為什麼會形成海市蜃樓?為什麼會這樣?
2023-03-30 22:39:27
海市蜃樓形成的原因,為什麼會產生這種現象呢?
海市蜃樓形成的原因
在平靜無風的海面航行或在海邊瞭望，往往會看到空中映現出遠方船舶、島嶼或城廓樓臺的影像;在沙漠旅行的人有時也會突然發現，在遙遠的沙漠裡有一片湖水，湖畔樹影搖曳，令人嚮往。可是當大風一起，這些景象突然消逝了。原來這是一種幻景，通稱海市蜃樓，或簡稱蜃景。
為什麼會產生這種現象呢?要解答這個問題，得先從光的折射談起。當光線在同一密度的均勻介質內進行的時候，光的速度不變，它以直線的方向前進，可是當光線傾斜地由這一介質進入另一密度不同的介質時，光的速度就會發生改變，進行的方向也發生曲折，這種現象叫做折射。當你用一根直杆傾斜地插入水中時，可以看到杆在水下部分與它露在水上的部分好象折斷的一般，這就是光線折射所成的，有人曾利用裝置，使光線從水裡投射到水和空氣的交界面上，就可以看到光線在這個交界面上分兩部分：一部分反射到水裡，一部分折射到空氣中去。如果轉動水中的那面鏡子，使投向交界面的光線更傾斜一些，那麼光線在空氣中的折射現象就會顯得更厲害些。當投向交界面的光線如左下圖所示的情況時，光線就全部反射到水裡，再沒有折射到空氣中去的光線了。這樣的現象叫做全反射。
空氣本身並不是一個均勻的介質，在一般情況下，它的密度是隨高度的增大而遞減的，高度越高，密度越小。當光線穿過不同高度的空氣層時，總會引起一些折射，但這種折射現象在我們日常生活中已經習慣了，所以不覺得有什麼異樣。
在夏季，白晝海水溼度比較低，特別是有冷水流經過的海面，水溫更低，下層空氣受水溫更低，下層空氣受水溫影響，較上層空氣為冷，出現下冷上暖的反常現象(正常情況是下暖上涼，平均每升高100米，氣溫降低0.6℃ 左右)。下層空氣本來就因氣壓較高，密度較大，現在再加上氣溫又較上層為低，密度就顯得特別大，因此空氣層下密上稀的差別異常顯著。
假使在我們的東方地平線下有一艘輪船，一般情況下是看不到它的。如果由於這時空氣下密上稀的差異太大了，來自船舶的光線先由密的氣層逐漸折射進入稀的氣層，並在上層發生全反射，又折回到下層密的氣層中來;經過這樣彎曲的線路，最後投入我們的眼中，我們就能看到它的像。由於人的視覺總是感到物像是來自直線方向的，因此我們所看到的輪船映像比實物是抬高了許多，所以叫做上現蜃景。
我國渤海中有個廟島群島，在夏季，白晝海水溫度較低，空氣密度會出現顯著地下密上稀的差異，在渤海南岸的蓬萊縣(古時又叫登州)，常可看到廟島群島的幻影。
海市蜃樓形成的條件
海市蜃樓常在海上、沙漠中產生，海市蜃樓是光線在延直線方向密度不同的氣層中，經過折射造成的結果。
海市蜃樓的種類很多：根據它出現的位置相對於原物的方位，可以分為上蜃、下蜃和側蜃;
根據它與原物的對稱關係，可以分為正蜃、側蜃、順蜃和反蜃;
根據顏色可以分為彩色蜃景和非彩色蜃景等等。
就拿下蜃的形成來說：
夏季沙漠中烈日當頭，沙土被曬得灼熱，因沙土的比熱小，溫度上升極快，沙土附近的下層空氣溫度上升得很高，而上層空氣的溫度仍然很低，這樣就形成了氣溫的反常分布，由於熱脹冷縮，接近沙土的下層熱空氣密度小而上層冷空氣的密度大，這樣空氣的折射率是下層小而上層大。
當遠處較高物體反射出來的光，從上層較密空氣進入下層較疏空氣時被不斷折射，其入射角逐漸增大，增大到等於臨界角時發生全反射，這時，人要是逆著反射光線看去，就會看到下蜃。
海市蜃樓的意思
海市蜃樓是一種因光的折射而形成的自然現象。它也簡稱蜃景 ，是地球上物體反射的光經大氣折射而形成的虛像。相對於幻覺，海市蜃樓是一種真實的光學現象，由於觀測到的位置是由實際光線折射形成的虛像，它可以用照相機來捕捉影像。然而，會出現什麼樣的影像全由人類心靈解釋的能力來確定。例如，在地面的上蜃景非常容易被誤認為來自一小片水窪的反射。
海市蜃樓在漢語上的解釋
在海市蜃樓中的蜃就是指的大蛤，原指海邊或沙漠中，由於光線的反向和折射，空中或地面出現虛幻的樓臺城郭，現在很多人引用海市蜃樓來比喻虛無縹緲的事物。
海市蜃樓四種現象
海市蜃樓現象一：下現蜃景
下現蜃景是最常見的一種海市蜃樓現象，人們在沙漠中看到的就是下現蜃景，不過由於去過沙漠的人不多，能有幸看到下現蜃景的人更少，所以民間對這種蜃景的描述很不準確。多數的人會以為人們在沙漠中能看到遠方出現虛幻的綠洲或建築，但實際上真正看到沙漠蜃景的人會發現它遠沒有想像中那樣神奇。
上圖在沙漠中拍攝到的海市蜃樓的照片，在照片中我們能看到遠處的景物和它們的倒像，似乎是因為這些景物位於湖泊的邊緣，於是我們在水中看到了它們的倒像。類似的景象其實在我們平時生活的城市道路上經常可見——在晴天的時候觀察遠處平整的馬路路面時，我們也能看到路面上車輛和行人的倒像，好像路面上有一層水似的，這種現象有時又被稱為「熱路蜃景」(hot-road mirage)，凡是在乾燥炎熱的地表我們都能看到這樣的景象。
那麼，下現蜃景是否只能在陸地上才能觀察到呢?答案是否定的，在海上也能看到，只不過人們通常給它另外一個名字：海滋。與地面上的下現蜃景多出現在炎熱的夏季不同，海上的下現蜃景多出現在秋冬季節。在連續的陰雨天后，海面的溫度急劇向上方遞減，所以越靠近海面大氣溫度越高，空氣的折射率也越大，從遠處海島傳來的光線受海上大氣折射以至發生全反射後進入人眼而出現下現蜃景，海島的下現蜃景與其海上正像拼合後，形成的圖像往往兩端翹起，形如海空中凸起的蘑菇狀、仙人球狀或天際孤舟狀。由於這些景象似由海面滋生出來，故名「海滋」。
海市蜃樓現象二：上現蜃景
對上現蜃景的說法和理解往往是混亂的，比較普遍的說法是認為看到遠處本應位於海平面以下的景物的正立的像出現在海面之上的現象就是上現蜃景。然而，筆者經過搜集和研究國內外多方材料，發現這種說法並不完全正確。在上現蜃景中，觀察者能看到「倒像位於正像之上」(Inverted image above erect one)。但是，似乎一般在海邊看到的海市蜃樓中很少出現這樣的情況，這是什麼原因呢?
原來，這種上現蜃景對氣候條件的要求十分苛刻。在我國的多處海濱，從古至今有無數關於海市蜃樓的記載，但是其中卻鮮有關於能觀察到倒立的像的上現蜃景的記錄，在四大海市蜃樓的觀賞勝地——山東的蓬萊閣和長島、河北的聯峰山、江蘇的海州灣——人們看到的也多是成正像的上現蜃景和「海滋」現象。這說明一般要觀測到成倒像的上現蜃景是很不容易的，但是這並不表明這種現象並不存在。本文開篇提到的教材對這個現象避而不談，卻把成正像的上現蜃景用光的全反射來解釋，顯然是有失偏頗的。
那麼，在哪些地區容易觀察到成倒像的上現蜃景呢?答案是在極地地區，因為在極地地區的海面或者冰面的溫度非常低，而經過陽光照射之後，在海面或冰面之上的空氣中更容易形成強烈的逆溫層，有助於上現蜃景的出現，所以人們又常將其稱為「極地蜃景」(Polar Mirage或Arctic Mirage)。上圖照片，可以清楚地看到船隻的倒像位於其正像之上。
綜上所述，我們可以發現，海市蜃樓現象其實是由光在傳播的過程中不沿直線，而是經過折射甚至全反射以後形成的，但是具體到不同的蜃景其原理還需仔細分析，不可以偏概全。
海市蜃樓現象三：三像蜃景
有時人們認為傳統蜃景中的正像是真實的物體自身，而倒像不過是一個幻景，並不真實。但是，這個觀點受到了三像蜃景和其他多像蜃景現象的挑戰，在這些蜃景現象中出現了兩個或多個正像。那麼，哪一個才是真實的物體呢?我們應該認識到，我們看到的每一個像都能反映真實的物體，不過它們是因為大氣折射而偏離其真實位置而形成的。另一個普遍的誤解是認為海市蜃樓會佔據一大片的天空，但實際上海市蜃樓絕不會那樣。它們總是出現在地平線附近一片狹窄的天空區域。
海市蜃樓現象四：變形蜃景
物像看起來發生了移位、扭曲、變形，但是沒有發生倒轉，當氣象條件不足以產生海市蜃樓時，可能產生這種現象。
海市蜃樓的特點
蜃景有兩個特點：
1、在同一地點重複出現，比如美國的阿拉斯加上空經常會出現蜃景;
2、出現的時間一致，比如我國蓬萊的蜃景大多出現在每年的5、6月份，俄羅斯齊姆連斯克附近蜃景往往是在春天出現，而美國阿拉斯加的蜃景一般是在6月20日以後的20天內出現。
自古以來，蜃景就為世人所關注。在西方神話中，蜃景被描繪成魔鬼的化身，是死亡和不幸的兇兆。我國古代則把蜃景看成是仙境，秦始皇、漢武帝曾率人前往蓬萊尋訪仙境，還屢次派人去蓬萊尋求靈丹妙藥。現代科學已經對大多數蜃景作出了正確解釋，認為蜃景是地球上物體反射的光經大氣折射而形成的虛像，所謂蜃景就是光學幻景。
海市蜃樓與人造海市
1980年8月18日上午9時55分，在青海格爾木西北處的大沙漠中，突然出現一片水澤，水澤中迭化出一座座白色的樓宇，隨後樓宇漸漸消失，只留下一汪水帶。10時35分，水帶退去，依然是一望無際的茫茫沙海。這就是人們常說的海市蜃樓。
蜃，大蛤蜊，海中的一種動物。古代傳說蜃吐氣會形成美麗的樓臺城廓，故稱「海市蜃樓」。北宋沈括在《夢溪筆談》中記述了海市蜃樓奇觀：登州海中，時有雲氣，如宮室，城堞、臺觀、人物、車馬、冠蓋歷歷可見，謂之海市。」實際上，海市並不是大蛤蜊之類吐氣噴雲而形成的，更不是神仙鬼怪製造的，而是大自然的傑作—一種奇特罕見的光學現象。科學家指出，海市蜃樓是由於光線的折射作用形成的，多發生在夏天的海邊或沙漠(古稱瀚海)中。
炎熱的夏天，海面上或沙漠中表面的空氣急劇升溫，因而下層空氣的密度比上層空氣的密度要小得多。遠處物體發射或反射的光，經過各種不同密度的空氣層，就會發生折射和全反射。遠處地平線下的景物經過折射、全反射後又映入觀察者的眼中，於是人們就看到了海市蜃樓。這時，除了通過上層空氣可以看到正常的形象之外，還可以看到從它下層空氣反射過來的顛倒的物象，頗似樹木、樓宇的水中倒影，這就是所謂的「下現蜃樓」(倒象)。相反，在冷海面或極地冰雪覆蓋的地區，由於底層空氣密度很大而上層空氣密度很小，便產生了上蜃樓的景象(正象)。有的時候，空氣密度分布比較複雜，因此還可以看到側現蜃樓(斜象)和變幻蜃樓(時正時倒)。
海市蜃樓不僅出現於海洋和沙漠，也能在湖上或山中出現，出現於湖面的，稱為「湖市」，出現於山中的，稱為「山市」(亦稱鬼市)。
1981年8月3日下午6時20分左右，安徽巢湖上突然出現了姥山島，並像一艘大船緩慢地朝湖岸靠近。這種罕見的奇觀總共持續了40分鐘之後就悠然消失了，巢湖依1日風平浪靜晚霞滿天。
至於山市，則更加神秘。清人蒲松齡曾寫到：「奐山山市，邑八景之一也。數年恆不一見。孫公子禹年，與同人飲樓上，忽見山頭有孤塔聳起，高插青冥。相顧驚疑，念近中無此禪院。無何，見宮殿數十所，碧瓦飛甍，始悟為山市……又聞有早行者，見山上人煙市肆，與市無別，故又名鬼市。」
海市蜃樓這種奇特的光學現象，一般在無風的時候才能看到，而且距觀察者很遠。否則，風會把各種密度不同的空氣層調勻，那就看不到奇妙的海市幻景了。
揭示了海市蜃樓產生的奧秘，人們就可以人工製造海市蜃樓幻景。最近，日本碳化物工業公司正在動工建造一座可隨人意而出現的海市蜃樓，地點在東京西北約500公裡的魚津市公園內。根據這家公司的設計方案，這個人工蜃景，房間設備長20米，寬6米，中間有兩道玻璃牆分隔開，在牆中間的空隙裡，充上空氣或氙氣，當光線通過它們時，發生折射，就會產生人工的海市蜃樓奇景。
「忽聞海上有仙山，山在虛無縹緲間。」白居易的「仙山」，大概就是一種當時人們還不了解的海市蜃樓。什麼時候，我們也有幸到東海之濱，去看看旅遊勝地的人工「海市」，領略一下白居易詩中「仙山」的風採呢?
海市蜃樓和蜃景
蜃景與地理位置、地球物理條件以及那些地方在特定時間的氣象特點有密切聯繫。氣溫的反常分布是大多數蜃景形成的氣象條件。蜃景有兩個特點：一是在同一地點重複出現，比如美國的阿拉斯加上空經常會出現蜃景;二是出現的時間一定，比如我國蓬萊的蜃景大多出現在每年的5、6月份，俄羅斯齊姆連斯克附近蜃景往往是在春天出現，而美國阿拉斯加的蜃景一般是在6月20日以後的20天內出現。
蜃景和海市蜃樓，是大氣光學現象。光線經過不同密度的空氣層後發生顯著折射，使遠處景物顯示在半空中或地面上的奇異幻景，常發生在海上或沙漠地區。古時傳說這種幻景是海裡的蜃吐氣而成的，故而得名。在平靜無風的海面、湖面或沙漠上，有時眼前會突然聳立起亭臺樓閣、城郭古堡，或者其他物體的幻影，虛無縹緲，變幻莫測，宛如仙境，這就是海市蜃樓，簡稱蜃景。
海市蜃樓的模擬實驗
在一間不通風的屋子裡，把一塊長1.5米、寬20釐米的平滑鐵片橫放在幾根用鐵管(或木棍)做成的小柱子上，在鐵片上撒薄薄一層沙，做成沙漠型的表面。用深色的紙剪成樹和駱駝貼在一塊毛玻璃(或乳白色玻璃)上。把玻璃板放在鐵片的一端和鐵片垂直，使樹和駱駝露在沙層上面。用一隻手電筒在玻璃板後下方向上照射，在鐵片的另一端看去，好像樹木和駱駝後面襯託著明亮天空一樣。把3隻較小的煤球爐放在鐵片下面來加熱(或用一隻長型的炭盆)，注意鐵片各處加熱要均勻，特別是靠近毛玻璃一端三分之二的地方。
當加熱一定時間以後，用手靠近沙面感到很熱時，開始沿薄鐵片往毛玻璃方向觀察，就能發現沙面下方出現樹木和駱駝的倒影，好像樹木和駱駝旁邊有湖水時所形成的倒影一樣，這種現象就是「海市蜃樓」。
其實無論是哪一種海市蜃樓，只能在無風或風力極微弱的天氣條件下出現。當大風一起，引起上下層空氣的攪動混合，上下層空氣密度的差異減小，光線沒有什麼異常折射，所有的幻景就立刻消失。
