为什么会出现“海市蜃楼”？

妈咪叔

最近多地都看到了海市蜃楼的景象。那么海市蜃楼是什么原理，今天我们就来聊一聊这个问题。

首先我们先要来说一个常见的现象，那就是光的折射。一支笔，在水中的这个部分看起来。它就像变弯了一样，这就是我们熟悉的光的折射现象。可是我们都知道，光是沿直线传播的，为什么这个水中的笔，它看起来变弯了呢？其实，光沿直线传播，这句话是有个前提的，那就是在均匀介质当中，或者在真空当中，光才会沿直线传播。但如果光要是从折射率不同的两种介质当中经过的时候，就会发生折射现象。你比如说水中变弯了铅笔，再比如说像色散的三棱镜等等，这都是折射现象。

可是光为什么会发生折射呢？对此业余数学大王费马的解释最为巧妙啊，他说光在空气中，和水中的速度并不相同，那一束光想要从空气中的a点达到水中的b点，显然它可以选择很多条路线，但为什么我们只看到了特定的一条路线呢？费马说因为这条路线是用时最短的一条路线，换句话说就是为了达到以最短的时间从a到b，光才选择了折射，这就是所谓的费马最小作用量原理。

一旦我们要是用费马原理来考虑折射，有意思的事就来了，有没有可能对于光来说某条用时最短的路线它是一条曲线呢？完全有可能，比如说在密度不均匀的非均匀介质当中光就会以曲线的形式来进行传播，比如说我们准备了一个装满清水的鱼缸，然后向里面缓慢的倒入饱和食盐水，不搅拌，此时鱼缸当中的溶液就会处于密度不均匀的状态。然后我们再用激光笔进行照射，你就会发现这个光线它发生了弯曲。这就是因为光在不同密度的水中折射率是不同的，所以就出现了弯曲的现象。那我们也可以用费马最小作用量原理来说，说光线选择了一条时间最短的路线。了解了这个原理我们也就可以理解，大自然当中的海市蜃楼现象。

海市蜃楼具体分为上蜃景和下蜃景，所谓上蜃景，就是指蜃影在实物的上面；下蜃影就是指蜃影在实物的下面，其中下蜃景一般比较常见。比如说炎热夏天的高速公路上，远处的车辆就会在地面以下形成一个倒立的像，这就是因为夏天地表温度过高水蒸气就会上升，导致地表的空气变得稀薄，或者我们可以说冷空气的密度比暖空气的密度大，这样在底层大气就形成了密度梯度，这就是密度不均匀的介质，因此有一部分光线就会沿着曲线传播了，我们看到的像这部分光线的反向延长线所形成的虚像。

上蜃景的原理刚好相反，由于海水的温度要比空气的温度低，海面处的空气潮湿对它密度影响又比较大，因此同样会形成密度梯度，进而就有可能形成海市蜃楼的壮丽奇观。

可是如果你要是仔细看就会发现，上蜃景它是正的，下蜃景是倒立的。为什么一般我们见到的上蜃景它都是正立的像，而下蜃景是倒立的像？

理想情况下，光在非均匀介质当中行走的曲线将会是一条摆线，再加上地表的遮挡原因，所以在下蜃景当中，摆线a入射人眼时的切线斜率就会大于摆线b入射人眼时的切线斜率。我们画出反向延长线，你就会发现下蜃景成的是倒立的像，但是上蜃景当中由于具有温度梯度的空气厚度，相对于物体来说它比较大，所以摆线c和摆线d一般来说并没有明显的差异，此时通过反向延长线可知上蜃景为正立的像。但是注意这不是绝对的，其实上蜃景也可能会出现倒立的情况，只是说并不多见。

最后我们来说一下啊，为什么这种自然现象要叫做海市蜃楼呢？蜃景其实是我国古代神话当中的一种海怪，然后在古书会院当中就记载说相传这个“蜃”，每年春天和夏天的时候就会从海里边出来吐气，这些气就形成了楼台的影像，这就是海市蜃楼名字的由来。可见早在古代就具有了这种自然现象的记载了。也出现了很多描绘海市蜃楼的文学作品，比如说苏轼有一首诗叫做海市诗，就是描写海市蜃楼了。再比如说南宋的叫林景熙，他写了一篇散文就叫做《蜃说》，也是比较早的文章。

审核：魏红祥 中科院物理所 研究员

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