蜃気楼は、遠くにある風景からの光が、温度などによって性質の異なる空気を通るときに曲がり、実際とは違う位置や形に見える現象です。空中に新しい建物が生まれたり、頭の中だけで風景を作ったりするわけではありません。光を出した場所と、目が感じる方向のずれを考えます。
夏の道路の先が濡れているように見える「逃げ水」も、蜃気楼の仲間です。近づけば水が逃げていくのではなく、観察する位置が変わることで、目に届く光の経路が変わります。「水面のように見えた」という観察と、「道路に水がある」という判断を分けることが出発点です。
空気の中でも、光の道筋は曲がる
光は同じ性質の物質の中では直進します。しかし、空気の性質が高さによって変わっていると、進む方向が少しずつ変わることがあります。蜃気楼で重要なのは、下の空気と上の空気の温度差です。空気の密度や屈折率の違いによって、光の経路が曲がります。
水と空気の境目で光が折れ曲がる図を習った人は、境界が一枚ないと屈折しないと思うかもしれません。実際の大気では、性質が連続的に変化する場合もあります。その場合、一本の折れ線ではなく曲線として光路を表す方が適切です。どちらも、光が通る場所の性質の変化が見え方に関わっています。
「上位」「下位」は、像が見える位置
上位蜃気楼では、実際の物体より上側に、伸びたり反転したりした像が見られます。下位蜃気楼では、実際の物体より下側に像が見られます。「上位だから山の上で起こる」「下位だから小さく見える」と、名前を別の意味へ読み替えないようにしてください。
基本的には、下が冷たく上が暖かい空気の並びが上位蜃気楼に関係します。下の空気が暖かい場合は下位蜃気楼につながります。ただし、温度差があればどんな場所でも必ずはっきり見えるわけではありません。温度の変わる高さ、見ている距離、観察者の目の高さなども関係します。
道路では、地面に近い空気が強く温められることがあります。その層を通る空の光が曲がって目へ届くと、道路の下の方に空の像が見え、水面のような印象になります。この説明には、道路に実際の鏡や水たまりがあるという仮定は要りません。
例題1：像の名前は、何と比べる？
海の向こうにある建物を同じ場所から観察しました。実際の建物より上側に、上下が反転した像が見えました。これは上位・下位のどちらの蜃気楼ですか。また、「像が上にあるから、その場所にもう一つ建物がある」と判断できますか。
答え・解説： 上位蜃気楼です。上位・下位は、像が実際の物体に対してどちら側へ現れるかで考えます。反転しているかどうかだけで上下の名称を決めません。別の建物が空中にあるとも判断できません。同じ建物から来た光が曲がって届くことで、別の位置に像があるように見えるからです。
観察図には、実物の位置と像の位置を違う記号で書きましょう。像を実物と同じ塗りつぶしで描いてしまうと、光が像の位置から出ていると勘違いしやすくなります。目に届いた直前の向きを逆向きに延ばした補助線は、光が本当にそこを通った線ではありません。
例題2：温度の並びを、上下で読む
模型Pでは、地面に近い空気が35℃、その上が25℃でした。模型Qでは、海面に近い空気が10℃、その上が18℃でした。それぞれ下側と上側のどちらが暖かく、基本的には上位・下位のどちらに関係する並びですか。
答え・解説： Pは下側の方が10℃暖かく、下位蜃気楼に関係する並びです。Qは上側の方が8℃暖かく、上位蜃気楼に関係する並びです。35℃と18℃だけを比べて、気温の高い方を上位と決める問題ではありません。一つの模型の中で、上下がどう並んでいるかを調べます。
これらは温度差の方向を読むための架空の値です。この二地点の温度だけで、実際の像の高さや長さ、見える時刻を計算することはできません。「条件の一部が合う」と「現象が必ず起こる」の間には、まだ確かめるべきことがあります。
光の曲がる場所を、実物の動きにしない
蜃気楼を時間を追って見ると、風景が伸び縮みするように見えることがあります。空気の状態が変わると光の経路も変わるためです。建物そのものの高さが短時間で変わったと考える必要はありません。写真を比較する問題では、写っている像の形が変わった事実と、原因の説明を分けます。
高さによって気温が変わる話は、対流圏と成層圏の温度分布にも出てきます。ただし、蜃気楼で見ているのは地表や海面付近の限られた層です。また、回折は波が障害物や開口のまわりへ広がる話で、この記事の屈折とは着目点が違います。光が曲がるという言葉だけで、現象名を一つにまとめないようにしましょう。