海市蜃樓現象的光學分析

(江蘇省宜興第一中學，江蘇 宜興 214200)

海市蜃樓是一種奇特的自然現象.我國古代傳說認為“蜃乃蛟龍之屬，能吐氣而成樓臺城廓”，又認為海市是“海上神仙的住所，它位于虛無飄渺間”，因此得名.

隨著科學的發展，人類已知海市蜃樓是一種光線在大氣中因為折射和全反射而產生的奇妙光學現象.本文從光學原理出發，對海市蜃樓現象進行分析，其原理涉及兩種成像機理：折射成像和全反射成像.

圖1

如圖1所示，設水中有一點光源A，經水折射后，人眼觀察到的像在A′點.若觀察點改變，則觀察到的像點位置也相應改變，但總在物點上方，成像為正像還是倒像無法證明.

圖2

為說明問題，取箭頭AB為光源，如圖2所示，A點發出的兩束光經折射后成的像點為A′，B點發出的兩束光經折射后成的像為B′，由于人眼觀察范圍較小，故B點入射角較小時較易觀測到，此時A′B′在物AB上方，略有傾斜，因此，折射成正立的像.

圖3

在全反射的情況中，同樣假設水中有一光源A，如圖3所示，取兩條入射角超過臨界角的光線，在界面處發生全反射，若觀察點在水中則看到的A點的像A′位于A點的上方.

圖4

同理，若要判斷全反射成的是正立的像還是倒立的像，再取箭頭AB作為光源，經水面全反射后光路如圖4所示.可見，AB經全反射成的像A′B′在AB的上方，是倒立等大的虛像，因此全反射成的像是倒立的.

圖5

可見，當i、n為定值時，由于n>n2，所以β>i，從下層空氣進入上層空氣的光線入射角不斷增大，當增大到大于由某連續兩層空氣間的臨界角時，發生全反射.此時，當觀察點在B處逆著光線Ba′觀察時，可以看到經折射成的景物a正立的虛像.實際光路很復雜，這里逆著Ba′光線是虛指在折射區域的某個位置.當人眼在A處逆著光線Ab′觀察時，可以看到經全反射成的倒立的虛像，當然，這時的倒立像不可能是等大的.光在空氣中經過多次折射后發生全反射，再經多次折射進入人眼，光路相當復雜.但只要恰到好處，在全反射區域會存在一個合適的位置可觀察到倒立的景像.

綜上所述，“海市蜃樓”究竟是正像還是倒像，取決于入射到觀察點的光線是折射光線還是反射光線，當折射光線成像時為正像，當全反射成像時為倒像.

沙漠中蜃景的光學原理與海市蜃樓一樣相似.夏天沙漠中的下層空氣密度小于上層空氣密度，相應的折射率也小于上層空氣折射率，同樣形成一具有梯度折射率的空氣層，其折射率漸變規律與海面上的空氣層相反.遠處物體發出的光線向下經過空氣層后也會發生折射和全反射，觀察點不同時，物體成像也不同(如圖6).

圖6

當觀測點在B處逆著光線Ba′觀察時，可以觀察到經折射成的正立的虛像，當觀測點在A處逆著光線Ab′觀察時，可以看到經全反射成的倒立的虛像.其光路實質和圖5完全一樣，只是上下顛倒.因此，無論是“海市蜃樓”還是“沙漠蜃景”都有正立和倒立兩種情況.只是通常在觀察“海市蜃樓”時，觀察者位置較高，故觀察到的景物一般是正像.我國渤海中有個廟島群島，在夏季，白晝海水溫度較低，空氣密度呈現顯著的下密上稀分布，在渤海南岸的蓬萊縣(古時叫登州)，?？煽吹綇R島群島的幻影.宋朝沈括在他的名蓍《夢溪筆談》里就有這樣的記載：“登州海中時有云氣，如宮室臺觀，城堞人物，車馬冠蓋，歷歷可睹.”記錄了他在蓬萊所看到的正像蜃景.而在沙漠中，觀察者位置通常也較高，這時觀察到的景物卻是倒像.由于倒影位于實物的下面，所以又叫下現蜃景.這種倒影容易給人們以水邊樹影的幻覺，以為遠處是一個湖.凡是曾在沙漠旅行過的人，大都有類似的經歷.

其實此類蜃景不僅出現在海岸邊和沙漠中,有時也出現在草原,甚至大城市里.影片《登上希夏邦馬峰》的一位攝影師行走在一片廣闊的干枯草原上時，也曾看見一個下現蜃景，他朝蜃景的方向跑去，想汲水煮飯.等他跑到那里一看，發現什么水源也沒有，才知道是上了蜃景的當.這是因為干枯的草和沙子一樣，被烈日曬得熱浪滾滾，使空氣層的密度從下至上逐漸增大，因而產生下現蜃景.

由于實際的地理、氣候環境十分復雜，海市蜃樓的形成條件相當苛刻，只能在無風或風力微弱的特定天氣條件下出現，若上下層空氣受到攪動混合，空氣密度的差異減小，光線沒有異常折射和全反射，則所成幻景立刻消逝.這也即是為什么海市蜃樓現象難得一見，且維持時間較短的原因.

參考文獻：

[1]王忠純．用線性折射率模型解釋海市蜃樓[J]．大學物理，2001，(9)．

[2]陳連友，張寶貴．出現海市蜃樓的天氣特征分析[J]．氣象，2008，(11)．