海市蜃樓現(xiàn)象及其主要疑問(wèn)分析

蔡錦曦

摘 要：本文針對(duì)學(xué)生就教材上關(guān)于海市蜃樓的疑問(wèn)進(jìn)行解答，介紹有關(guān)海市蜃樓的歷史認(rèn)知，對(duì)海市蜃樓現(xiàn)象進(jìn)行分類(lèi)，并就主要的不同類(lèi)別，闡釋其形成的原因。

關(guān)鍵詞：海市蜃樓；光的折射；全反射；像

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2016）2-0036-4

筆者近日在給學(xué)生介紹光學(xué)知識(shí)時(shí)引用了老教材（人民教育出版社2003年版的全日制普通高級(jí)中學(xué)物理教科書(shū)）關(guān)于“大氣中的光現(xiàn)象”的閱讀材料中對(duì)海市蜃樓的解釋?zhuān)F(xiàn)摘錄原文如下：

“夏天，在平靜無(wú)風(fēng)的海面上，向遠(yuǎn)方望去，有時(shí)能看到山峰、船舶、樓臺(tái)、亭閣、集市、廟宇等出現(xiàn)在遠(yuǎn)方的空中……叫做“海市蜃樓”……是光在密度分布不均勻的空氣中傳播時(shí)發(fā)生全反射而產(chǎn)生的。夏天，海面上的下層空氣，溫度比上層低，密度比上層大，折射率也比上層大。我們可以把海面上的空氣看作是由折射率不同的許多水平氣層組成的。遠(yuǎn)處的山峰、船舶、樓房、人等發(fā)出的光線(xiàn)射向空中時(shí)，由于不斷被折射，越來(lái)越偏離法線(xiàn)方向，進(jìn)入上層空氣的入射角不斷增大，以致發(fā)生全反射，光線(xiàn)反射回地面，人們逆著光線(xiàn)看去，就會(huì)看到遠(yuǎn)方的景物懸在空中。在沙漠里也會(huì)看到蜃景。太陽(yáng)照到沙地上，接近沙面的熱空氣層比上層空氣的密度小，折射率也小。從遠(yuǎn)處物體射向地面的光線(xiàn)，進(jìn)入折射率小的熱空氣層時(shí)被折射，入射角逐漸增大，也可能發(fā)生全反射，人們逆著反射光線(xiàn)看去，就會(huì)看到遠(yuǎn)處物體的倒景，仿佛是從水面反射出來(lái)的一樣。”

教材還配了如圖1和圖2的兩幅插圖用以說(shuō)明在海上和沙漠中的海市蜃樓的成因。但是，學(xué)生閱讀這段材料時(shí)普遍存在以下一些疑問(wèn)：

1.圖1所示的情況似乎是由光的簡(jiǎn)單折射引起的，如果沒(méi)有全反射是否也能引起海市蜃樓現(xiàn)象？

2.圖2中人所看到的是樹(shù)木的倒像，而在圖1中人看到的是正像，為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的區(qū)別？

3.還有哪些情況下可能看到海市蜃樓現(xiàn)象？

筆者認(rèn)為，學(xué)生能提出以上的疑問(wèn)，說(shuō)明他們?cè)诳紤]實(shí)際問(wèn)題時(shí)思維已經(jīng)非常廣闊了，這也體現(xiàn)了當(dāng)代中學(xué)生的思維特點(diǎn)，而僅憑教材上閱讀材料所提供的信息，顯然已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足他們對(duì)知識(shí)的需求。在此，筆者將試對(duì)海市蜃樓這一現(xiàn)象作一歸納性的介紹和解釋。

1 歷史

在中國(guó)，古代有很多關(guān)于海市蜃樓的文字記載，西漢的司馬遷在其于公元前91年完成的《史記·天官書(shū)》中有“海旁蜃氣象樓臺(tái)，廣野氣成宮闕然；云氣各象其山川人民所聚積”的描述，漢語(yǔ)中的“海市蜃樓”一說(shuō)由此而來(lái)。《災(zāi)祥志》或《五行志》皆將海市蜃樓作為災(zāi)難的預(yù)兆之一，不斷地予以記錄。其中，既包括沿海居民、遠(yuǎn)航船夫所見(jiàn)的海上蜃景（上現(xiàn)蜃景），也包括在西北大陸所見(jiàn)的陸地蜃景（下現(xiàn)蜃景）。

對(duì)于海市蜃樓的形成，古人大多不知其原因，有的認(rèn)為是一種叫 “蜃”的神物在吐氣的結(jié)果；有的將其作為神仙顯靈，跪拜禱告；更可悲的是，當(dāng)旅行商隊(duì)或屯邊戌卒在沙漠地帶看見(jiàn)蜃景時(shí)，往往會(huì)以為前方有水池綠洲，結(jié)果卻因此迷失方向，葬身沙海之中。直到明清時(shí)候，開(kāi)始出現(xiàn)接近科學(xué)的推測(cè)，明代陸容在其著作《菽園雜記》中除了揭示了蜃景形成的大氣條件外，也指出所謂蜃景并非“神物”。其文謂：“所謂樓臺(tái)、所謂海市，大抵皆因山川之氣掩映日光而成，固非蜃氣，也非神物?！?/p>

英語(yǔ)中用來(lái)表示海市蜃樓的單詞“mirage”實(shí)際上是一個(gè)法語(yǔ)單詞，意為“看見(jiàn)的東西”（thing seen）。但是，是一種虛幻的東西。而在意大利，在亞平寧半島和西西里島之間的墨西拿海峽上，人們經(jīng)常看到海面上聳立起形態(tài)各異且不斷變化的城堡，當(dāng)?shù)厝苏J(rèn)為是傳說(shuō)中的女巫莫佳娜（Morgan le Fay）在施魔法，于是將這種現(xiàn)象稱(chēng)為“Fata Mor-ganas”。

2 區(qū)分各種概念

今天，我們知道海市蜃樓實(shí)際上是一種大氣光學(xué)現(xiàn)象，跟大氣對(duì)光的偏折作用有關(guān)。但是，實(shí)際上有很多現(xiàn)象都是跟大氣對(duì)光的偏折作用有聯(lián)系的，而人們往往對(duì)這些現(xiàn)象難以區(qū)分，民間也一般將它們都稱(chēng)為“海市蜃樓”。所以，理清這些不同的現(xiàn)象，正確地區(qū)分它們是必要的。通常，蜃景包含多個(gè)像，可能是正像，也可能是倒像。根據(jù)像的多少及正倒，可以將蜃景分類(lèi)（如表1）。

嚴(yán)格地說(shuō)，如果觀察者只能觀察到正立的物像，而不能觀察到至少一個(gè)倒像的話(huà)，這樣的現(xiàn)象是不能算為“海市蜃樓”的。所以，在上表所列舉的現(xiàn)象中真正屬于“海市蜃樓”現(xiàn)象的只有：下現(xiàn)蜃景、上現(xiàn)蜃景、三像蜃景和變形蜃景。在其他現(xiàn)象中，物像看起來(lái)發(fā)生了移位、扭曲、變形，但是沒(méi)有發(fā)生倒轉(zhuǎn)，當(dāng)氣象條件不足以產(chǎn)生海市蜃樓時(shí)，可能產(chǎn)生這些現(xiàn)象。

有時(shí)人們認(rèn)為傳統(tǒng)蜃景中的正像是真實(shí)的物體自身，而倒像不過(guò)是一個(gè)幻景，并不真實(shí)。但是，這個(gè)觀點(diǎn)受到了三像蜃景（3-image mirage）和其他多像蜃景現(xiàn)象的挑戰(zhàn)，在這些蜃景現(xiàn)象中出現(xiàn)了兩個(gè)或多個(gè)正像。那么，哪一個(gè)才是真實(shí)的物體呢？我們應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，我們看到的每一個(gè)像都能反映真實(shí)的物體，不過(guò)它們是因?yàn)榇髿庹凵涠x其真實(shí)位置而形成的。另一個(gè)普遍的誤解是認(rèn)為海市蜃樓會(huì)占據(jù)一大片的天空，但實(shí)際上海市蜃樓絕不會(huì)那樣。它們總是出現(xiàn)在地平線(xiàn)附近一片狹窄的天空區(qū)域。

3 下現(xiàn)蜃景（inferior mirage）

下現(xiàn)蜃景是最常見(jiàn)的一種海市蜃樓現(xiàn)象，人們?cè)谏衬锌吹降木褪窍卢F(xiàn)蜃景，不過(guò)由于去過(guò)沙漠的人不多，能有幸看到下現(xiàn)蜃景的人更少，所以民間對(duì)這種蜃景的描述很不準(zhǔn)確。多數(shù)的人會(huì)以為人們?cè)谏衬心芸吹竭h(yuǎn)方出現(xiàn)虛幻的綠洲或建筑，但實(shí)際上真正看到沙漠蜃景的人會(huì)發(fā)現(xiàn)它遠(yuǎn)沒(méi)有想象中那樣神奇。

圖3是在沙漠中拍攝到的海市蜃樓的照片，在照片中我們能看到遠(yuǎn)處的景物和它們的倒像，似乎是因?yàn)檫@些景物位于湖泊的邊緣，于是我們?cè)谒锌吹搅怂鼈兊牡瓜?。?lèi)似的景象其實(shí)在我們平時(shí)生活的城市道路上經(jīng)?？梢?jiàn)——在晴天的時(shí)候觀察遠(yuǎn)處平整的馬路路面時(shí)，我們也能看到路面上車(chē)輛和行人的倒像，好像路面上有一層水似的，這種現(xiàn)象有時(shí)又被稱(chēng)為“熱路蜃景”（hot-road mirage），凡是在干燥炎熱的地表我們都能看到這樣的景象（圖4）。

下現(xiàn)蜃景的產(chǎn)生原因如之前的教材圖2，在此筆者不再贅述。

那么，下現(xiàn)蜃景是否只能在陸地上才能觀察到呢？答案是否定的，在海上也能看到，只不過(guò)人們通常給它另外一個(gè)名字：海滋。與地面上的下現(xiàn)蜃景多出現(xiàn)在炎熱的夏季不同，海上的下現(xiàn)蜃景多出現(xiàn)在秋冬季節(jié)。在連續(xù)的陰雨天后，海面的溫度急劇向上方遞減，所以越靠近海面大氣溫度越高，空氣的折射率也越大，從遠(yuǎn)處海島傳來(lái)的光線(xiàn)受海上大氣折射以至發(fā)生全反射后進(jìn)入人眼而出現(xiàn)下現(xiàn)蜃景，海島的下現(xiàn)蜃景與其海上正像拼合后，形成的圖像往往兩端翹起，形如?？罩型蛊鸬哪⒐綘睢⑾扇饲驙罨蛱祀H孤舟狀。由于這些景象似由海面滋生出來(lái)，故名“海滋”（圖5）。

4 上現(xiàn)蜃景

對(duì)上現(xiàn)蜃景的說(shuō)法和理解往往是混亂的，比較普遍的說(shuō)法是認(rèn)為看到遠(yuǎn)處本應(yīng)位于海平面以下的景物的正立的像出現(xiàn)在海面之上的現(xiàn)象就是上現(xiàn)蜃景。然而，筆者經(jīng)過(guò)搜集和研究國(guó)內(nèi)外多方材料，發(fā)現(xiàn)這種說(shuō)法并不完全正確。

下面我們就來(lái)分析一下在夏季的海面上出現(xiàn)蜃景的成因。由于海水的比熱比較大（與普通淡水差不多），水體的吸熱能力強(qiáng)，所以往往靠近海面的空氣溫度比較低，越往上空氣層的溫度越高，密度越小，空氣變得越來(lái)越稀薄，所以上層空氣相對(duì)于下層空氣而言折射率要小一些，是光疏介質(zhì)（注意：這與冬天海面出現(xiàn)海滋現(xiàn)象時(shí)的氣象條件正好相反）。所以，當(dāng)光在大氣中傳播時(shí)將不沿直線(xiàn)，而是不斷向靠近水平的方向折射，從而沿曲線(xiàn)傳播。考慮地球本身是球體，光線(xiàn)這樣傳播的效果相當(dāng)于使人眼能看見(jiàn)由原來(lái)位于遠(yuǎn)處地平線(xiàn)下的物體所發(fā)出的光，于是人能看見(jiàn)海面上物體正立的像，我們大部分人平時(shí)所說(shuō)的“海市蜃樓”就是指這種現(xiàn)象。但是，這種現(xiàn)象和教材中所提到的“蒙氣差”現(xiàn)象（如圖6、7）實(shí)際上是一回事，都是大氣的普通折射現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在英語(yǔ)里用單詞“l(fā)ooming”表示，意為“對(duì)位于遠(yuǎn)方地平線(xiàn)下的物體的可見(jiàn)”（Visibility of distant objects usually hidden below the apparent horizon），可見(jiàn)英語(yǔ)的解釋是相當(dāng)準(zhǔn)確而清晰的。筆者查閱了很多英漢詞典，發(fā)現(xiàn)對(duì)“l(fā)ooming”這個(gè)單詞的翻譯有多種，其中包括將其翻譯為“上現(xiàn)蜃景”或“幽影”。但是，在“l(fā)ooming”所代表的上現(xiàn)蜃景現(xiàn)象中，由于光線(xiàn)只是不斷在空氣中發(fā)生折射。但是，并沒(méi)有發(fā)生全反射，所以觀察者看到的只能是景物的正像而非倒像。所以，這種上現(xiàn)蜃景和由“superior mirage”所代表的上現(xiàn)蜃景是不同的。

東部海面上出現(xiàn)的蒙氣差蜃景

從前文可知，“superior mirage”所代表的上現(xiàn)蜃景中，觀察者能看到“倒像位于正像之上”（Inverted image above erect one）。但是，似乎一般在海邊看到的海市蜃樓中很少出現(xiàn)這樣的情況，這是什么原因呢？

原來(lái)，這種上現(xiàn)蜃景對(duì)氣候條件的要求十分苛刻。上文中已經(jīng)講到，夏天的海面上，海水溫度較低，強(qiáng)烈的陽(yáng)光照射會(huì)使得海面上的空氣溫度隨高度的升高而增加，會(huì)在海面上形成逆溫層（Thermal Inversion Layer）。當(dāng)逆溫層中的空氣密度變化達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，可能出現(xiàn)能看到地平線(xiàn)下景物正像的上現(xiàn)蜃景（looming）現(xiàn)象。如果逆溫層的空氣變化更加強(qiáng)烈時(shí)，則可能出現(xiàn)能看到景物倒像到上現(xiàn)蜃景（superior mirage）現(xiàn)象。因?yàn)檫@時(shí)候在離海面大約50～60米高度的大氣中相當(dāng)于形成了一個(gè)空氣“通道”（duct），由海上景物發(fā)出或反射的光線(xiàn)經(jīng)過(guò)不斷折射后如果進(jìn)入這個(gè)通道，將會(huì)在通道內(nèi)發(fā)生全反射！顯然，這層通道就好比在天空中安放了一個(gè)巨大的平面鏡，光線(xiàn)經(jīng)過(guò)全反射進(jìn)入觀察者的眼睛后，觀察者就會(huì)看到在遠(yuǎn)處的景物之上出現(xiàn)了它的倒立的像（圖8）。

在我國(guó)的多處海濱，從古至今有無(wú)數(shù)關(guān)于海市蜃樓的記載，但是其中卻鮮有關(guān)于能觀察到倒立的像的上現(xiàn)蜃景的記錄，在四大海市蜃樓的觀賞勝地——山東的蓬萊閣和長(zhǎng)島、河北的聯(lián)峰山、江蘇的海州灣——人們看到的也多是成正像的上現(xiàn)蜃景和“海滋”現(xiàn)象。這說(shuō)明一般要觀測(cè)到成倒像的上現(xiàn)蜃景是很不容易的，但是這并不表明這種現(xiàn)象并不存在。本文開(kāi)篇提到的教材對(duì)這個(gè)現(xiàn)象避而不談，卻把成正像的上現(xiàn)蜃景用光的全反射來(lái)解釋?zhuān)@然是有失偏頗的。

那么，在哪些地區(qū)容易觀察到成倒像的上現(xiàn)蜃景呢？答案是在極地地區(qū)，因?yàn)樵跇O地地區(qū)的海面或者冰面的溫度非常低，而經(jīng)過(guò)陽(yáng)光照射之后，在海面或冰面之上的空氣中更容易形成強(qiáng)烈的逆溫層，有助于上現(xiàn)蜃景的出現(xiàn)（如圖9），所以人們又常將其稱(chēng)為“極地蜃景”（Polar Mirage或Arctic Mirage）。

照片，可以清楚地看到船只的倒像位于其正像之上

綜上所述，我們可以發(fā)現(xiàn)，海市蜃樓現(xiàn)象其實(shí)是由光在傳播的過(guò)程中不沿直線(xiàn)，而是經(jīng)過(guò)折射甚至全反射以后形成的，但是具體到不同的蜃景其原理還需仔細(xì)分析，不可以偏概全。

參考文獻(xiàn)：

[1]呂洪君.海市蜃樓的理論研究[J].安徽教育學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1998（1）：27—28.

[2]沈啟正.海市蜃樓的映像是正立還是倒立的[J].物理教師，2001，22（11）：26，28.（欄目編輯 羅琬華）