海市蜃楼的原理

海市蜃楼的原理
海市蜃楼的原理

海市蜃楼的原理
当光线在同一密度的均匀介质内进行的时候,光的速度不变,它以直线的方向前进,可是当光线倾斜地由这一介质进入另一密度不同的介质时,光的速度就会发生改变,进行的方向也发生曲折,这种现象叫做折射.当你用一根直杆倾斜地插入水中时,可以看到杆在水下部分与它露在水上的部分好象折断的一般,这就是光线折射所成的,有人曾利用装置,使光线从水里投射到水和空气的交界面上,就可以看到光线在这个交界面上分两部分：一部分反射到水里,一部分折射到空气中去.如果转动水中的那面镜子,使投向交界面的光线更倾斜一些,那么光线在空气中的折射现象就会显得更厉害些.当投向交界面的光线如左下图所示的情况时,光线就全部反射到水里,再没有折射到空气中去的光线了.这样的现象叫做全反射.
空气本身并不是一个均匀的介质,在一般情况下,它的密度是随高度的增大而递减的,高度越高,密度越小.当光线穿过不同高度的空气层时,总会引起一些折射,但这种折射现象在我们日常生活中已经习惯了,所以不觉得有什么异样.
可是当空气温度在垂直变化的反常,并会导致与通常不同的折射和全反射,这就会产生海市蜃楼的现象.由于空气密度反常的具体情况不同,海市蜃楼出现的型式也不同.
在夏季,白昼海水湿度比较低,特别是有冷水流经过的海面,水温更低,下层空气受水温更低,下层空气受水温影响,较上层空气为冷,出现下冷上暧的反常现象（正常情况是下暧上凉,平均每隔100米高度,气温降低0.5~0.6 左右）.下层空气本来就因气压较高,密度较大,现在再加上气温又较上层为低,密度就显得特别大,因此空气层下密上稀的差别异常显著.
假使在我们的东方地平线下有一艘轮船,一般情况下是看不到它的.如果由于这时空气下密上稀的差异太大了,来自船舶的光线先由密度的气层逐渐折射进入稀的气层,并在上层发生全反射,又折回到下层密的气层中来；经过这样弯曲的线路,最后投入我们的眼中,我们就能看到它的像.由于人的视觉总是感到物像是来自直线方向的,因此我们所看到的轮船映像比实物是抬高了许多,所以叫做上现蜃景.
我国渤海中有个庙岛群岛,在夏季,白昼海水温度较低,空气密度会出现显著地下密上稀的差异,在渤海南岸的蓬莱县（古时又叫登州）,常可看到庙岛群岛的幻影.宋朝时候的沈括,在他的名蓍《梦溪笔谈》里就有这样的记载：
“登州海中时有云气,如宫室台观,城堞人物,车马冠盖,历历可睹.”
这就是他在蓬莱所看到的上现蜃景.1933年5月22日上午11点多钟,青岛前海（胶州湾外口）竹岔岛上也曾发现过上现蜃景,一时轰传全市,很多人前往观看.1975年在广东省附近的海面上,曾出现一次延续6小时的上现蜃景.
不但夏季在海面上可以看到上现蜃景,在江面有晨也可看到,例如1934年8月2日在南通附近的江面上就现过.那天酷日当空,天气特别热,午后,突然发现长江上空映现出楼台城廓和树木房屋,全部蜃景长20多里.约半小时后,向东移动,突然消逝.后又出现三山,高耸入云,中间一山,很象香炉；又隔了半小时,才全部消失.
在沙漠里,白天沙石被太阳晒得灼热,接近沙层的气温升高极快.由于空气不善于传热,所以在无风的时候,空气上下层间的热量交换极小,遂使下热上冷的气温垂直差异非常显著,并导致下层空气密度反而比上层小的反常现象.在这种情况下,如果前方有一棵树,它生长在比较湿润的一块地方,这时由树梢倾斜向下投射的光线,因为是由密度大的空气层进入密度小的空气层,会发生折射.折射光线到了贴近地面热而稀的空气层时,就发生全反射,光线又由近地面密度小的气层反射回到上面较密的气层中来.这样,经过一条向下向下凹陷的弯曲光线,把树的影像送到人的眼中,就出现了一棵树的倒影.
由于倒影位于实物的下面,所以又叫下现蜃景.这种倒影很容易给予人们以水边树影的幻觉,以为远处一定是一个湖.凡是曾在沙漠旅行过的人,大都有类似的经历.拍摄影片《登上希夏邦马峰》的一位摄影师,行走在一片广阔的干枯草原上时,也曾看见这样一个下现蜃景,他朝蜃景的方向跑去,想汲水煮饭.等他跑到那里一看,什么水源也没有,才发现是上了蜃景的当.这是因为干枯的草和沙子一样,可以被烈日晒得热浪滚滚,使空气层的密度从下至上逐渐增大,因而产生下现蜃景.
无论哪一种海市蜃楼,只能在无风或风力极微弱的天气条件下出现.当大风一起,引起了上下层空气的搅动混合,上下层空气密度的差异减小了,光线没有什么异常折射和全反射,那么所有的幻景就立刻消逝了.