什么是海市蜃楼?

海市蜃楼是甚麼？它是如何形成的？

图一 在温度随高度变化的空气中，光线因折射而走出弯曲的路径。

图二 光线由玻璃走到空气时所产生的折射现象。注意入射角 i 比折射角 r 小。

图三 当入射角 i 大於临界角度 c 时，便产生全内反射。

图四 海市蜃楼发生时，光线所走的路径。

在沙漠中，迷路的人缺水缺粮，忽然看见了绿洲，但走近了却发现原来只是海市蜃楼的幻像，空欢喜一场。这虽然是电影常用的桥段，但海市蜃楼是真有其事的，是大自然跟我们在玩光线的魔法。它的成因是光线在空气中被折射，再加上全内反射的结果。

如果要明白海市蜃楼的成因，首先要明白为甚麼光线在空气中会被折射。原来，不同温度的空气有不同的折射率，就好像许多不同的介质一样。靠近地面的空气较热，折射率较低。我们可以把空气想像为许多层的介质，而每一层的折射率都不同，越接近地面，折射率越低。因此光线在空气中行走时，路线便如图一所示。

另一方面，我们也要知道甚麼是全内反射。如果光线微微倾斜地从玻璃射进空气，一部分的光线会被反射回去，另一部分就会被折射，从玻璃中走出来。由於玻璃的折射率较空气高，所以折射角总是大於入射角 (图二)。当入射角越来越大，被折射的光线便会越来贴近空气与玻璃的界面，直至入射角大於临界角度，光线便只会被反射，而不会折射出去。这个现像叫做全内反射 (图三)。

图四显示海市蜃楼发生时，光线所走的路径。假设有个绿洲，它在 A 点发出的光线被空气折射，走一条弯弯的路径。在 B 点，光线发生全内发射，使光线往上走。之后，光线再次被空气折射，最后光线会进入站在 C 点那观测者的眼睛，使他形成错觉，误以为绿洲很接近他呢！很久以前，人类便发现了全内反射，更把这个现象加以应用，例如光纤、单镜反光照相机和双筒望远镜都应用了全内反射的原理。