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海市蜃楼与小试验


  从前,有一个骆驼队在炎气熏人的沙漠中踌躇前进。酷暑和干燥的天气使得旅行者疲乏不堪,皮袋中的水已经喝完了,嘴唇干得发裂,这时他们多么想能喝到一口清凉的水啊!突然,在遥远的前方沙漠间,出现了一个湖,湖的两岸高耸着宫殿和寺院,给他们带来了莫大的希望和清凉的预感。于是快速朝前奔去。走过一个沙丘又一个沙丘,但湖泊、宫殿和寺院仍在遥远的地方,忽暗忽亮,忽隐忽现。过了一会儿,突然湖水、宫殿、寺院全部消失得无影无踪了。

  1957年7月,我国勘探队在戈壁滩上也看到了这种奇迹。

  在平静无风的海面、大江江面、湖面、雪原、沙漠或戈壁等处偶尔会在空中或"地下"出现高大楼台、城廓、树木等幻景,我们称这种现象为海市蜃楼。我国山东蓬莱海面上常出现这种幻景。在我国古代传说中,认为蜃乃蛟龙之属,能吐气而成楼台城廓,又说海市是海上神仙的住所,它位在“虚无飘渺间”,因而得此名。宋朝沈括在《梦溪笔谈》中这样写道:“登州海中时有云气,为宫室台观,城堞人物,车马冠盖,历历可睹。”

  为了说明这种现象,假如有条件,我们不妨先做一个“海市蜃楼”的实验:
  在一间不通风的屋里,把一块长1.5米,宽20厘米的平滑铁片,横放在几根用铁管(或用木棍代替)做成的小柱子上,在薄铁片上撒播薄薄一层沙,做成沙漠型的表面。用深色的纸剪成树和骆驼,贴在一块毛玻璃上(乳白色玻璃)上,把玻璃板放在铁片的一端,和铁片垂直,使树和骆驼露在沙层上面。在玻璃板后下方,用一只手电筒向上照射,在铁片的另一端看去,好象树木和骆驼后面衬托着明亮天空一样。然后,用小的煤球炉三只,放在铁片下面来加热(或用一只长型的炭盆,有条件时用长型的电炉加热最为理想)。加热时,要注意铁片各处加热要均匀,特别是靠近毛玻璃一端三分之二的地方。
  这样,当加热一定时间以后,用手靠近沙面,感到很热时,开始沿薄铁片往毛玻璃方向观察。你就能发现沙面下方出现树木和骆驼的倒影,好象树木和骆驼旁边有湖水时所形成的倒影一样。这种现象就是“海市蜃楼”。

  在炎热的夏天,有时在柏油马路上也能看到房屋、树木的倒影。这实质上也是一种“蜃景”现象。

  那末,自然界中的海市蜃楼又是怎样形成的?

  海市蜃楼是一种反常的折射现象,它是光线在垂直方向密度不同的大气层中传播,经过折射造成的结果。常分为上现、下现和侧现海市蜃楼。
上现蜃景示意图
  凡是物体的映像或幻景看上去好象从天空某一空气层反射而来的,则称为上现蜃景。上现蜃景常出现在海上,和北方有冰雪覆盖的地方。这是因为海水表面蒸发时要消耗热量同时海水温度的升高缓慢,而在冰雪覆盖的地区由于冰雪面能将大部分太阳光反射掉同时冰雪融化时也要消耗大量热量,致使下层的温度变得很低,因此在这些地方最容易出现强烈的逆温现象。如果近地面层是强逆温时,空气密度会随高度迅速减小,光线在这种气温随高度升高因而使空气密度随高度锐减的气层中传播,会向下屈折,远方地平线处的楼宇等的光线经折射进入观测者眼帘,便出现了上现蜃景。
下现蜃景示意图
  凡是物体的映像或幻景看上去好象由地面反射而来的,则称为下现蜃景。下现蜃景大都出现在热季的沙漠上或冬季暖洋流的海上。在晴朗少云平静无风的天气里,阳光照射在干燥的沙土上,沙土的比热小,土温上升极快,这里几乎没有水分蒸发,土壤分子传热由极慢,热量集中在表层,所以接近土壤层的空气温度也上升的很快,但上层空气却仍然很凉。当近地层是强烈降温层时,气温随高度很快降低,空气密度随高度很快增加,而光线在气温随高度而降低的气层内传播时会向上屈折,远方地平线处的景物的光线,经折射后直入观测者眼帘, 便出现了下现蜃景。

冻结湖面上空的蜃景,展现出悬崖景色的视倒影 下现蜃景,显现出远岸的视倒影

下现蜃景示意图

  当水平方向的大气密度很不同,使大气折射率在水平方向存在很大不同的时候,便可能出现侧向蜃景。

 

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