海市蜃楼

2020年5月25日

梁丽俪 彭志健 李子祥

在阳光充沛的日子里，当我们在炙热的公路上驾驶时，偶尔会看见远处的路面好像有积水。事实上，地面并不是真的有水，我们看到的乃是天空的倒影。这种现象称为海市蜃楼。

有些人会以为海市蜃楼是因心理作用而产生的幻象，其实它是一种自然光学现象。要了解海市蜃楼如何形成，我们先需要了解光怎样在空气中传播。光通常以直线行走，但当它从一种介质进入另一种介质时（例如空气、水、玻璃等），由于不同的介质有不同的光密度，光线会被折弯或改变前进方向，这现象称为折射。日常生活中有很多情况会看到折射，例如将筷子放在水中时，浸在水中的部分看似弯曲了。

一般而言，当光线进入两种介质的交界面时，一部分光线会被折射，剩余的部分则会在交界面反射回来。然而，当光线的入射角超过某个数值时，光线只会被反射而不会发生折射 (见图1)。这种现象称为全内反射。

在一个同一温度的空气层内，光会以直线行走。有些时候空气温度会随高度出现变化。在这种情况下，光线更像在沿着曲线行走，如图2所示。在条件适合下甚至出现全内反射，造成海市蜃楼般的景物移位现象。移位的影像又称为虚像。



根据虚像相对实物的位置，海市蜃楼也可分为下蜃景及上蜃景。

下蜃景

下蜃景的影像出现在实物的下方，通常出现在「上冷下暖」的空气层。如图2所示，当远处景物（视线上方）的光线由密度较高的冷空气层走向近炙热地面（视线下方）密度较低的暖空气层时，上方的光线会被不断的折射，直至出现全内反射时，光线便会向上转弯。当光线进入我们的眼睛时，我们会误以为光线是由景物以下位置以直线发出，导致影像好像倒影一样。一般来说，在沙漠或者公路受热后，接近地面的空气层的温度会明显较上面高，有利出现下蜃景现象。

虽然下蜃景较常见于陆地上，但有时亦会在海面上出现。2020年2月15日晚上，一道冷锋横过广东沿岸，翌日香港天气显著转泠。2月16日早上，全港的气温介乎摄氏14至16度，较前一天普遍低七至八度。与空气不同，海水降温比较慢，导致海面较其上的空气温暖。2月16日早上北角的海面温度达摄氏19度，远较上面的空气的温度高。当天中午时分有市民在蒲台岛附近的渡轮上观察到远处呈现天空和岛屿底部的倒影（见图3）。这很可能是由于当时有一层薄薄与海面相连的较温暖空气，令来自远处景物的光线产生折射（见图4）。

上蜃景
与下蜃景相对的是上蜃景，影像出现在实物的上方。发生的条件与下蜃景刚好相反，上层空气的温度较接近地面的高（见图5）。一般来说，空气温度会随高度下降，但有时候情况却恰恰相反。例如，当温暖的气团经过寒冷的海面或冰面时，气团的下层与冷海面或冰面接触而变冷，导致低层的空气比上层的空气更冷而形成所谓的逆温层。

上蜃景的影像是倒立还是直立，取决于实物与观察地点的距离和空气层的温度差异大小。

如果光线折弯的曲率与地球的曲率接近，本来位于海平面以下的景物，其上蜃景影像也可能被上移至海平面以上（见图6）。有时航海员声称在海上看到的奇怪事物，例如漂浮的城堡和飞船等，其实当中很多都是自然的光学现象。

除了上述两种海市蜃楼外，还有其他种类的海市蜃楼，例如侧蜃景和复杂蜃景。留待下次我们再作讨论。

(本文图示不按比例绘画)

参考:
『气象冷知识』：海市蜃楼