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什么是海市蜃楼

编辑:在职研究生

    海市蜃楼是一种因光的折射而形成的自然现象。它也简称蜃景,是地球上物体反射的光经大气折射而形成的虚像。2011年5月9日下午4时左右,海口市沿海出现海市蜃楼奇观,持续一个小时左右。2011年5月10日,广州塔又现“空中皇冠”奇景, 专家称是海市蜃楼。

    主要特点  

    蜃景有两个特点:一是在同一地点重复出现,比如美国的阿拉斯加上空经常会出现蜃景;二是出现的时间一致,比如我国蓬莱的蜃景大多出现在每年的5、6月份,俄罗斯齐姆连斯克附近蜃景往往是在春天出现,而美国阿拉斯加的蜃景一般是在6月20日以后的20天内出现。

    内在本质  

    自古以来,蜃景就为世人所关注。在西方神话中,蜃景被描绘成魔鬼的化身,是死亡和不幸的凶兆。我国古代则把蜃景看成是仙境,秦始皇、汉武帝曾率人前往蓬莱寻访仙境,还多次派人去蓬莱寻求灵丹妙药。现代科学已经对大多数蜃景作出了正确解释,认为蜃景是地球上物体反射的光经大气折射而形成的虚像,所谓蜃景就是光学幻景。

    形成条件  

     蜃景与地理位置、地球物理条件以及那些地方在特定时间的气象特点有密切联系。气温的反常分布是大多数蜃景形成的气象条件。就拿下蜃的形成来说吧。夏季沙漠中烈日当头,沙土被晒得灼热,因沙土的比热小,温度上升极快,沙土附近的下层空气温度上升得很高,而上层空气的温度仍然很低,这样就形成了气温的反常分布,由于热胀冷缩,接近沙土的下层热空气密度小而上层冷空气的密度大,这样空气的折射率是下层小而上层大。当远处较高物体反射出来的光,从上层较密空气进入下层较疏空气时被不断折射,其入射角逐渐增大,增大到等于临界角时发生全反射,这时,人要是逆着反射光线看去,就会看到下蜃。   

    柏油马路因路面颜色深,夏天在灼热阳光下吸收能力强,同样会在路面上空形成上层的空气冷、密度大,而下层空气热、密度小的分布特征,所以也会形成下蜃。   沙漠里的海市蜃楼奇景发生在沙漠里的“海市蜃楼”,就是太阳光遇到了不同密度的空气而出现的折射现象。沙漠里,白天沙石受太阳炙烤,沙层表面的气温迅速升高。由于空气传热性能差,在无风时,沙漠上空的垂直气温差异非常显著,下热上冷,上层空气密度高,下层空气密度低。当太阳光从密度高的空气层进入密度低的空气层时,光的速度发生了改变,经过光的折射,便将远处的绿洲呈现在人们眼前了。在海面或江面上,有时也会出现这种“海市蜃楼”的现象。   

    海市蜃楼是一种光学幻景,是地球上物体反射的光经大气折射而形成的虚像。 海市蜃楼简称蜃景,根据物理学原理,海市蜃楼是由于不同的空气层有不同的密度,而光在不同的密度的空气中又有着不同的折射率。也就是因海面上冷空气与高空中暖空气之间的密度不同,对光线折射而产生的。蜃景与地理位置、地球物理条件以及那些地方在特定时间的气象特点有密切联系。气温的反常分布是大多数蜃景形成的气象条件。

    形成原因  

    原来这是一种幻景,通称海市蜃楼,或简称蜃景。

  为什么会产生这种现象呢?要解答这个问题,得先从光的折射谈起。   

    当光线在同一密度的均匀介质内进行的时候,光的速度不变,它以直线的方向前进,可是当光线倾斜地由这一介质进入另一密度不同的介质时,光的速度就会发生改变,进行的方向也发生曲折,这种现象叫做折射。当你用一根直杆倾斜地插入水中时,可以看到杆在水下部分与它露在水上的部分好像折断的一般,这就是光线折射所成的,有人曾利用装置,使光线从水里投射到水和空气的交界面上,就可以看到光线在这个交界面上分两部分:一部分反射到水里,一部分折射到空气中去。如果转动水中的那面镜子,使投向交界面的光线更倾斜一些,那么光线在空气中的折射现象就会显得更厉害些。当投向交界面的光线如左下图所示的情况时,光线就全部反射到水里,再没有折射到空气中去的光线了。这样的现象叫做全反射。   

     空气本身并不是一个均匀的介质,在一般情况下,它的密度是随高度的增大而递减的,高度越高,密度越小。当光线穿过不同高度的空气层时,总会引起一些折射,但这种折射现象在我们日常生活中已经习惯了,所以不觉得有什么异样。   

    在夏季,白昼海水温度比较低,特别是有冷水流经过的海面,水温更低,下层空气受水温更低,下层空气受水温影响,比上层空气更冷,所以出现下冷上暖的反常现象(正常情况是下暖上凉,平均每升高100米,气温降低0.6℃ 左右)。下层空气本来就因气压较高,密度较大,现在再加上气温又较上层更低,密度就显得特别大,因此空气层下密上疏的差别异常显著。   

    假使在我们的东方地平线下有一艘轮船,一般情况下是看不到它的。如果由于这时空气下密上稀的差异太大了,来自船舶的光线先由密的气层逐渐折射进入稀的气层,并在上层发生全反射,又折回到下层密的气层中来;经过这样弯曲的线路,最后投入我们的眼中,我们就能看到它的像。由于人的视觉总是感到物像是来自直线方向的,因此我们所看到的轮船映像比实物是抬高了许多,所以叫做上现蜃景。   

    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。”这就是他在蓬莱所看到的上现蜃景。

  公元1624年7月6日(明天启四年五月二十一日),登州海面上发生了历时七个多小时的海市蜃楼,当时即将离任的登莱巡抚袁可立目睹了整个过程,心情十分激动,一首《海市诗》详实地将当时的盛况记录下来,文辞优美,可以让没有见过海市的人,产生身临其境的感觉,再加上董其昌的书法,成为东海上的不朽之作。1933年5月22日上午11点多钟,青岛前海(胶州湾外口)竹岔岛上也曾发现过上现蜃景,一时轰传全市,很多人前往观看。1975年在广东省附近的海面上,曾出现一次延续6小时的上现蜃景。   

    不但夏季在海面上可以看到上现蜃景,在江面有时也可看到,例如1934年8月2日在南通附近的江面上就出现过。那天酷日当空,天气特别热,午后,突然发现长江上空映现出楼台城廓和树木房屋,全部蜃景长20多里。约半小时后,向东移动,突然消逝。后又出现三山,高耸入云,中间一山,很像香炉;又隔了半小时,才全部消失。   

    在沙漠里,白天沙石被太阳晒得灼热,接近沙层的气温升高极快。由于空气不善于传热,所以在无风的时候,空气上下层间的热量交换极小,遂使下热上冷的气温垂直差异非常显著,并导致下层空气密度反而比上层小的反常现象。在这种情况下,如果前方有一棵树,它生长在比较湿润的一块地方,这时由树梢倾斜向下投射的光线,因为是由密度大的空气层进入密度小的空气层,会发生折射。折射光线到了贴近地面热而稀的空气层时,就发生全反射,光线又由近地面密度小的气层反射回到上面较密的气层中来。这样,经过一条向下向下凹陷的弯曲光线,把树的影像送到人的眼中,就出现了一棵树的倒影。   

    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  海市蜃楼幻景幻觉,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。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。   

    无论哪一种海市蜃楼,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。   

    总而言之,这是一种十分有趣的折射和反射现象。

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