大氣光學

大氣光學是研究光通過大氣時的相互作用和由此產生的各種低層大氣光象的一門學科。是大氣物理學的一個分支。大氣光學的研究可從兩個角度出發：把大氣當作一種連續介質，由於電磁波在介質中傳播時速度隨介質密度改變，而發生反射和折射等現象；把大氣當作由空氣分子、氣溶膠和水汽凝成物組成的混和物，研究由於這些粒子對電磁波的吸收、散射和偏振等所引起的光學現象。 ^[1] 

某些大氣光象常常是天氣現象的前兆。對虹、暈、寶光環、海市蜃樓等大氣光象，中國古代都有觀測和解釋。作為現代科學的大氣光學的研究和發展，則與光學研究的進展有着密切的聯繫。19世紀末和20世紀初，英國科學家J.W.S.瑞利和德國科學家G.米分別建立了散射理論，解釋了許多大氣光象。20世紀60年代激光的出現，使光學大氣遙感得到迅速的發展。衞星遙感技術的應用也對大氣光學的研究提出新的要求，這些都促進了近代大氣光學的發展。大氣光學的研究內容包括：基本規律的研究，如大氣散射和折射；大氣光學特性的研究，如大氣消光、大氣吸收、大氣能見度和天空亮度等；大氣光象的研究，包括朝晚霞、曙暮光、天空色彩等大氣光象及虹、暈、華等雲中光象。

大氣光學包括：基本規律的研究，如大氣折射、大氣散射等，它們是大氣光學的基礎，也是物理學的一部分。大氣光學特性的研究，如大氣消光、大氣吸收、大氣能見度、大氣渾濁度、大氣透明度、天空亮度等。大氣光象的研究，包括朝晚霞、曙暮光、天空顏色等大氣光象，虹、暈、華等雲中光象，並研究它們的成因，以及它們與大氣狀態和天氣過程之間的聯繫。 ^[1] 

大氣折射、散射等的基本規律

大氣光學首先研究大氣折射、大氣散射等的基本規律，它們是大氣光學的基礎，也是物理學的一部分；而後是對大氣光學特性的研究，另外大氣光象還研究包括朝晚霞、曙暮光、天空顏色等大氣光象。大氣中的光現象是指發生在大氣中，並用肉眼所能直接感覺到的光現象。它可以分為三類：首先是光在大氣中的折射引起的光現象。當光線入射到低層大氣時，由於光線折射，改變了徑跡，這樣在水平面以上，天體和物體的實際高度角與測出的高度角有明顯的差異，即所謂天文折射和地球折射現象。一旦大氣密度出現異常分佈，使來自遠處目標物的光線在另一高度發生全反射，那麼除能看到本身實物外，還可以看到它的反射像，這就是人們通常稱為的“海市蜃樓”。

大氣散射引起的光現象

天穹色彩的變化就是大氣散射引起的光現象之一，比如清潔的大氣使天穹呈現藍色。當大氣十分渾濁、大氣中懸浮粒子大量增加時，天穹呈現青灰色，在天邊甚至出現不透明的灰白色。曙暮光是大氣散射的另一現象。當太陽在地平面以下時，太陽光無法直接到達地面，但是它能照亮地面以上的大氣層，使天空明亮。曙暮光指的就是黎明和黃昏這段時間的光亮。

大粒子對光的折射

還有就是大粒子（如水滴、冰晶等）對光的折射、反射與衍射引起的光現象，最常見的有虹、華和暈。虹是由於太陽光線在大氣水滴裏的折射與反射產生的圍繞反日點的彩色圓弧；華是由於雲中的水滴與冰針分別起小孔與狹縫的作用，使光衍射引起的圍繞太陽（或月亮）的許多彩色圓環；暈是由於太陽（或月亮）光在冰晶上折射與反射引起的一系列光學現象的總稱。根據着色的性質，有由於折射而引起的略帶色彩的暈（如彩虹圓環、幻日等）以及由反射引起的白色暈（如水平環、側日等）之分。能見度是指人眼在大氣中觀察到的最遠距離。它取決於下列各種因素，如物體和背景的屬性、物體和背景照度的屬性、大氣屬性以及觀測儀器（包括肉眼）的屬性等等。發展了一種能見度儀，它直接測量大氣透過率和背景亮度等氣象要素，通過計算機進行綜合分析來計算能見距離。該儀器可以比較客觀地反映大氣實際的能見度，在一些機場已被採用。

天空背景是指來自天空的向下輻射通量，其中包括大氣和雲對太陽光的散射輻射以及大氣氣體的自發輻射，夜間還包括少量的月光和星光的散射。一般而言，對太陽光的散射輻射主要集中在短波部分。在晴天，最大輻射通量的波長為0.45微米左右，而氣體的自發輻射主要集中在長波部分，最大輻射通量的波長為10.5微米左右。天空背景輻射通量的大小及其空間分佈是十分複雜的，它主要取決於幾種影響因子的組合。這些影響因子包括太陽的高度、下墊面的反射率、觀測點離地面的高度、雲量、雲狀、大氣透明度以及大氣狀態等。

光在大氣中的傳輸性能是指光波通過大氣所引起的光學特性的變化。它主要包括由於大氣散射與吸收造成的輻射能量損失的大氣衰減；由於大氣折射率的隨機起伏造成的光束的光強起伏（閃爍）、漂移擴展以及相干性破壞等的大氣湍流效應；以及光在大氣中傳輸的非線性光學效應，這種效應必須在強激光傳輸中才能顯示出來，因此又稱為強激光大氣傳輸的非線性效應。

根據大氣光學現象以及光的傳輸特性，利用自然光或人工光源可以遙感大氣某些物理量。例如對太陽輻射衰減的測量確定斜程大氣的混濁度；通過對太陽光紫外輻射衰減的測量，確定大氣臭氧的總量；利用多波長紅外輻射計測量太陽的散射輻射強度，可以推斷整層大氣氣溶膠濃度與譜分佈等等。

大氣湍流光學性質

湍流引起的大氣折射率的起伏導致了光波波前的畸變，破壞光的相干性，造成光學圖像的模糊，相當於光學系統光學傳遞函數的惡化，是造成天文觀測困難的主要原因。當激光在大氣中傳播時，激光的優點被破壞，其主要表現有:光束隨機漂移;相位隨機起伏;光束截面上能量重新分佈(畸變、展寬、破碎等);能量集中度的下降;以及由此而引起的強度起伏(閃爍)。這些效應嚴重製約了激光的大氣應用.為解決大氣湍流對光傳播的影響催生了一門全新的自適應光學技術。

準確可靠地分析大氣湍流的影響需要對大氣湍流的準確測量。目前局域的温度湍流場的測量主要使用温度脈動儀，也在發展折射率起伏的光學測量技術。廓線分佈的測量技術有探空球搭載的温度脈動儀、微波雷達、利用光閃爍效應的SCIDAR、MASS等。測量整層大氣湍流強度(相干長度)的技術主要有DIMM等。

目前主要有兩種通過光學相位校正克服大氣湍流影響的技術方法，一種是基於產生相位共扼物理過程的非線性光學方法，另一種是基於波前探測與光學鏡面變形技術的自適應光學方法。前者的基礎是自然物理過程，而後者則主要依賴於技術水平。這兩種方法早期都得到了充分的重視，雖然非線性光學方法在補償大氣湍流引起的波前畸變方面取得了一些實驗結果，但它遇到了一些目前尚無法逾越的困難。相反，隨着各種光電技術水平的提高，自適應光學方法得到了長足發展，在天文觀測、光束質量改善、激光大氣傳輸相位校正等工作中得到了重要應用。 ^[2] 

激光大氣傳輸

影響激光傳輸效果的主要因素有大氣分子和氣溶膠粒子吸收和散射造成的衰減效應、大氣湍流引起的湍流效應和強光加熱空氣造成的熱暈效應。低能激光大氣傳輸的衰減效應和湍流效應是線性的。而高能激光引起的熱暈效應由於和光束形態密切相關，雖然有許多工作探討了熱暈的各種特殊性質和規律，但沒有充分的一般規律性研究結果。更為複雜的是，湍流效應造成的光斑無規分佈給熱暈的分析帶來巨大的複雜性，而熱暈對空氣的加熱又改變了湍流的狀態，二者間的相互作用是十分複雜的。而在實際應用中，這種相互作用的場景卻是很普遍的。

在低能激光條件下，隨着發射功率的增加，傳輸後的功率也隨之線性增加。但在高能激光條件下，熱暈效應使得存在一個臨界功率，超過這個臨界功率，提高發射功率不能進二步提高傳輸後的功率。

大氣傳輸效應是激光工程應用的主要限制因素。在近地面稠密大氣環境中的傳輸問題，一般傳輸距離短，功率密度大，熱暈效應嚴重。在高空稀薄大氣中的傳輸問題，一般傳輸距離長，大氣的效應也很明顯.為了激光技術的可靠應用，必須瞭解應用地區的大氣光學特性，為此，發達國家在全球一些地區進行了長期系統的測量工作，獲得了大量數據。 ^[2] 

大氣光學模式和應用軟件

由於大氣光學性質的時空複雜性以及各種各樣的應用需求，需要對各種地區和時間的大氣條件進行長期、系統的測量分析，建立數據庫和大氣模式，並發展大氣輻射傳輸和光傳播應用軟件。目前廣泛應用的有美國標準大氣、HITRAN高分辨大氣分子吸收數據庫、LOWTRAN氣溶膠模式和各種湍流模式，如Hufnagel-Valley湍流模式。輻射傳輸軟件有Mie、T-matrix、DDA、DISORT等，大氣透過率和大氣輻射軟件有:Lowtran, Modtran,Fascode, Streamer等。遙感應用軟件有SENSAT,6S等。數據庫和大氣模式的典型應用是衞星遙感圖像的大氣校正。 ^[2] 

光的吸收是指原子在光照的下，會吸收光子的能量由低能態躍遷到高能態的現象。從實驗上研究光的吸收，通常用一束平行光照射在物質上，測量光強隨穿透距離衰減的規律。 ^[3] 

光的色散（dispersionoflight）指的是複色光分解為單色光的現象；複色光通過稜鏡分解成單色光的現象；光纖中由光源光譜成分中不同波長的不同羣速度所引起的光脈衝展寬的現象。色散也是對光纖的一個傳播參數與波長關係的描述。牛頓在1666年最先利用三稜鏡觀察到光的色散，把白光分解為彩色光帶（光譜）。色散現象説明光在介質中的速度v=c/n（或折射率n）隨光的頻率f而變。光的色散可以用三稜鏡，衍射光柵，干涉儀等來實現。光的色散證明了光具有波動性。

光的色散需要有能折射光的介質，介質折射率隨光波頻率或真空中的波長而變。當複色光在介質界面上折射時，介質對不同波長的光有不同的折射率，各色光因所形成的折射角不同而彼此分離。1672年，牛頓利用三稜鏡將太陽光分解成彩色光帶，這是人們首次作的色散實驗。通常用介質的折射率n或色散率dn/dλ與波長λ的關係來描述色散規律。任何介質的色散均可分正常色散和反常色散兩種。 ^[3] 

光的散射是指光通過不均勻介質時一部分光偏離原方向傳播的現象。偏離原方向的光稱為散射光。散射光波長不發生改變的有丁鐸爾散射、分子散射；波長髮生改變的有拉曼散射、布里淵散射和康普頓散射等。丁鐸爾散射首先由J.丁鐸爾研究，是由均勻介質中的懸浮粒子（如空氣中的煙霧、塵埃）以及浮濁液、膠體等引起的散射。真溶液不產生丁鐸爾散射，化學中常根據有無丁鐸爾散射來區別膠體和真溶液。分子散射是由分子熱運動所造成的密度漲落引起的散射。波長髮生改變的散射與散射物質的微觀結構有關。 ^[3] 

理論：散射光的波長與入射光相同，而其強度與波長λ4成反比的散射，稱瑞利散射定律，由瑞利於1871年提出。此定律成立的條件是散射微粒的線度小於波長。入射光與介質的分子運動間相互作用而引起的頻率發生改變的散射。1928年C.拉曼在液體和氣體中觀察到散射光頻率發生改變的現象，稱拉曼效應或拉曼散射。

運用：散射與通信技術關係也很密切，如利用對流層、電離層以及流星餘跡的散射可對上百乃至幾百公里距離的定點進行微波或超短波通信，是跨越不能設中繼站的地段進行通信的有力措施。此外，微波特別是毫米波穿越雨雲和雨幕時，水滴乃至分子的散射與吸收所引起的衰減是不能忽視的。

對衞星通信和直接廣播影響最明顯的是散射衰減。水珠、雪片乃至大氣分子在電磁波照射下，其極化電流的輻射把照射波的能流轉化為散射能流和質點的內能，因而使照射波受到衰減。

某些大氣光學現象常常是天氣現象的前兆，因此自古以來，大氣的光學現象就引起人們了的注意。中國遠在3000多年以前的殷墟甲骨文中，就有關於虹的記載，《詩經》中也寫到過“朝臍於西，崇朝其雨”，意為早晨太陽東昇時，如果西方出現了虹，到中午就要下雨了。關於暈、寶光環、海市蜃樓等大氣光象，中國古代都有觀測和解釋。

而大氣光學作為現代科學的研究和發展，則和光學的研究進展有着密切的聯繫。19世紀末，英國科學家瑞利首先解釋了天空的藍色：在清潔大氣中，起主要散射作用的是大氣氣體分子的密度漲落。分子散射的光強度和入射波長四次方成反比，因此在發生大氣分子散射的日光中，紫、藍和青色彩光比綠、黃、橙和紅色彩光為強，最後綜合效果使天穹呈現藍色。從而建立了瑞利散射理論。

20世紀初，德國科學家米從電磁理論出發，進一步解決了均勻球形粒子的散射問題，建立了米散射理論。這兩個理論能夠解釋許多大氣光象。60年代激光的出現，使光學大氣遙感得到迅速的發展。以激光大氣遙感為重點的光學大氣遙感，已發展成為大氣遙感的重要分支。衞星遙感對大氣透明度的要求，吸收光譜法和激光光譜學的發展，也有力地促進了高分辨率大氣吸收光譜的研究。

大氣光學的研究發展和物理光學的進展有着密切的關係。19世紀，英國科學家瑞利用分子散射的理論首先解釋了天空的藍色。20世紀初，德國科學家G.Mie又進一步解決了球狀粒子散射問題。這兩個理論使我們能夠解釋許多大氣光象，並加強了大氣光學與大氣輻射、大氣要乾等分支學科的關係。

大氣光學的研究可以從兩個角度出發：

1．把大氣看做一種連續介質，由於光速隨介質的密度而變，因此發生光的折射、反射現象。

2．把大氣看做由空氣分子、氣溶膠粒子組成的混合物，集中研究由於這些粒子對光的散射和吸收所引起的各種光學現象。

實際上，大氣是一種湍流介質，當研究光在湍流大氣中傳播時，往往要將這兩種思路結合起來考慮。高層大氣中發生的光學現象與低層大氣發生的光學現象有很大的不同，前者主要是由太陽輻射作用下產生的光化學反應所引起的，如夜天光、極光等，這些是屬於高層大氣物理學的研究內容。

大氣光學的理論和光波傳播的規律，在大氣輻射學環境科學、天氣預報、天文、航空、遙感等許多方面，已得到廣泛的應用。隨着紅外和激光技術的迅速發展，近幾年來大氣光學的研究迅速的開展起來。和今後一段時間內，大氣氣體分子高分辨率吸收光譜的研究、大氣氣溶膠光學特性的研究、強湍流效應的研究、雲霧粒子的不同形狀對散射特性的影響及其多次散射的研究、激光和紅外大氣遙測的研究等方面將成為大氣光學的主要研究方向。

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大氣光學的理論和光波傳播的規律，在大氣輻射學、環境科學、天氣預報、天文、航空、遙感等許多方面，已得到廣泛的應用。大氣光學是研究光通過大氣時的相互作用和由此產生的各種低層大氣的光學現象的一門學科。它是大氣物理學的一個分支。大氣光學的研究可從兩個角度出發：一是把大氣當作一種連續介質；二是把大氣當作由空氣分子、氣溶膠和水汽凝成物組成的混和物。因為大氣光學和許多光學（包括紅外激光）工程的研製有密切的關係，所以它在國民經濟和國防建設中都有重要地位。