蔚蓝天空与海市蜃楼

蔚蓝天空与小试验


  在晴朗无云的日子里,若有人问你,天空是什么颜色?你一定会肯定地回答:天空是蔚蓝色的。宇宙飞船上的宇航员可以看到地球壳体外笼罩着蔚蓝色的大气层,我们也可在晴朗日子里站在旷野中看到蔚蓝的天空,而且天气越晴朗,天空的蓝色越显得澄澈。天空为什么呈蔚蓝色呢?

  有人猜想,天空中含有一种蓝色的气体,或者大气本身就是蓝色的。事实究竟怎样?为了解答这个问题,有人做过这样的实验:用一根大约三尺长的玻璃管,玻璃管的两口各用玻璃板封闭起来。太阳光柱可由两端通过此管。先把管中的空气完全抽出,然后把空气、盐酸以及丁烷基亚硝酸盐蒸汽的混合物再灌进去。在数分钟内就起化学反应,产生出微细而均一的质点,浮悬在这混合气体之内。当太阳光线通过此管时,起初这些质点还少,我们看到管中先有暗的深青色。然后因为化学作用继续进行,质点的数量增加,光中的颜色也跟着愈变愈鲜明,蓝色光辉愈变愈浓。平时,我们也能见到这类现象,例如,当我们看到人在窗口抽香烟时,烟被室外阳光照射,呈现蓝色,袅袅上升。

  天空呈蔚蓝色也是这个道理。当太阳光射入地球大气层时,遇到大气分子和其它微粒而被散射,这些大气分子和微粒本身是不会发光的,但是由于它们散射了太阳光,每一大气分子就变成了一个散射光的光源。它们向四面八方发射出光来。在高空没有多少飘尘粒子,故以分子散射(瑞利散射)为主,散射光的光强与入射光的波长四次方成反比。阳光所含的七种色中,紫、蓝、青光等的波长短,最容易被大气分子散射出来;而波长较长的橙、红、黄等颜色的光波透射力最强,被散射便弱,他们能透过这些大气分子而保持原来的射程方向。这样光波的分离作用就此发生,在高空的散射光便以紫、蓝、青光等为主。另外,散射光线的颜色与微粒的大小有密切关系,微粒越小,则只有短光波遭到散射,对下层空气分子散射来讲,主要是蓝色光线被散射出来。因此我们看到的天空是蔚蓝色的,而且天气越晴好,天空越蓝。

  那末高空天空的颜色是否也是蓝色的?不一定。愈到高空,天空的颜色愈灰暗,甚至变成黑灰色。

  原来,愈到高空,空气愈稀薄,空气分子数减少得很厉害,分子散射出的光辉就逐渐变弱,天空的亮度因此就愈来愈暗,由青色(离地约8公里以上)递变为暗青色(离地约11公里),再递变为暗紫色(离地约为13公里),只有那最易被散射的紫色光波才被高层稀疏的空气分子散射出来。到二十公里以上的高空,分子更稀少了,散射作用几乎蔚蓝的天空完全看不出来,没有散射光,天空当然变成黑灰色的了。

  低层大气中含有较多的尘粒,这里的散射以米散射为主,米散射不遵从分子散射那样的散射规律而是遵从更复杂的规律,阳光被散射后基本上仍为白光,我们也就看到地平线附近的天际为灰白色或青灰色。

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。

  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。

  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。

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。