有趣問題–海市蜃樓的成因
文﹕張啟聰    

海市蜃樓是甚麼?它是如何形成的?

圖一  在溫度隨高度變化的空氣中,光線因折射而走出彎曲的路徑。
圖二  光線由玻璃走到空氣時所產生的折射現象。注意入射角 i 比折射角 r 小。
圖三   當入射角 i 大於臨界角度 c 時,便產生全內反射。
圖四  海市蜃樓發生時,光線所走的路徑。
在沙漠中,迷路的人缺水缺糧,忽然看見了綠洲,但走近了卻發現原來只是海市蜃樓的幻像,空歡喜一場。這雖然是電影常用的橋段,但海市蜃樓是真有其事的,是大自然跟我們在玩光線的魔法。它的成因是光線在空氣中被折射,再加上全內反射的結果。

如果要明白海市蜃樓的成因,首先要明白為甚麼光線在空氣中會被折射。原來,不同溫度的空氣有不同的折射率,就好像許多不同的介質一樣。靠近地面的空氣較熱,折射率較低。我們可以把空氣想像為許多層的介質,而每一層的折射率都不同,越接近地面,折射率越低。因此光線在空氣中行走時,路線便如圖一所示。

另一方面,我們也要知道甚麼是全內反射。如果光線微微傾斜地從玻璃射進空氣,一部分的光線會被反射回去,另一部分就會被折射,從玻璃中走出來。由於玻璃的折射率較空氣高,所以折射角總是大於入射角 (圖二)。當入射角越來越大,被折射的光線便會越來貼近空氣與玻璃的界面,直至入射角大於臨界角度,光線便只會被反射,而不會折射出去。這個現像叫做全內反射 (圖三)。

圖四顯示海市蜃樓發生時,光線所走的路徑。假設有個綠洲,它在 A 點發出的光線被空氣折射,走一條彎彎的路徑。在 B 點,光線發生全內發射,使光線往上走。之後,光線再次被空氣折射,最後光線會進入站在 C 點那觀測者的眼睛,使他形成錯覺,誤以為綠洲很接近他呢!很久以前,人類便發現了全內反射,更把這個現象加以應用,例如光纖、單鏡反光照相機和雙筒望遠鏡都應用了全內反射的原理。