海市蜃樓

2020年5月25日

梁麗儷 彭志健 李子祥

在陽光充沛的日子裡，當我們在炙熱的公路上駕駛時，偶爾會看見遠處的路面好像有積水。事實上，地面並不是真的有水，我們看到的乃是天空的倒影。這種現象稱為海市蜃樓。

有些人會以為海市蜃樓是因心理作用而產生的幻象，其實它是一種自然光學現象。要了解海市蜃樓如何形成，我們先需要了解光怎樣在空氣中傳播。光通常以直線行走，但當它從一種介質進入另一種介質時（例如空氣、水、玻璃等），由於不同的介質有不同的光密度，光線會被折彎或改變前進方向，這現象稱為折射。日常生活中有很多情況會看到折射，例如將筷子放在水中時，浸在水中的部分看似彎曲了。

一般而言，當光線進入兩種介質的交界面時，一部分光線會被折射，剩餘的部分則會在交界面反射回來。然而，當光線的入射角超過某個數值時，光線只會被反射而不會發生折射 (見圖1)。這種現象稱為全內反射。

在一個同一溫度的空氣層內，光會以直線行走。有些時候空氣溫度會隨高度出現變化。在這種情況下，光線更像在沿着曲線行走，如圖2所示。在條件適合下甚至出現全內反射，造成海市蜃樓般的景物移位現象。移位的影像又稱為虛像。



根據虛像相對實物的位置，海市蜃樓也可分為下蜃景及上蜃景。

下蜃景

下蜃景的影像出現在實物的下方，通常出現在「上冷下暖」的空氣層。如圖2所示，當遠處景物（視線上方）的光線由密度較高的冷空氣層走向近炙熱地面（視線下方）密度較低的暖空氣層時，上方的光線會被不斷的折射，直至出現全內反射時，光線便會向上轉彎。當光線進入我們的眼睛時，我們會誤以為光線是由景物以下位置以直線發出，導致影像好像倒影一樣。一般來說，在沙漠或者公路受熱後，接近地面的空氣層的溫度會明顯較上面高，有利出現下蜃景現象。

雖然下蜃景較常見於陸地上，但有時亦會在海面上出現。2020年2月15日晚上，一道冷鋒橫過廣東沿岸，翌日香港天氣顯著轉泠。2月16日早上，全港的氣溫介乎攝氏14至16度，較前一天普遍低七至八度。與空氣不同，海水降溫比較慢，導致海面較其上的空氣溫暖。2月16日早上北角的海面溫度達攝氏19度，遠較上面的空氣的溫度高。當天中午時分有市民在蒲台島附近的渡輪上觀察到遠處呈現天空和島嶼底部的倒影（見圖3）。這很可能是由於當時有一層薄薄與海面相連的較溫暖空氣，令來自遠處景物的光線產生折射（見圖4）。

上蜃景
與下蜃景相對的是上蜃景，影像出現在實物的上方。發生的條件與下蜃景剛好相反，上層空氣的溫度較接近地面的高（見圖5）。一般來說，空氣溫度會隨高度下降，但有時候情況卻恰恰相反。例如，當溫暖的氣團經過寒冷的海面或冰面時，氣團的下層與冷海面或冰面接觸而變冷，導致低層的空氣比上層的空氣更冷而形成所謂的逆溫層。

上蜃景的影像是倒立還是直立，取決於實物與觀察地點的距離和空氣層的溫度差異大小。

如果光線折彎的曲率與地球的曲率接近，本來位於海平面以下的景物，其上蜃景影像也可能被上移至海平面以上（見圖6）。有時航海員聲稱在海上看到的奇怪事物，例如漂浮的城堡和飛船等，其實當中很多都是自然的光學現象。

除了上述兩種海市蜃樓外，還有其他種類的海市蜃樓，例如側蜃景和複雜蜃景。留待下次我們再作討論。

(本文圖示不按比例繪畫)

參考:
『氣象冷知識』：海市蜃樓