“海市蜃樓”“上蜃”的成因究竟是什么？

王偉民

摘要：根據(jù)光的折射和全反射的規(guī)律，結(jié)合人們看到海市蜃樓的情景，分析教科書對海市蜃褸的形成解釋不要的原因，并提出海市蜃樓中“上蜃”形成的可能原因（僅為推測）.

關(guān)鍵詞：海市蜃樓;上蜃;全反射

站在海邊的人們，凝望平靜的大海時(shí)，不經(jīng)意間，說不定會(huì)有一幅美輪美奐的畫面從天空映入眼簾—亭臺(tái)樓閣懸浮在空中，車馬行人穿行于鬧市，高山流水、森林瀑布等諸多美景變幻莫測，時(shí)隱時(shí)現(xiàn)……，這便是人們常說的海市蜃樓現(xiàn)象.

海市蜃樓是一種不太常見但又非常奇妙的自然景觀，多出現(xiàn)于夏季雨后沙漠或海面的上空.若按所成像的正倒方向?qū)ζ溥M(jìn)行分類的話，海市蜃樓大致分為兩類——上蜃與下蜃，跟實(shí)物相比，看到的像是正立方向的為上蜃（參見圖1.這幅照片拍攝于2015年3月19日上午，山東省青島西海岸新區(qū)靈山灣海域，在靈山島附近.海平面出現(xiàn)幾座高樓狀物體，原本空蕩的海平面突然出現(xiàn)上蜃的奇景）.反之，看到的像為倒立方向的為下蜃.在人們抬頭仰望天空所能看到的蜃景中，上蜃出現(xiàn)的幾率比下蜃出現(xiàn)的幾率大得多（馬路上海市蜃樓的情景多為下蜃）.筆者發(fā)現(xiàn)，不同時(shí)期的教科書對海市蜃樓成因的解釋不盡相同.受早期教科書對海市蜃樓成因解釋的影響，一些教輔用書及期刊多將大氣中的某一水平假想面對光的全反射，作為海市蜃樓現(xiàn)象形成的主要原因.近期出版的物理教科書將之前“海市蜃樓”成因的“全反射”說，更改為現(xiàn)在的“折射”說.

筆者把不同時(shí)期的教科書對海市蜃樓形成原因的解釋進(jìn)行摘錄.

早期的人教社高中物理教科書從光的折射及全反射的角度，對“海市蜃樓”現(xiàn)象的形成原因作如下解釋：（詳見全日制普通高級(jí)中學(xué)教科書（必修加選修）《物理》第三冊，人教社2003年版）

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)處的山脈、船舶、樓房、人等發(fā)出的光線射向空中時(shí)，由于不斷被折射，越來越偏離法線方向，進(jìn)入上層空氣的入射角不斷增大，以至發(fā)生全反射，光線反射回地面，人們逆著光線看去，就會(huì)看到遠(yuǎn)處的景物懸在空中.

新版人教社初中物理教科書對“海市蜃樓”的成因解釋如下：

我們已經(jīng)知道，光在同種均勻的介質(zhì)中沿直線傳播.如果介質(zhì)密度不均，光就不會(huì)沿直線傳播，而是發(fā)生折射.海市蜃樓是一種由光的折射產(chǎn)生的現(xiàn)象，多發(fā)生在夏天.夏天空氣較熱，但海水比較涼，海面附近空氣的溫度比上面的低.空氣熱脹冷縮，上層的空氣比底層的空氣稀疏.來自地平線以下遠(yuǎn)處物體的光，本來不能到達(dá)我們的眼中，但有一些射向空中的光，由于不同高度的空氣疏密不同而發(fā)生彎曲，逐漸彎向地面，進(jìn)入觀察者的眼睛.觀察者逆著光望去，就看見了遠(yuǎn)處的物體（參見圖2.圖2是教科書這部分內(nèi)容的插圖）.

筆者以為，上面摘錄的這兩段不同時(shí)期的教科書對海市蜃樓形成原因的解釋，都有值得商榷的地方. 先分析早期教科書解釋不妥的原因——“海市蜃樓”中“上蜃”的形成原因不可能是由于光的全反射.

首先，除云層的外圍，大氣層內(nèi)部的任何假想面均不具備發(fā)生光反射的條件.

為解釋光在空氣中的折射規(guī)律，將海面上方的空氣“看作”由下而上橫向排列、密度遞減的許多水平氣層所組成倒也無可厚非，但這種“看作”只能說是在建立物理模型——一種為解釋光的折射規(guī)律而人為建立的模型.需要說明的是，模型與實(shí)物相比雖說有共性，但二者絕不能等同，它們之間在一些方面或許非常相似，但是，在其它方面甚至有可能會(huì)存在質(zhì)的區(qū)別.實(shí)際海面上方的空氣，盡管密度隨海拔高度的增加而減小，但卻不會(huì)因?yàn)槿藗兘⒘朔謱优挪嫉目諝馕锢砟Ｐ投l(fā)生密度的躍遷，其密度的變化總是連續(xù)的.換句話說，除云層的外圍，空氣中不可能存在對光反射的反射面，更不可能存在可以發(fā)生所謂對光“全反射”的水平假想空氣面（云層的外圍對光的反射，屬于漫反射，不會(huì)像平靜的水面那樣因發(fā)生鏡面反射而成像）.所以，對于海面上方密度隨高度增加而遞減的空氣來說，當(dāng)光線在其中向上斜射時(shí)，光的傳播方向雖然的確會(huì)“越來越偏離法線方向”，但因沒有供其反射的反射面，光線不可能“調(diào)頭”斜向下入射而進(jìn)入地面上人的眼中.

其次，若將全反射作為海市蜃樓的形成原因，我們將會(huì)從邏輯上推出多個(gè)與事實(shí)不相符甚至相悖的現(xiàn)象.

由于水的比熱容較大，夏天，海水的溫度較空氣的溫度低，正如課本所言，海面上的下層空氣，溫度會(huì)比上層低，密度比上層大，折射率當(dāng)然也比上層大，大氣中從地面斜向上入射的光線會(huì)逐漸偏離原來的方向，朝著遠(yuǎn)離鉛直線的方向偏折，而且海面上方大氣中光線的這種偏折規(guī)律將是一種普遍現(xiàn)象.假如空氣中真的存在一些供光反射的水平反射面，那么，斜向上入射的光線，當(dāng)入射角增大到一定程度時(shí)，發(fā)生全反射將是必然的（因?yàn)楣馐菑南旅娴墓饷芙橘|(zhì)射入上方的光疏介質(zhì)，且入射角不斷增大）.這樣，海邊的人們，無論處于何時(shí)，身在何地，抬頭仰望天空時(shí)，都應(yīng)該能看到海市蜃樓的美景，觀賞海市蜃樓將成為一種常態(tài)，就如同人們隨處可以看到岸邊的樹木在平靜水面中形成的倒影一樣.而事實(shí)上，海市蜃樓是一種非常罕見的自然景觀，除極少數(shù)人有幸看到過該現(xiàn)象之外，絕大多數(shù)人僅僅是在電視新聞中能觀賞到這種現(xiàn)象，即便是常于海邊居住之人，在有生之年親眼目睹到海市蜃樓勝境的機(jī)會(huì)都不會(huì)太多.這從一個(gè)側(cè)面說明，海市蜃樓成因的“全反射”之說是站不住腳的.

如果“海市蜃樓”中的“上蜃”現(xiàn)象是由于全反射而形成的，那么，人們從空中看到的景物與地面上的實(shí)物相比，將會(huì)上下顛倒.

假設(shè)海面上方的空氣是由許多密度不等（密度隨高度的增加而遞減）的水平空氣層所組成，相鄰兩層間都存在密度的躍遷.如圖3所示，設(shè)MN為密度不同的兩水平空氣層的分界面，一束光（注意是“一束光”，而非一條光線）以大于臨界角的角度射向分界面MN并發(fā)生全反射，因?yàn)榉纸缑鍹N是水平的，由圖可知，入射光束“外圍”的兩條入射光線AB與CD相比，本來位居上方的入射光線AB，經(jīng)分界面MN反射之后，它所對應(yīng)的反射光線BH將位居折射光束外圍的下方.這就是說，地面上的物體經(jīng)密度不同的兩水平空氣層間的分界面全反射所成的康像，與原物體相比，均是上下顛倒的（如果不是因?yàn)橄聦涌諝獾恼凵洌孛嫔系奈矬w經(jīng)假想水平空氣分界面的全反射所成的像，應(yīng)該是標(biāo)準(zhǔn)的平面鏡成像，像與物將關(guān)于分界面對稱）.而在上蜃現(xiàn)象中人們所看到的像均是正立的，所以從這一點(diǎn)來看，海市蜃樓“上蜃”的形成，也不應(yīng)該是因?yàn)楣獾娜瓷?

既然海市蜃樓的形成不可能是光全反射的結(jié)果，那唯一的情況只可能是由于光的折射而形成.

再分析近期出版的教科書對海市蜃樓形成解釋不妥的原因.

從近期教科書對海市蜃樓形成原因的解釋來看，跟早期教科書建立的物理模型類似，也是將海面上方的空氣看作自下而上密度遞減的空氣層所組成，從遠(yuǎn)處物體發(fā)出的斜向上入射的光線，由于光的折射，的確會(huì)發(fā)生彎曲.但是，如果不是因?yàn)楣獾姆瓷?，僅僅是由于光在密度不等的水平空氣分界面發(fā)生折射的話，斜向上入射的光線經(jīng)折射后，折射角會(huì)逐漸增大，但絕對不會(huì)“掉頭”向下折射.換句話說，教科書中“有一些射向空中的光，由于不同高度的空氣疏密不同而發(fā)生彎曲，逐漸彎向地面”的說法是沒有道理的.

那么，“海市蜃樓”中“上蜃”的形成原因究竟是什么？我們不妨對形成海市蜃樓現(xiàn)象的原因作大膽推測.

海面上，假如有兩大的熱空氣團(tuán)，它們中間夾一密度大的冷空氣帶，由于受特定氣流的影響，兩個(gè)熱空氣團(tuán)在作相向運(yùn)動(dòng)，由于熱空氣的密度較小，當(dāng)它們同時(shí)遇到密度大的冷空氣帶時(shí)（同時(shí)相遇的幾率不大，這只能說是巧合），從冷空氣帶的兩個(gè)側(cè)面同時(shí)向上爬升.如果海邊的人與遠(yuǎn)處的景物（比如亭臺(tái)）剛好分別處于兩熱空氣團(tuán)之中，那么，在觀賞者與景物亭臺(tái)之間，便會(huì)形成一個(gè)由密度較大的冷空氣“做成”的非常大的“空氣凸透鏡”，由于冷空氣的密度較熱空氣大，所以由冷空氣組成的“空氣凸透鏡”的折射率要比它兩側(cè)的熱空氣大如圖4.當(dāng)景物亭臺(tái)剛好位于該“空氣凸透鏡”的焦點(diǎn)F之內(nèi)時(shí)，景物亭臺(tái)經(jīng)“空氣凸透鏡”成一個(gè)正立、放大的虛像，人逆著經(jīng)過“空氣凸透鏡”折射進(jìn)入眼睛的光線望去，就會(huì)看到正立的亭臺(tái)影像懸浮于空中.

由于這樣的“空氣凸透鏡”的形成需要極為苛刻的大氣環(huán)流條件，而且很不穩(wěn)定，可能只會(huì)短時(shí)間存在，經(jīng)一段時(shí)間之后，在重力作用下，“空氣凸透鏡”會(huì)很快“坍塌”演變成相對穩(wěn)定的水平空氣層而居于熱空氣的下方.所以，海市蜃樓的美景不但罕見，而且持續(xù)的時(shí)間不長，往往是曇花一現(xiàn)，轉(zhuǎn)瞬即逝.

參考文獻(xiàn)：

[1]陳松榮.“海市蜃樓”的真正原因[J].物理通報(bào)，2003 （9）.

[2]人民教育出版社物理室.全日制普通高級(jí)中學(xué)教科書（必修加選修）.物理（第三冊）[M].北京：人民教育出版社，2003. 15.

[3]人民教育出版社課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.義務(wù)教育教科書物理（八年級(jí)上冊）[M].北京：人民教育出版社，2012. 83.