海市蜃楼现象的光学分析

(江苏省宜兴第一中学，江苏 宜兴 214200)

海市蜃楼是一种奇特的自然现象.我国古代传说认为“蜃乃蛟龙之属，能吐气而成楼台城廓”，又认为海市是“海上神仙的住所，它位于虚无飘渺间”，因此得名.

随着科学的发展，人类已知海市蜃楼是一种光线在大气中因为折射和全反射而产生的奇妙光学现象.本文从光学原理出发，对海市蜃楼现象进行分析，其原理涉及两种成像机理：折射成像和全反射成像.

图1

如图1所示，设水中有一点光源A，经水折射后，人眼观察到的像在A′点.若观察点改变，则观察到的像点位置也相应改变，但总在物点上方，成像为正像还是倒像无法证明.

图2

为说明问题，取箭头AB为光源，如图2所示，A点发出的两束光经折射后成的像点为A′，B点发出的两束光经折射后成的像为B′，由于人眼观察范围较小，故B点入射角较小时较易观测到，此时A′B′在物AB上方，略有倾斜，因此，折射成正立的像.

图3

在全反射的情况中，同样假设水中有一光源A，如图3所示，取两条入射角超过临界角的光线，在界面处发生全反射，若观察点在水中则看到的A点的像A′位于A点的上方.

图4

同理，若要判断全反射成的是正立的像还是倒立的像，再取箭头AB作为光源，经水面全反射后光路如图4所示.可见，AB经全反射成的像A′B′在AB的上方，是倒立等大的虚像，因此全反射成的像是倒立的.

图5

可见，当i、n为定值时，由于n>n2，所以β>i，从下层空气进入上层空气的光线入射角不断增大，当增大到大于由某连续两层空气间的临界角时，发生全反射.此时，当观察点在B处逆着光线Ba′观察时，可以看到经折射成的景物a正立的虚像.实际光路很复杂，这里逆着Ba′光线是虚指在折射区域的某个位置.当人眼在A处逆着光线Ab′观察时，可以看到经全反射成的倒立的虚像，当然，这时的倒立像不可能是等大的.光在空气中经过多次折射后发生全反射，再经多次折射进入人眼，光路相当复杂.但只要恰到好处，在全反射区域会存在一个合适的位置可观察到倒立的景像.

综上所述，“海市蜃楼”究竟是正像还是倒像，取决于入射到观察点的光线是折射光线还是反射光线，当折射光线成像时为正像，当全反射成像时为倒像.

沙漠中蜃景的光学原理与海市蜃楼一样相似.夏天沙漠中的下层空气密度小于上层空气密度，相应的折射率也小于上层空气折射率，同样形成一具有梯度折射率的空气层，其折射率渐变规律与海面上的空气层相反.远处物体发出的光线向下经过空气层后也会发生折射和全反射，观察点不同时，物体成像也不同(如图6).

图6

当观测点在B处逆着光线Ba′观察时，可以观察到经折射成的正立的虚像，当观测点在A处逆着光线Ab′观察时，可以看到经全反射成的倒立的虚像.其光路实质和图5完全一样，只是上下颠倒.因此，无论是“海市蜃楼”还是“沙漠蜃景”都有正立和倒立两种情况.只是通常在观察“海市蜃楼”时，观察者位置较高，故观察到的景物一般是正像.我国渤海中有个庙岛群岛，在夏季，白昼海水温度较低，空气密度呈现显著的下密上稀分布，在渤海南岸的蓬莱县(古时叫登州)，常可看到庙岛群岛的幻影.宋朝沈括在他的名蓍《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.”记录了他在蓬莱所看到的正像蜃景.而在沙漠中，观察者位置通常也较高，这时观察到的景物却是倒像.由于倒影位于实物的下面，所以又叫下现蜃景.这种倒影容易给人们以水边树影的幻觉，以为远处是一个湖.凡是曾在沙漠旅行过的人，大都有类似的经历.

其实此类蜃景不仅出现在海岸边和沙漠中,有时也出现在草原,甚至大城市里.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，发现什么水源也没有，才知道是上了蜃景的当.这是因为干枯的草和沙子一样，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.

由于实际的地理、气候环境十分复杂，海市蜃楼的形成条件相当苛刻，只能在无风或风力微弱的特定天气条件下出现，若上下层空气受到搅动混合，空气密度的差异减小，光线没有异常折射和全反射，则所成幻景立刻消逝.这也即是为什么海市蜃楼现象难得一见，且维持时间较短的原因.

参考文献：

[1]王忠纯．用线性折射率模型解释海市蜃楼[J]．大学物理，2001，(9)．

[2]陈连友，张宝贵．出现海市蜃楼的天气特征分析[J]．气象，2008，(11)．