在沙漠或海面上，人們偶爾會看到遠方浮現出城市樓台或湖泊的幻影，古人將這種奇景稱為「海市蜃樓」，並認為是神話中的海怪「蜃」吐氣所造成的。然而，這美麗的幻象並非魔法，而是光線在空氣中傳播時與我們開的「玩笑」。海市蜃樓是怎樣形成的？為甚麼影像有時會倒立、有時又會浮在半空？一起來了解這個光學奇觀吧！
吐泡的蜃蛤
「蜃」指大型的蛤蜊，亦是中國神話中一種海怪的名稱，傳聞牠吐出的氣息能在海上形成虛幻的城市和樓台景象，亦即「海市」和「蜃樓」。事實上，蛤蜊是雙殼綱貝類生物的統稱，殼內生存着軟體動物。牠們通常居住在淡水或淺海區域的泥沙中，用進水管吸水和用出水管排水，以作呼吸和過濾水中藻類或有機碎屑為食。
▲只有在水中感受不到危險時，蛤蜊才會伸出水管。
▲蛤蜊呼吸時產生氣泡。
（Photo by Marlith/ CC BY-SA 3.0）
雖然蜃蛤呼吸時的確會產生氣泡，但是海怪吐氣只是神話，造成海市蜃樓的真正原因是光的折射。
光的折射
光線本身沿直線照射，但在穿過不同物體時，其方向會改變，此現象為折射。
▲光穿過塑膠磚而發生折射。（Credit: Photo by ajizai）
再看另一個例子：
光線從X 點傳入眼睛，在水面發生折射，令大腦誤認為光是從Y點直線射來的。由於筆在水中的所有部分都發生了折射，所以插在水中的筆看起來就像整段折斷了一樣，這正是光的折射所造成的視覺效果。
全內反射
海市蜃樓的產生不僅由於光的折射，還歸因於折射的特例——全內反射。
▲全內反射示意圖。
空氣因高度不同而溫度各異，引致光線（陽光）的折射角度在每層都不同（如下圖）。
光線在分層的空氣中不斷折射，因而引發全內反射，形成海市蜃樓。眼睛的視覺皮層將反射入的光線誤認為是沿着「視線」筆直地前進，結果觀察者看到的物體在其本體下方，而且呈現出倒立的姿態。
下蜃景與上蜃景
▲下蜃景。（Credit: Photo by Brocken Inaglory）
如果人們看見的影像在實物下方，即是下蜃景。這種景象出現於暖空氣在下方、冷空氣在上方的時候（如下圖）。例如沙漠的地表溫度比上空的高，令遠方山脈極易於沙漠表面形成如湖泊一樣的蜃景。
▲上蜃景。
至於影像在實物上方則是上蜃景。當海面的空氣比上層微冷，海洋對岸樓房發出的光線便會被偏折朝下。這時觀看者的大腦誤以為景象是從直線方向傳來的， 於是看到「海市」出現在海面上方。
蜃景產生的溫度條件
不過，並非只要空氣有溫度差異就會出現蜃景。要見到蜃景的話，溫度的差異要足夠大才行。通常狀態下，大氣層垂直距離每升高100m，溫度便降低1℃。科學家馬塞爾•明納爾特（M. Minnaert）研究發現，如果要產生蜃景，每1米就需要有2℃的溫差，而達到每米4~5℃的差異，蜃景才會明顯。
▲夏天的路面被陽光曬到比上方空氣熱得多，就形成藍天的下蜃景——假水。
大自然的光影魔術，就在我們身邊。下次見到海市蜃樓的奇景時，不妨想一想這奇妙的科學原理。
（內文插圖取自：《兒童的科學》第226期）
