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、島嶼或城郭樓台的影像;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,這些影像就突然消逝了。原來這是一種幻影,通稱海市蜃樓,或簡稱蜃景。

  爲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像折斷的一般,這就是光線折射所造成的。

  有人曾利用左上圖所示的裝置,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成兩部分: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,光線就全部反射回到水裡,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。

  可是當空氣溫度在垂直方向分布反常時就會引起空氣密度垂直變化的反常,並會導致與通常不同的折射和全反射,這就會產生海市蜃樓的現象。由於空氣密度反常的具體情況不同,海市蜃樓出現的形式也不同。

  在夏季,白晝海水溫度比較低,特別是有冷水流經過的海面,水溫更低,下層空氣受水溫影響,較上層空氣冷,出現下冷上暖的反常現象。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迸入稀的氣層,並在上層發生全反射,又折冋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擡高了許多,所以叫做上現蜃景。

  我國沿海有時能看到上現蜃景。1933年5月22日上午11點多鐘,青島前海(膠州灣外口)竹岔島上也曾發現過上現蜃景,一時哄傳全市,很多人前往觀看。1957年在廣東省附近的海面上,曾出現過一次延續6小時的上現蜃景。

  不但夏季在海面上可以看到上現蜃景,在江面有時也可看到,例如1934年8月2日在南通附近的江面上就出現過。那天酷日當空,天氣特別熱,午後,突然發現長江上空映現出樓台城廓和樹木房屋,全部蜃景長10多千米。約半小時後,向東移動,突然消逝。後又出現三座大山,高聳入雲,中間一山,很像香爐;又隔了半小時,才全部消失。

  在沙漠裡,白天沙石被太陽曬得灼熱,接近沙層的氣溫升高極快。由於空氣傳熱性差,所以在無風的時候,空氣上下層間的熱量交換極小,這就使下熱上冷的氣溫垂直差異非常顯著,並導致下層空氣密度反而比上層小的反常現象。在這種情況下,如果前方有一棵樹,它生長在比較溼潤的一塊地方,這時由樹梢傾斜向下投射的光線,因爲是由密度大的空氣層進入密度小的空氣層,會發生折射。折射光線到了貼近地面熱而稀的空氣層時,會發生全反射,光線又由近地面密度小的氣層反射回到上面較密的氣層中來。這樣,經過一條向下凹陷的彎曲光線,把樹的影像送到人的眼中,就出現了一棵樹的倒影。

  由於倒影位於實物的下面,所以又叫下現蜃景。這種倒影很容易給予人們以水邊樹影的幻覺,以爲遠處一定是一個湖,其實什麼水源也沒有。凡是在沙漠旅行過的人,大都有類似的經歷。這是因爲,沙子可以被烈日曬得熱浪滾滾,使空氣層的密度從下至上逐漸增大,因而產生下現蜃景。

  無論哪一種海市蜃樓,只能在無風或風力極微弱的天氣條件下出現。當大風一起,引起了上下層空氣的攪動混合,上下層空氣密度的差異減小了,光線沒有什麼異常折射和全反射,那麼所有的幻景就立刻消逝了。