה אטמוספירית. ראוי לציין שתלמי עצמו נימק את אי רצונו לחשב את שבירת קרני האור באטמוספירה בהיעדר ידע על "עומק האוויר", כלשונו. Ibn Mu’adh זיהה שמשך הזמן של תופעת הדמדומים עשוי לשמש מפתח לחישוב גובה האטמוספירה, ונקב בערך 86.3 קילומטרים לגובה זה, ערך קרוב מאוד לערך המודרני.

העת החדשה

פרק זה לוקה בחסר. אנא תרמו לוויקיפדיה והשלימו אותו.  
האסטרונום הדני טיכו ברהה, הידוע בזכות תצפיותיו האסטרונומיות המדויקות והנרחבות, היה הראשון שפיתח ופרסם את הטבלאות הראשונות לתיקון שיטתי של מקור השגיאה הנובע משבירת קרני אור באטמוספירה. הרישומים המדויקים שלו שירתו רבות את מחקריו של יוהנס קפלר, שעבודתו על שבירה אטמוספירית מייצגת נקודת מפנה במחקר בנושא. קפלר היה הראשון שציין את העיוות האנכי בדמות של השמש כאשר היא בסמוך לאופק (כך שדמותה הופכת אליפטית), והתקרב מאוד להסבר כמותי מלא של אפקט Novaya Zemlya. כן התמקד בשבירות אנומליות, והיה הראשון שניסה לספק להן הסבר.