我猜想所谓马路蜃景是镜面反射

还是念初中的时候，第一次从物理课上知道了海市蜃景，说海市蜃景发生在沙漠中，或海上，并说有时也发生在夏天赤日炎炎的马路上（图1）．几十年过去了，海上的海市蜃景我虽然没有亲眼见到，但是传媒上报道过的有山东蓬莱以及辽宁大连等已不止一次，有的还在电视上见过画面．然而，发生在沙漠中的却很少听说．
至于发生在马路上的我倒有幸进行了长期地观察．从上个世纪七十年代至今前前后后已经经历了三十多个年头．

上个世纪七十年代，我住在保定城里，而工作单位在十里开外的西郊工厂区．从城里到西郊有一条长十里东西方向的柏油马路．在那个年代经济发展很慢，马路两旁都是农田，直直的马路空荡荡的，而且原来是一条石子路，柏油是后来铺上的．我上下班就是骑自行车往返在这条马路上．日复一日，年复一年，只要是太阳高照的好天气几乎每天都能看到如图1中所示的情景．在夏季午后上班的时候所见景色尤为动人．远远望去，马路上一片水迹，成群的上班的人们骑着自行车踏水而过，水面上强烈地闪烁着粼粼刺眼的光芒，可以明显地感觉到那是来自自行车明亮部分（辐条、瓦圈等）反射的阳光．在阳光好的时候，人群的倒影依稀可见，偶尔有汽车经过（当时汽车很少）亦然如是，只是更为壮观．及至走到近处则见路面上滴水全无，与前后各处的路面完全一样，是干的．当时我想，这大概就是物理书上所说的马路蜃景了吧．发现这种现象我很兴奋，还曾经在课堂上向学生介绍过．
兴奋之余也引起了我的怀疑，如此壮观的蜃景现在我天天能见到，怎么在以前、在别处我从来没有见过？蜃景是这样能够轻易地见到的吗？马路蜃景如此容易观察到，为什么沙漠蜃景在我有生以来却很少有实例报道？于是，我开始了漫长的时断时续的探索历程．
我以前没见过这不奇怪，因为以前很少走在这样长，而且空旷的柏油马路上，前面讲过，这条路是后来才铺上柏油的．上个世纪八十年代我调工作到城北以后，发现在别的马路上也有同样的现象，尤其是修了高速公路以后，在高速公路上，无论是东西方向还是南北方向都能见到这种现象．条件是，要有从侧面且偏后的方向射过来的阳光．
我所见到的马路"蜃景"不是偶尔发生，而是经常的，并且总是发生在马路的固定的地方，还要在离这个地方相当远的确定的距离范围内才能看到．举一个具体个例，1985～1988年，我上下班经常要经过保定东风东路，这条路的东口岗亭处，是一处经常出现马路"蜃景"的地方，观察这一现象则需在路口西500米以外的地方．因而，我怀疑这可能不是蜃景．
按一般的说法，马路上发生蜃景与沙漠中发生下现蜃景的道理是一样的．在《中国大百科全书》中是这样说的："在沙漠或草原地区，由于正午或午后气温下热上冷的现象极为突出，以至局部地区在短时间内出现空气密度随高度而递增的反常现象．这时空气的层结极不稳定，其折射和全反射作用所产生的海市蜃楼为上现蜃景的镜像，称为下现蜃景(倒像)。由于空气的层结不稳定，以及近地气层的湍流作用，这种倒像出现的时间不长，且常常闪动，从远处观察，好像沙漠绿洲中的水下倒影（图2下现蜃景）．"

这也就是说，马路蜃景是由于地面的温度很高，因而使其附近的空气下层温度高，上层温度低，具有一定的温度梯度．如此状态的空气对光来说是不均匀介质，下边为光疏介质，上边为光密介质，因而使光发生折射和全反射导致产生蜃景．
我想，在马路上方形成温度下高上低，且具有一定温度梯度的空气层是很困难的．即便瞬时有这种情况产生那也不是稳定的，而会形成上升气流．透过火炉（或晒热了的地面）附近的空气看物体常见到左右晃动的景象，就是这个道理．在这种情况下如果仔细观察还能感觉到空气在晃晃悠悠地上升．这也许正是多少年来没有沙漠蜃景出现的真正原因（据我所知，只有2001年9月11日中新网报道过,当时中央电视台记者沿着青藏公路经过海拔2 675米的万长盐桥时见到过沙漠蜃景．见到的情况是"突然看到远处的戈壁上，有沙丘飘浮在天空中……"．我想这应当是上现蜃景，而不是下现蜃景）．
我之所以怀疑马路蜃景就是因为马路上很难具备产生蜃景的条件．
1986年夏季，就在我观察到"蜃景"的马路上（保定东风东路），我曾经测量过温度，地面温度可达70℃以上,人的肢体直接接触难以承受,而离开地面人体周围从脚到顶就是当时的气温,上下没有明显的差异．不符合产生蜃景的条件，此为其一．
观察到的马路"蜃景"不只有天空、建筑物的 "倒影"，还有人群和车流．如此车水马龙，地面附近的空气经常处在被扰动之中，不可能有稳定且具有一定温度梯度的空气层存在．不符合产生蜃景的条件，此为其二．
此外，在有风的天气我也曾观察到过马路"蜃景"．流动的空气何来稳定且具有一定温度梯度的空气层．不符合产生蜃景的条件，此为其三．
在长达三十多年的断续观察中，我不只在夏季，在任何季节包括冬季，不只在中午前后，在上午8点左右，都曾观察到过马路"蜃景"（在上个世纪九十年代，早晨7点左右从 保定出发，在去北京的高速公路上我不止一次见到过马路"蜃景" ）．不符合产生蜃景的条件，此为其四．
那么，这种所谓的马路"蜃景"究竟是什么呢？我猜测是平面镜反射成像．前已述及，马路蜃景总是发生在特定的路面．我考察过几处这样的路面，发现产生"蜃景"的路面都比别处更平整、更光洁．这符合产生镜面反射的条件．而且观察马路 "蜃景"必须在相当远的一定的距离范围内．这也与产生镜面反射的条件相符合．距离远了，来自景物的光线才能有较大的入射角，而反射光的能量分配是与入射角的大小有关系的．入射角越大，反射光所分得的能量比例也越大，越容易被我们所察觉．据此我推断，走在马路上，如果前面是下坡（入射角小）则不容易观察到"蜃景"，如果前面是上坡（入射角大）则容易观察到．于是我想到，城市中穿越铁路的地道桥是再好不过的"实验装置"了．保定市现有这样的地道桥五座，我先后在两座地道桥进行过观察，结果与我的设想一致．在上坡时（只要路面平整光洁）都能观察到"蜃景"，而下坡时则不能．
另外还有一个疑问，马路跟我们常说的"平面镜"相比，路面那么粗糙能发生镜面反射吗？我们知道，粗糙与光洁都是相对的，现实中一般物体的表面，对光的反射都是漫反射与镜面反射共存的．月球的表面未必比马路的路面更光洁，但它也能发生镜面反射，这是人所共知的．马路的路面能发生镜面反射也是毋庸置疑的，下列事实可以为证．不知道大家是否注意到，在夜晚的街道上，特别是人少车稀的时候，街道两旁明亮的路灯会在路面上呈现"倒影" ，偶尔有辆汽车迎面而来，不仅能够看到车灯的光柱被路面反射，还隐约能看到汽车前部的虚像，这是平面镜反射特有的效应．
马路"蜃景"之说在中外教科书中流传至今至少也有百年，似乎已成定论．我在1995年给某出版社的书稿中曾论及此事，但由于责任编辑怕招致麻烦，不得已在最后出版时我同意删除，但条件是同时也不能有肯定 "蜃景"之说出现．事情已过去七八年了，现草成此文供大家评说，以求真知． （2003-9-17第一稿）（2003-10-30第二稿）
（原载《物理通报》2003年第12期）

对《我猜想所谓马路蜃景是镜面反射》的补遗
王绍符

2004-2-27，星期五，上午8∶30由吴江滨开车由保定经北京走京沈高速公路去唐山.过了香河之后（大约10∶00以后），公路上连续不断（五次以上）出现"蜃景"（图1）.当时我们走的方向基本上是从西向东，太阳在右侧，天气属于少云之类，并不晴朗，气温不会超过10℃.

图1

2004-2-28，星期六，下午3∶30以后，仍由吴江滨开车沿京沈高速公路从唐山返回，过了玉田之后，公路上又连续不断地出现"蜃景"（图2），比来时更清晰更频繁（不少于十次）.当时我们走的方向基本上是从东向西，太阳在左前方，天气晴朗且有风，估计风力在四级以上（这是我们车上三四个人的共同判断），气温不会超过15℃.
（原载《物理通报》2004年第4期）

图2