海市蜃楼与沙漠幻景

1、海市蜃楼与沙漠幻景原理探讨摘要：本文基于折射成像和全反射成像等光学原理详细介绍了海市蜃楼与沙漠幻景成像的原理，详细讨论了两种现象中成像的正立与倒立等不同的情况，并简要介绍了两种现象与气象的关系。关键词：海市蜃楼；沙漠幻景；折射；全反射平静的大海波光粼粼，海面上的天空突然浮现出一座繁华的街市，亭台楼阁，车马人物，栩栩如生。过了一会街市慢慢消散，天空中只留下几朵疏云，一片蔚蓝。一望无际的大漠里，矗立着几座沙丘，然而在远处的旅人眼中，这沙丘周围好像有一汪汪的清水倒映出沙丘的影子，走近一看，却发现其实沙丘脚下依然是平沙莽莽，根本没有水的踪迹。上面这两种神奇的光学现象就是我们日常所说的海市蜃楼和沙漠幻景

2、。随着科学技术的发展，人们对于这两种现象有了深入的认识，本文将分别详细介绍这两种现象产生的原理。海市蜃楼在正式介绍海市蜃楼产生的原理之前，我们需要先介绍后文中将要涉及到的两种成像机理：折射成像和全反射成像。 图1 图2 图3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，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。为了说明像的正立还是倒立的问题，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。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

3、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AB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。 图4 图5然后，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。同样为了说明像的正立与倒立情况，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AB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

4、时总说全反射成的像是倒立的。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=n1sin n2sin=n1sin 联立 两式可得：sin=nn2sini 图6可见，当i、n为定值时，由于nn1 ，所以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

5、，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。经过上面的论述，基本可以得到这样的结论：折射成正立的像，全反射成倒立的像。而一般常见的海市蜃楼基本都是正立的像，但却一定不是单一由折射引起的。因为若只是发生了单一折射，光线还未到达全反射水气的层面就射入了眼睛，才会看起来是正立的，而且比实际景物高，那么人就必须高耸立于

6、天空才可能实现。所以，既要满足“海市蜃楼”正悬挂，又要满足海边的人不在高空就能观察到的“海市蜃楼”。就只能按图下面的示意图7加以解释。 图7 图8a. 在天气晴朗时，来自于景物的光线充足，除去光在空气中传播的能量损失也能最终射入人眼；同时，天气晴朗，海面上的温度较高，上下大气层密度不均也较为明显，容易在上层形成全反射。b. 源于景物的光线经全反射大气层多次全反射和在海水表面多次镜面反射。c. 每次全反射光在非均匀介质中折射而发生曲线传播。d. 由于景物较远，每次反射时的入射角都很大，视深就较近、较高（图8）。e. 由于距离很远，海面相同折射率的大气层都是曲面。因此，源于景物的光线经全反射大气层

7、多次全反射和在海水表面多次镜面反射后，当人处在恰当的位置，最终经海水反射的光至下而上曲线地传播到人眼时，且在竖直平面内，入射到人眼的光线的斜率很小时，人逆着光线直线看出去观察到的虚像才是常说的“海市蜃楼”的奇观。（图5仅为示意图，曲线传播的光线还应平缓的多才符合实际。）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

8、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。事实上沙漠幻景的形成原理与海市蜃楼有异曲同工之妙。在炎热的气候条件下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，所以沙漠幻景又被称为“下现海市蜃楼”。 图7从上文的论述中我们不难发现海市蜃楼和沙漠幻景都离不开折射和全反射两种光学现象，不同的是海市蜃楼的形成会经过多次的折射与反射，并且总体的光路是向上偏折的；而沙漠幻景的形成只经历过一次全反射，并且总体光路向下偏折。这两种瑰丽的自然现象背后都蕴含着光学的原理，所以我们需要深入的学习，不断地研究，掌握