海市蜃楼现象及其主要疑问分析

蔡锦曦

摘 要：本文针对学生就教材上关于海市蜃楼的疑问进行解答，介绍有关海市蜃楼的历史认知，对海市蜃楼现象进行分类，并就主要的不同类别，阐释其形成的原因。

关键词：海市蜃楼；光的折射；全反射；像

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2016）2-0036-4

笔者近日在给学生介绍光学知识时引用了老教材（人民教育出版社2003年版的全日制普通高级中学物理教科书）关于“大气中的光现象”的阅读材料中对海市蜃楼的解释，现摘录原文如下：

“夏天，在平静无风的海面上，向远方望去，有时能看到山峰、船舶、楼台、亭阁、集市、庙宇等出现在远方的空中……叫做“海市蜃楼”……是光在密度分布不均匀的空气中传播时发生全反射而产生的。夏天，海面上的下层空气，温度比上层低，密度比上层大，折射率也比上层大。我们可以把海面上的空气看作是由折射率不同的许多水平气层组成的。远处的山峰、船舶、楼房、人等发出的光线射向空中时，由于不断被折射，越来越偏离法线方向，进入上层空气的入射角不断增大，以致发生全反射，光线反射回地面，人们逆着光线看去，就会看到远方的景物悬在空中。在沙漠里也会看到蜃景。太阳照到沙地上，接近沙面的热空气层比上层空气的密度小，折射率也小。从远处物体射向地面的光线，进入折射率小的热空气层时被折射，入射角逐渐增大，也可能发生全反射，人们逆着反射光线看去，就会看到远处物体的倒景，仿佛是从水面反射出来的一样。”

教材还配了如图1和图2的两幅插图用以说明在海上和沙漠中的海市蜃楼的成因。但是，学生阅读这段材料时普遍存在以下一些疑问：

1.图1所示的情况似乎是由光的简单折射引起的，如果没有全反射是否也能引起海市蜃楼现象？

2.图2中人所看到的是树木的倒像，而在图1中人看到的是正像，为什么会出现这样的区别？

3.还有哪些情况下可能看到海市蜃楼现象？

笔者认为，学生能提出以上的疑问，说明他们在考虑实际问题时思维已经非常广阔了，这也体现了当代中学生的思维特点，而仅凭教材上阅读材料所提供的信息，显然已经无法满足他们对知识的需求。在此，笔者将试对海市蜃楼这一现象作一归纳性的介绍和解释。

1 历史

在中国，古代有很多关于海市蜃楼的文字记载，西汉的司马迁在其于公元前91年完成的《史记·天官书》中有“海旁蜃气象楼台，广野气成宫阙然；云气各象其山川人民所聚积”的描述，汉语中的“海市蜃楼”一说由此而来。《灾祥志》或《五行志》皆将海市蜃楼作为灾难的预兆之一，不断地予以记录。其中，既包括沿海居民、远航船夫所见的海上蜃景（上现蜃景），也包括在西北大陆所见的陆地蜃景（下现蜃景）。

对于海市蜃楼的形成，古人大多不知其原因，有的认为是一种叫 “蜃”的神物在吐气的结果；有的将其作为神仙显灵，跪拜祷告；更可悲的是，当旅行商队或屯边戌卒在沙漠地带看见蜃景时，往往会以为前方有水池绿洲，结果却因此迷失方向，葬身沙海之中。直到明清时候，开始出现接近科学的推测，明代陆容在其著作《菽园杂记》中除了揭示了蜃景形成的大气条件外，也指出所谓蜃景并非“神物”。其文谓：“所谓楼台、所谓海市，大抵皆因山川之气掩映日光而成，固非蜃气，也非神物。”

英语中用来表示海市蜃楼的单词“mirage”实际上是一个法语单词，意为“看见的东西”（thing seen）。但是，是一种虚幻的东西。而在意大利，在亚平宁半岛和西西里岛之间的墨西拿海峡上，人们经常看到海面上耸立起形态各异且不断变化的城堡，当地人认为是传说中的女巫莫佳娜（Morgan le Fay）在施魔法，于是将这种现象称为“Fata Mor-ganas”。

2 区分各种概念

今天，我们知道海市蜃楼实际上是一种大气光学现象，跟大气对光的偏折作用有关。但是，实际上有很多现象都是跟大气对光的偏折作用有联系的，而人们往往对这些现象难以区分，民间也一般将它们都称为“海市蜃楼”。所以，理清这些不同的现象，正确地区分它们是必要的。通常，蜃景包含多个像，可能是正像，也可能是倒像。根据像的多少及正倒，可以将蜃景分类（如表1）。

严格地说，如果观察者只能观察到正立的物像，而不能观察到至少一个倒像的话，这样的现象是不能算为“海市蜃楼”的。所以，在上表所列举的现象中真正属于“海市蜃楼”现象的只有：下现蜃景、上现蜃景、三像蜃景和变形蜃景。在其他现象中，物像看起来发生了移位、扭曲、变形，但是没有发生倒转，当气象条件不足以产生海市蜃楼时，可能产生这些现象。

有时人们认为传统蜃景中的正像是真实的物体自身，而倒像不过是一个幻景，并不真实。但是，这个观点受到了三像蜃景（3-image mirage）和其他多像蜃景现象的挑战，在这些蜃景现象中出现了两个或多个正像。那么，哪一个才是真实的物体呢？我们应该认识到，我们看到的每一个像都能反映真实的物体，不过它们是因为大气折射而偏离其真实位置而形成的。另一个普遍的误解是认为海市蜃楼会占据一大片的天空，但实际上海市蜃楼绝不会那样。它们总是出现在地平线附近一片狭窄的天空区域。

3 下现蜃景（inferior mirage）

下现蜃景是最常见的一种海市蜃楼现象，人们在沙漠中看到的就是下现蜃景，不过由于去过沙漠的人不多，能有幸看到下现蜃景的人更少，所以民间对这种蜃景的描述很不准确。多数的人会以为人们在沙漠中能看到远方出现虚幻的绿洲或建筑，但实际上真正看到沙漠蜃景的人会发现它远没有想象中那样神奇。

图3是在沙漠中拍摄到的海市蜃楼的照片，在照片中我们能看到远处的景物和它们的倒像，似乎是因为这些景物位于湖泊的边缘，于是我们在水中看到了它们的倒像。类似的景象其实在我们平时生活的城市道路上经常可见——在晴天的时候观察远处平整的马路路面时，我们也能看到路面上车辆和行人的倒像，好像路面上有一层水似的，这种现象有时又被称为“热路蜃景”（hot-road mirage），凡是在干燥炎热的地表我们都能看到这样的景象（图4）。

下现蜃景的产生原因如之前的教材图2，在此笔者不再赘述。

那么，下现蜃景是否只能在陆地上才能观察到呢？答案是否定的，在海上也能看到，只不过人们通常给它另外一个名字：海滋。与地面上的下现蜃景多出现在炎热的夏季不同，海上的下现蜃景多出现在秋冬季节。在连续的阴雨天后，海面的温度急剧向上方递减，所以越靠近海面大气温度越高，空气的折射率也越大，从远处海岛传来的光线受海上大气折射以至发生全反射后进入人眼而出现下现蜃景，海岛的下现蜃景与其海上正像拼合后，形成的图像往往两端翘起，形如海空中凸起的蘑菇状、仙人球状或天际孤舟状。由于这些景象似由海面滋生出来，故名“海滋”（图5）。

4 上现蜃景

对上现蜃景的说法和理解往往是混乱的，比较普遍的说法是认为看到远处本应位于海平面以下的景物的正立的像出现在海面之上的现象就是上现蜃景。然而，笔者经过搜集和研究国内外多方材料，发现这种说法并不完全正确。

下面我们就来分析一下在夏季的海面上出现蜃景的成因。由于海水的比热比较大（与普通淡水差不多），水体的吸热能力强，所以往往靠近海面的空气温度比较低，越往上空气层的温度越高，密度越小，空气变得越来越稀薄，所以上层空气相对于下层空气而言折射率要小一些，是光疏介质（注意：这与冬天海面出现海滋现象时的气象条件正好相反）。所以，当光在大气中传播时将不沿直线，而是不断向靠近水平的方向折射，从而沿曲线传播。考虑地球本身是球体，光线这样传播的效果相当于使人眼能看见由原来位于远处地平线下的物体所发出的光，于是人能看见海面上物体正立的像，我们大部分人平时所说的“海市蜃楼”就是指这种现象。但是，这种现象和教材中所提到的“蒙气差”现象（如图6、7）实际上是一回事，都是大气的普通折射现象。这种现象在英语里用单词“looming”表示，意为“对位于远方地平线下的物体的可见”（Visibility of distant objects usually hidden below the apparent horizon），可见英语的解释是相当准确而清晰的。笔者查阅了很多英汉词典，发现对“looming”这个单词的翻译有多种，其中包括将其翻译为“上现蜃景”或“幽影”。但是，在“looming”所代表的上现蜃景现象中，由于光线只是不断在空气中发生折射。但是，并没有发生全反射，所以观察者看到的只能是景物的正像而非倒像。所以，这种上现蜃景和由“superior mirage”所代表的上现蜃景是不同的。

东部海面上出现的蒙气差蜃景

从前文可知，“superior mirage”所代表的上现蜃景中，观察者能看到“倒像位于正像之上”（Inverted image above erect one）。但是，似乎一般在海边看到的海市蜃楼中很少出现这样的情况，这是什么原因呢？

原来，这种上现蜃景对气候条件的要求十分苛刻。上文中已经讲到，夏天的海面上，海水温度较低，强烈的阳光照射会使得海面上的空气温度随高度的升高而增加，会在海面上形成逆温层（Thermal Inversion Layer）。当逆温层中的空气密度变化达到一定强度时，可能出现能看到地平线下景物正像的上现蜃景（looming）现象。如果逆温层的空气变化更加强烈时，则可能出现能看到景物倒像到上现蜃景（superior mirage）现象。因为这时候在离海面大约50～60米高度的大气中相当于形成了一个空气“通道”（duct），由海上景物发出或反射的光线经过不断折射后如果进入这个通道，将会在通道内发生全反射！显然，这层通道就好比在天空中安放了一个巨大的平面镜，光线经过全反射进入观察者的眼睛后，观察者就会看到在远处的景物之上出现了它的倒立的像（图8）。

在我国的多处海滨，从古至今有无数关于海市蜃楼的记载，但是其中却鲜有关于能观察到倒立的像的上现蜃景的记录，在四大海市蜃楼的观赏胜地——山东的蓬莱阁和长岛、河北的联峰山、江苏的海州湾——人们看到的也多是成正像的上现蜃景和“海滋”现象。这说明一般要观测到成倒像的上现蜃景是很不容易的，但是这并不表明这种现象并不存在。本文开篇提到的教材对这个现象避而不谈，却把成正像的上现蜃景用光的全反射来解释，显然是有失偏颇的。

那么，在哪些地区容易观察到成倒像的上现蜃景呢？答案是在极地地区，因为在极地地区的海面或者冰面的温度非常低，而经过阳光照射之后，在海面或冰面之上的空气中更容易形成强烈的逆温层，有助于上现蜃景的出现（如图9），所以人们又常将其称为“极地蜃景”（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

综上所述，我们可以发现，海市蜃楼现象其实是由光在传播的过程中不沿直线，而是经过折射甚至全反射以后形成的，但是具体到不同的蜃景其原理还需仔细分析，不可以偏概全。

参考文献：

[1]吕洪君.海市蜃楼的理论研究[J].安徽教育学院学报（自然科学版），1998（1）：27—28.

[2]沈启正.海市蜃楼的映像是正立还是倒立的[J].物理教师，2001，22（11）：26，28.（栏目编辑 罗琬华）