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海市蜃樓是由於海水的熱容量很大,在強烈的陽光照耀下,水溫也不容易升高。 這時,海面上的空氣層出現了上暖下冷的現象,使得空氣的密度上層小下層大。 在無風的天氣裡,這樣的空氣層保持著相對的穩定。 

如果海邊有一位觀察者,海中A處有一個小島。 由A發出的光從密度大的空氣下層(光密介質)向上射,由於空氣的密度逐漸變小,所以光會逐漸偏離法線方向(即折射角逐漸增大),沿著一條曲線AC前進。 光線到達C點時,由於人射角恰好大於臨界角,發生了全反射。 光從C點折回後,則從密度小的空氣上層進入密度大的空氣下層,光線會逐漸靠近法線方向,沿曲線CO,進入觀察者的眼睛。 而觀察者見到的小島的像是沿著曲線OC在0點的切線方向,顯然小島的像A'比小島A的位置抬高了許多,所以這種幻景也稱為上現蜃景。

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