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光学现象 来自维基百科,自由的百科全书
海市蜃楼(又称“蜃气楼”、“蜃楼”、“蜃景”、“蜃气楼台”、“海市”等)是自然发生的光学现象,是指光线因偏折而在遥远的距离或天空中生成虚像。在大气科学中称为蜃景[1]。古人认为是蜃吐出的气息。
英文为mirage。这个字源自拉丁文的mirare,再经由法文的mirage而来,意思是“看见的奇景”,也就是海市蜃楼。这与“mirror”(镜子)和“to admire”(欣赏)有着相同的字根。
相对于幻觉,海市蜃楼是一种真实的光学现象,由于观测到的位置是由实际光线折射形成的虚像,它可以用照相机来捕捉影像。然而,会出现什么样的影像全由人类心灵解释的能力来确定。例如,在地面的上蜃景非常容易被误认为来自一小片水洼的反射。
蜃景可以分类为“下蜃景”(意思是低)、“上蜃景”(意思是高,即“复杂蜃景”),一种包含一系列异常复杂,垂直堆叠影像,形成快速变化蜃景的上蜃景。
冷空气的密度比暖空气大,因此有较大的折射率。当光线由冷空气进入有着明确边界的暖空气,光线会弯曲偏离温度梯度的方向;当光线由暖空气进入冷空气,它们会偏向接近梯度的方向。如果接近地面的空气比更上面的温暖,光线会弯曲成朝上呈现凹线的轨迹。
一旦光线抵达观测者的眼睛,视觉皮层将解释成它是沿着“视线”笔直的前进,然而这条线只是它抵达人眼处弧线的切线方向。结果是天空上的下蜃景似乎是在地面上。观测者可能会错误的解释这些景象是水反射至空中的,对大脑而言,这是较为合理和常发生的。
在地面的空气比上层微冷的状况,光线会被偏折朝下,产生“上蜃景”。
“宁静”状态的地球大气层垂直梯度大约是高度每升高100米,温度变化-1℃ (数值是负的是因为温度随高度增加而降低)。发生蜃景的温度梯度必须比这个大许多。依据M. Minnaert[2],这个温度梯度的量级至少是每米2℃,而要达到每米4℃或5℃才会出现明显的蜃景。这些条件常出现在被强力加热的地面,例如,当太阳一直照耀着砂或沥青,通常就会生成下蜃景的景象。
前述的模型解释了下蜃景的成因,之所以称为“下”是因为看见的影像是在实际物体下方的缘故。真实的物体是蓝天或在这一方向的远方物体,意思是说我们看见的物体实际上是在远方地面被蓝色补缀的。对在沙漠中筋疲力竭的旅行者,它看起来像是湖水;在柏油路的道路上,它看似满溢的水或甚至是油。这被称为“沙漠蜃景”或“高速路蜃景”。请注意,在阳光的曝晒下砂和柏油都会变得很热,很容易就会比上方1米的空气热上10℃,而足以形成蜃景。
来自远方特定距离物体的光线全都穿越几乎相同的空气层,并且全部都有相同的偏折量。因此来自物体顶端的光线将比那些来自底部的光线更低,所以这些蜃景经常是倒立的,天空增强了影像的错觉,使得远方物体的影象很像经过扰动的水或油坑表面作用的镜像。
下蜃景的影象是不稳定的。热空气上升和冷空气(因为密度较高)下降,因此空气层会混合,引起上升的湍流,图象会因此而被扭曲。它也可能会振动、垂直扩展(高耸)或横向扩展(水平变宽)。如果有几层不同的温度层,可能会混合好几个蜃景,导致双(重叠) 的影像。在任何情况下,蜃景的高度通常不会超过半度(等同于月球或太阳的视直径),并且与实物相距只有几公里。
路面上的“水”实际上是蓝天的镜像,犹如岸上的风景在湖面的倒影,是光线反射形成的。在无风、炎热天气,路面上方会形成一个大约20厘米高的稀薄的热空气层,与其上方的冷空气交界处形成了一个反射界面,可以反射倾斜入射的阳光。
复杂蜃景,名称来自于意大利的Morgan le Fay,神话中与亚瑟王是异母姊妹的仙女,是非常复杂的上蜃景。他会更替的出现被压缩或伸展、倒置和抬升的影像[3]。复杂蜃景也是一种快速变化的蜃景。
复杂蜃景几乎可以在任何区域中观察到,但是最常见的是在极地,特别是有着一致低温的大片冰层。在极地的复杂蜃景现象都在相对较冷的天气被观察到,然而在沙漠、海洋、和湖泊,可以在热天观察到。要生成复杂蜃景,逆温层须要对光线造成强大的偏折,在逆温层内的偏折必须大于地球表面的曲率[3]。
天体的海市蜃楼是在自然界发生的一些光学现象,光线被天体偏折而产生扭曲或多重影像。蜃景可能在这些天体上被观测到,像是太阳、月球、行星、明亮的恒星和非常亮的彗星。最常被观测到的是日出和日落 蜃景。
《史记‧封禅书》:“自威、宣、燕昭,使人入海求蓬莱、方丈、瀛洲。此三神山者,其传在勃海中,去人不远,患且至,则船风引而去。盖尝有至者,诸仙人及不死之药在焉,其物禽兽尽白,而黄金白银为宫阙。未至,望之如云;及到,三神山反居水下;临之,风辄引去,终莫能至。”
宋朝沈括在《梦溪笔谈》中这样写道:“登州海中,时有云气,如宫室、台观、城堞、人物、车马、冠盖,历历可见,谓之‘海市’。或曰‘蛟蜃之气所为’[7],疑不然也。欧阳文忠曾出使河朔,过高唐县,驿舍中夜有鬼神自空中过,车马人畜之声一一可辨,其说甚详,此不具纪。问本处父老,云:‘二十年前尝昼过县,亦历历见人物。’土人亦谓之‘海市’,与登州所见大略相类也。”
明朝陆容《菽园杂记》:“蜃气楼台之说,出天官书,其来远矣。或以蜃为大蛤,月令所谓雉入大海为蜃是也。或以为蛇所化。海中此物固多有之。然海滨之地,未尝见有楼台之状。惟登州海市,世传道之,疑以为蜃气所致。苏长公海市诗序谓其尝出于春夏,岁晚不复见,公祷于海神之庙,明日见焉。是又以为可祷,则非蜃气矣。”
天启四年(1624)五月二十一日,袁可立在登州公署中看到了海市蜃楼:“睢阳袁可立为抚军,时饮楼上。忽艨艟数十扬帆来,各立介士,甲光耀目,朱旗蔽天,相顾错愕。急罢酒料理城守,而船将抵岸,忽然不见,乃知是海市。”。诗兴大发,在蓬莱阁上留下名篇《观海市诗》。
清刘献廷《广阳杂记》:“莱阳董樵云:登州海市,不止幻楼台殿阁之形,一日见战舰百余,旌仗森然,且有金鼓声。顷之,脱入水。又云,崇祯三年,樵赴登州,知府肖鱼小试,适门吏报海市。盖其俗,遇海市必击鼓报官也。肖率诸童子往观,见北门外长山忽穴其中,如城门然。水自内出,顷之上沸,断山为二。自辰至午始复故。又云,涉海者云,尝从海中望岸上,亦有楼观人物,如岸上所见者。”
康熙十一年(1672年)四月蒲松龄与唐梦赉、高珩、张绂、等8人东游崂山恰好见到海市。蒲松龄受到启发,写了《崂山道士》和《香玉》。唐梦赉在《志壑堂文集‧杂记》中记载:“壬子夏,游崂山,见海市。时同行者八人。初宿修真观,历上清、下清庵,登八仙墩,水尽山穷,连天一碧。再宿青石涧,观日出。回至番辕岭,微雨初晴,东望海际,一城在白云中,堞数十仞,炮台敌楼,历历可数。俄见一人青衣出,路南行,后一人肩挑雨具从之,向西望,若凝眸。吾辈诸同人方惊疑,云去时未见此城,且迁海以后宁复存此岛乎?询之土人从同行者,乃曰:‘此海市也,是为沧洲岛。’一食顷,而埤堄渐低,青山露髻文,移时城山尽出,恍如梦寐矣。”