蓬莱仙境与沙漠绿洲

蓬莱仙境与沙漠绿洲

在山东省蓬莱县城北1千米，濒临渤海的丹崖山顶上，有一座重檐八角，绕以回廊的殿阁，那就是有名的蓬莱阁。关于它有着许多美丽的传说，因此有蓬莱仙境之称。相传我国古代有海上三仙山，就是蓬莱、方丈和瀛州。当年方士徐福受秦始皇之命出海求仙，即由此入海。神话中的八仙过海的故事也说是在这里发生的。

蓬莱阁创建于北宋嘉祐年间，如游人登临阁上，北望长山列岛、虚无缥缈，东北海疆、澄波万顷。特别令人神往的是这里的海市蜃楼：在平静无风的日子里，凭阁眺望，可以看到有远山、船舶、市镇、街道映现在空中。宋代大科学家沈括在《梦溪笔谈》中对这种奇观作了生动的记述：“登州海中时有云气，如宫室台观，城堞人物，车马冠盖，历历可睹。”而大文学家苏东坡的《登州海市诗》（宋代的登州即今天的蓬莱县）更是脍炙人口。诗曰：“东方云海空复空，群仙出没空明中。荡摇浮世生万象，岂有贝阙藏珠宫。”那么，为什么把这种奇观叫做蜃楼呢？原来我国早在秦汉时代已注意到了这种现象，当时人认为这些映现在空中的亭台楼阁，乃是传说中的蚊龙——“蜃”吐出的气，变幻不定而形成的，所以称为“蜃楼”。后来经过人们长期的观测和研究，对这种说法表示怀疑。沈括在上面一段引文后写道：“谓之‘海市’或曰，‘蚊蜃之气所为’，疑不然也。”苏东坡的诗名“岂有贝阙藏珠宫”也提出蜃气不能够成为宫殿。

那么海市的形成原因究竟是什么？明、清学者陈霆、方以智、游艺等人在观测和研究的基础上，提出了“气映”的说法。《物理小识》中说：“海市或以为蜃气，非也。”张瑶星曰：“登州镇署后太平楼，其下即海也。楼前对数岛，海市之起，必由于此。”该书中还说：“气映而物见，雾气白涌，即水气上升也。水能照物，故气清明上升者，亦能照物。”在游艺所著的《天经或问后集》一书中，有一幅珍贵的插图，图中画出城楼所成的蜃景，旁边注说：“昔曾见海市中城楼，外植一杆，乃本府所植者。”既然海市中见到城楼上的竖杆，是作者所植的真实竖杆的幻景，那么蜃景乃是远处的城廓经过上层气体的光折射而产生的幻景也就不喻自明了。

我们再用现代科学原理来分析海市蜃楼的成因。众所周知，海水的热容量很大，即使在强烈的阳光照射下，水温也不容易升高。这样一来，使海面上的空气层出现了上暖下冷的逆温现象：接近海面的空气受海水温度的影响，气温较低，而稍高的空气层在日光的照晒下，气温反而高。这样引起了空气密度上层小，下层大的异常状况。在风力微弱的天气里这样的空气层保持着相对的稳定。那么密度小的上空气层就会像镜子一样把离蓬莱阁有数十华里之远，原来不可能被看到的海中诸岛发出的光线，反射入人们的眼帘，使观察者目睹这处在虚无缥缈之中的空中映像。

设O为蓬莱阁上的观察者，A为海中一个小岛。由A发出的光从密度大的空气下层（光密媒质）向上射出，由于空气的密度逐渐变小，所以光会逐渐偏离法线方向（即折射角逐渐增大），沿着一条AC曲线前进。光线到达C点时，由于入射角大于临界角，发生了全反射。光从C点折回时则从密度小的空气上层进入密度大的空气下层，光线会逐渐靠近法线方向，沿着CO曲线，进入观察者的眼帘。而观察者见到的小岛映像是沿着OC曲线在O点的切线方向，显然小岛的像A′比小岛A的位置抬高了许多，所以这种蜃景也称为上现蜃景。除了在海边可以看到上现蜃景之外，还有一种下现蜃景，则要在沙漠中才能见到。相传1789年夏天，法国拿破仑一世率大军入侵埃及，部队在沙漠里前进时，常常被这种蜃景所惑。在远处的沙丘间常常看到有树林、湖泊，或军队、旌旗，时隐时现，致使军心浮动，惶惶不安。此时随军有位数学家名叫蒙日对此现象做了认真的研究，弄清楚其中的道理。用现在的话来说，蒙日认为沙漠地域十分干燥，阳光之下很容易升温。而空气却并不善于导热，这样下层的空气因靠近地面温度较高，而几米高的空气层温度则要低得多。

蒙日是最早对蜃景予以科学解释的科学家，他还设计了模拟实验来说明自己的观点。据资料介绍他的实验是：“用铁条烧红，在其上放置一物，能见真形，并见假象。热铁面上之风气如上说渐近渐疏之理相仿。”读者要问，缘何蒙日有如此学识，竟能一语道破沙漠蜃景的奥秘。事实上蒙日是这方面的行家，对大气光折射现象的研究有很深的造诣。他在科学上的成就还远远不止这些呢。

蒙日，法国科学家，拿破仑一世的挚友。他对数学和图形有很高的天赋。

16岁的时候他因为画了一幅大尺寸的家乡详图，给人留下了深刻的印象。为此被介绍给梅济耶尔军事学校的校长，并在那里接受教育。有一次他奉命通过一些数据来算出一门炮的恰当位置。这种计算十分繁杂，需要很长的时间。而蒙日却别取蹊径，巧妙地把几何学与作图法连起来使用，竟很快地得出了结果。这种新颖的方法就是现在工程上常用的画法几何学，他则是画法几何学的创造人。学校毕业后他先后担任过数学、物理学教授，科学院通讯院士。还出任海军和殖民地大臣。在1798～1801年他来到埃及，曾在开罗帮助创建了开罗科学院。他在大气光学领域里最为卓越的科研成果是他发现了以他名字命名的光学现象——蒙气差。

早晨，一轮红日从东方冉冉升起。蒙日发现这初升的太阳是一个椭圆形的金盘，并不呈圆形，这是为什么呢？经过认真的钻研，蒙日弄清楚了其中的道理。原来在地球的周围有一个厚厚的大气层，接近地表的气层密度比较大，愈向高空，空气愈稀薄，并逐步过渡到星际空间。这样，来自太阳、月亮和其他星体的光在通过大气层的时候，速度发生改变，轨迹变得弯曲，这种现象就叫做蒙气差现象。

具体分析时可先将大气划分为几个同心层。各层的空气密度随着接近地球表面而逐渐增大。设太阳光S从A点穿入大气的第一层，由于它相对于星际空间来说是光密媒质，因此光速要变慢，且向法线方向靠近，沿折线AB前进。同样，光从B点进入第2层大气时，那里的空气密度更大，光又进一步靠近法线，沿着折线BC前进。同样的道理，当光线到达地面上M点的时候，光线经过的射程不是一条直线，而是沿ABCDM的折线。那么站在M点上的观察者所见到的太阳的位置是沿着末端光线的延长线方向上，认为太阳的位置在S′上。两者引起的偏角（∠S′MS）就是蒙气差。显然，当太阳光垂直进入大气层的时候，光线不发生折射，蒙气差为零，而光线平行地平线时，蒙气差最大，可达35′24″。明白了这个道理就知道太阳呈椭圆形的原因了。早晨，当太阳光盘的下部边缘到达地平线的时候，它的上部边缘已高出地面半度左右。由于太阳光盘的下缘因蒙气差的缘故被上升了35′24″，而它的上部边缘因蒙气差的作用只上升了29′，两者蒙气差值相差6′左右，这样使太阳光盘的垂直直径因天文折射缩短了近1/5的长度，所以我们看到了一个椭圆形的光盘。同样的道理，当我们看到太阳露出地平线，射出第一束光时，太阳的实际位置还在地平线以下35′24″呢。