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寒冷天气下能见到海市的道理

2016-06-22 15:07:05 来源: admin

 东坡在登州见到海市的前夜,地面辐射冷却强烈,清晨可产生逆温。由于海水热容量大于陆面,陆面温度比海面为冷,在海陆交界区,清晨就出现了冷空气滑向海面的情况。在逆温条件下,光路将如图1所示。

  

  图1 逆温下的光路示意

  图1中A为实物,B、C为观察点,串珠线为观察点的地平线。AEB、ADC分别为自实物到两观察点的光路。虚线表示实物到两观察点的实际方向。

  在逆温气层中,除来自实物的水平光线外,来自物体的光总是向上斜射,即由光密气层向光疏气层折射,待其全反射后,又转而向下折射,最后到达地面。可见,不论物光向上或向斜射,光路都是向高温一侧凸起。也就是说,在大气逆温条件下,不论从逆温层内哪一点观察,物像的高度均比实物为高。

  当实物在远距离时,即使考虑地球及气层的曲率,在逆温条件下,光路仍将向高温一侧,即向较高气层方向弯凸,属于上现蜃景,物像也必有抬高。

  下面再解释蜃景中的物像垂直伸长的现象。图2中AB为实物,C为观察点,AC为地面。实物AB两点,经光路ADC及BEC在C点看来成为其切线方向的A′B′两点。可见蜃景比实物看来要高大得多。

  

  图2 物理的垂直伸长示意

  那么为什么B点的光路曲率比A点大呢?我们知道夜间辐射逆温是从地面向上方伸展的,一般情况下,逆温愈向上愈弱。但是在清晨日出以后,地面增热比空气快,所以逆温就自地面向上增强了。光路的曲率也就随高度而增加了。

  沛雷和麦克密仑于1906年及1913年在北极圈内见到瓦罐岛雪山蜃景的形成过程,与上述又有些不同。

  在北极圈内,冬季虽有强逆温但无阳光,蜃景无法显示。夏半年阳光返回北极,逆温开始减薄但强度却随高度反有增加,这是由于中纬度有较暖空气北侵之故。

  更有甚者,有时能将北冰洋表面上的小冰疙瘩,幻化为延绵的雪山。沛雷和麦克密仑正是在岛上的一些岬角(高地)上观察这种蜃景的。岬角的两侧是港汉或洋面。假设从冰洋表面一块狭小冰疙瘩上有四条反射光向人目方向发射,由于水平温度具有上述分布,光线受折射后必向高温一侧弯凸,并且各条光线经过多次折射和全反射,在不断向两侧的往复中向人目方向传播,组成了一个“光学波导”。在观察者视野中,此蜃景水平延绵的视角可达120度。

  上面我们证明了在水寒地冻的情况下,是可以出现上现蜃景的。不仅在登州的秋冬季节可见到海市,而且在北极圈内也可以出现蜃景。海市是登州的旅游资源,宣扬东坡秋冬未见海市,既屈煞古人,又煞游客雅兴,更不合科学实际,有碍于当地旅游资源的开发。如果能预报当地海市出现的日期,必能大大吸引游客到蓬莱和长岛,既开阔了游客的眼界,对当地旅游事业也是一大贡献。

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