“海市蜃楼”现象的光学分析

“海市蜃楼”现象的光学分析

江苏省宜兴第一中学任才生章小萍

摘要：本文从光学角度分析海市蜃楼现象的成因，对其成正影和倒影进行讨论，并对与此类似的沙漠蜃景成像机理作光学探讨，根据讨论结果对生活中看到的景象作出合理的解释。

Summary: My article analyses the causes of the mirage from the point

of optics. It discusses whether it will be an erect image or an inverted image and the formation of image mechanism of the loming in the desert. It gives reasonable explanations of the phenomena seen in our daily life according to the results of the discussion.

关键词：海市蜃楼；光的折射；全反射；折射率；蜃景

Key words： mirage； refraction of light； reflection； refraction index； loming

海市蜃楼是一种奇特的自然现象，在我国古代传说中，“蜃乃蛟龙之属，能吐气而成楼台城廓”，又说海市是“海上神仙的住所，它位于虚无飘渺间”，因此而得名。此类奇景在没有被充分认识前，往往被人们神秘化。近年来，人们对这种奇观引以重视，许多有心人准确地记录了出现海市蜃楼的确切时间，并留下了精彩的画面，如下图。

随着人类科技的发展，海市蜃楼这种由阳光在大气中折射和全反射而产生的

光学现象，已经被慢慢地揭开其神秘的面纱。笔者主要想从光学角度对海市蜃楼现象进行分析，对海市蜃楼成正影还是倒影进行一些讨论。

这里我们涉及到两种成像机理：折射成像和全反射成像。

首先，我们看最简单的折射成像光路图，假设水中有一点光源A，经水折射后成的像在A’点，如图1所示，也可以在另一个方向上取两条比较相近的光线作光路图得到图2[1]，可见观察者从不同方向观察到的像实际位置略有不同，但像的位置总在物点的上方，而所成像是正立的还是倒立的还是无法考证。

为了说明问题，现取箭头AB作为光源，作从水中经折射后的光路图，如图3所示，

图3中A点发出的两束光经折射后成的像点在A’点，B点发出的两束光经折射成的像在B’点，由于人眼观察范围较小，故B点入射角应更小些才有可能被接收到，这样像A’B’在物AB上方，且略微有些倾斜，但大致是正立的，所以我们平时总说折射成像是正立的。

其次，我们看最简单的全反射成像光路图。同样假设水中有一光源A，如图4所示，若取两条入射角较大的光线，在界面处发生了全反射，则在水中的鱼看到的A点的像A’在A点的上方，当然观察者站的位置与前面观察折射成像时站的位置肯定不同，从图1和图4中可以看出明显差异。

同理，这样还不能看出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5，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，实质就是平面镜成像，所以我们平时总说全反射成的像是倒立的。

“海市蜃楼”现象中光路要复杂得多，夏天，在气压恒定的海平面上，空气密度随高度增加而减少，对光的折射率也随之减小，从而形成一具有折射率梯度的空气层，当光线通过此空气层时，将发生偏转。如图6，设一束从远处景物a发出的光线以入射角 i由折射率为n处射入空气层，由折射定律得：nsini=n

1

sinα①

n 1sinα=n

2

sinβ②

联立①②两式可得：sinβ=

2sin

n

i

n

[2]

可见，当i、n为定值时，由于n>n

2

，所以β>i，从下层空气进入上层空气的入射角不断增大，当增大到由某两层空气的折射率决定的临界角时，就会发生全反射。结合前面所讲的折射成像和全反射成像知识，可知，当人眼在B处逆着光线Ba’观察时，可以看到经折射成的正立的虚像，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，因为光在空气中经过多次折射后再发生全反射，而且全反射后又要经多次折射才进入人眼，所以这时的光路会相当复杂，但只要恰到好处，在全反射区域总会找到一个合适的位置观察到倒立的像。

综上所述，“海市蜃楼”究竟是正悬挂还是倒悬挂，取决于入射到眼睛的光线是折射光线还是反射光线，若是折射成像，则应该是正悬挂，若是全反射成像，则应该是倒悬挂。

搞清了夏天海面上蜃景的光学原理，夏天沙漠中蜃景的光学原理也就迎刃而

解了。夏天，沙漠里的下层空气密度小于上层空气密度，相应折射率也小于上层空气折射率，也形成一梯度折射率的空气层，其折射率渐变规律正好与海面上相反。远处物体发出的光向下经过空气层后也会折射和全反射，观察者在不同位置逆着光线看到的像也不同，如图7所示。

当人眼在B处逆着光线Ba’观察时，可以看到经折射成的正立的虚像，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。其光路实质和图6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”都有正立和倒立的两种。只是通常在观察“海市蜃楼”时观察者位置较高，故看到的景物一般是正悬挂的。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，在他的名著《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正悬挂蜃景。而在沙漠中，观察者位置通常也较高，这时看到的景物却是倒悬挂。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。其实此类蜃景不仅出现在海岸边和沙漠中,有时也出现在草原上,甚至出现在大城市里。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。

当然，由于实际情况十分复杂，要完全满足成像条件，对折射率和观察者位置的要求都是相当高的，而这样特定的有折射率梯度的空气层的形成又是在特定的天气形势和气象条件下形成的，所以海市蜃楼形成条件相当苛刻。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，这也是为什么海市蜃楼现象难得一见，即使出现，维持时间也不会太长的原因。[3]

参考文献：

[1]普通高中课程标准实验教科书（选修3-4）物理．人民教育出版社,2005.4

[2]王忠纯．用线性折射率模型解释海市蜃楼［Ｊ］．大学物理,2001(9):24-27

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