[科普中国]-大气光学

简介

大气光学是研究光通过大气时的相互作用和由此产生的各种低层大气光象的一门学科。是大气物理学的一个分支。大气光学的研究可从两个角度出发：把大气当作一种连续介质，由于电磁波在介质中传播时速度随介质密度改变，而发生反射和折射等现象；把大气当作由空气分子、气溶胶和水汽凝成物组成的混和物，研究由于这些粒子对电磁波的吸收、散射和偏振等所引起的光学现象。1

某些大气光象常常是天气现象的前兆。对虹、晕、宝光环、海市蜃楼等大气光象，中国古代都有观测和解释。作为现代科学的大气光学的研究和发展，则与光学研究的进展有着密切的联系。19世纪末和20世纪初，英国科学家J.W.S.瑞利和德国科学家G.米分别建立了散射理论，解释了许多大气光象。20世纪60年代激光的出现，使光学大气遥感得到迅速的发展。卫星遥感技术的应用也对大气光学的研究提出新的要求，这些都促进了近代大气光学的发展。大气光学的研究内容包括：基本规律的研究，如大气散射和折射；大气光学特性的研究，如大气消光、大气吸收、大气能见度和天空亮度等；大气光象的研究，包括朝晚霞、曙暮光、天空色彩等大气光象及虹、晕、华等云中光象。

内容大气光学包括：基本规律的研究，如大气折射、大气散射等，它们是大气光学的基础，也是物理学的一部分。大气光学特性的研究，如大气消光、大气吸收、大气能见度、大气浑浊度、大气透明度、天空亮度等。大气光象的研究，包括朝晚霞、曙暮光、天空颜色等大气光象，虹、晕、华等云中光象，并研究它们的成因，以及它们与大气状态和天气过程之间的联系。1

大气折射、散射等的基本规律大气光学首先研究大气折射、大气散射等的基本规律，它们是大气光学的基础，也是物理学的一部分；而后是对大气光学特性的研究，另外大气光象还研究包括朝晚霞、曙暮光、天空颜色等大气光象。大气中的光现象是指发生在大气中，并用肉眼所能直接感觉到的光现象。它可以分为三类：首先是光在大气中的折射引起的光现象。当光线入射到低层大气时，由于光线折射，改变了径迹，这样在水平面以上，天体和物体的实际高度角与测出的高度角有明显的差异，即所谓天文折射和地球折射现象。一旦大气密度出现异常分布，使来自远处目标物的光线在另一高度发生全反射，那么除能看到本身实物外，还可以看到它的反射像，这就是人们通常称为的“海市蜃楼”。

大气散射引起的光现象天穹色彩的变化就是大气散射引起的光现象之一，比如清洁的大气使天穹呈现蓝色。当大气十分浑浊、大气中悬浮粒子大量增加时，天穹呈现青灰色，在天边甚至出现不透明的灰白色。曙暮光是大气散射的另一现象。当太阳在地平面以下时，太阳光无法直接到达地面，但是它能照亮地面以上的大气层，使天空明亮。曙暮光指的就是黎明和黄昏这段时间的光亮。

大粒子对光的折射还有就是大粒子（如水滴、冰晶等）对光的折射、反射与衍射引起的光现象，最常见的有虹、华和晕。虹是由于太阳光线在大气水滴里的折射与反射产生的围绕反日点的彩色圆弧；华是由于云中的水滴与冰针分别起小孔与狭缝的作用，使光衍射引起的围绕太阳（或月亮）的许多彩色圆环；晕是由于太阳（或月亮）光在冰晶上折射与反射引起的一系列光学现象的总称。根据着色的性质，有由于折射而引起的略带色彩的晕（如彩虹圆环、幻日等）以及由反射引起的白色晕（如水平环、侧日等）之分。能见度是指人眼在大气中观察到的最远距离。它取决于下列各种因素，如物体和背景的属性、物体和背景照度的属性、大气属性以及观测仪器（包括肉眼）的属性等等。发展了一种能见度仪，它直接测量大气透过率和背景亮度等气象要素，通过计算机进行综合分析来计算能见距离。该仪器可以比较客观地反映大气实际的能见度，在一些机场已被采用。

天空背景是指来自天空的向下辐射通量，其中包括大气和云对太阳光的散射辐射以及大气气体的自发辐射，夜间还包括少量的月光和星光的散射。一般而言，对太阳光的散射辐射主要集中在短波部分。在晴天，最大辐射通量的波长为0.45微米左右，而气体的自发辐射主要集中在长波部分，最大辐射通量的波长为10.5微米左右。天空背景辐射通量的大小及其空间分布是十分复杂的，它主要取决于几种影响因子的组合。这些影响因子包括太阳的高度、下垫面的反射率、观测点离地面的高度、云量、云状、大气透明度以及大气状态等。

光在大气中的传输性能是指光波通过大气所引起的光学特性的变化。它主要包括由于大气散射与吸收造成的辐射能量损失的大气衰减；由于大气折射率的随机起伏造成的光束的光强起伏（闪烁）、漂移扩展以及相干性破坏等的大气湍流效应；以及光在大气中传输的非线性光学效应，这种效应必须在强激光传输中才能显示出来，因此又称为强激光大气传输的非线性效应。

根据大气光学现象以及光的传输特性，利用自然光或人工光源可以遥感大气某些物理量。例如对太阳辐射衰减的测量确定斜程大气的混浊度；通过对太阳光紫外辐射衰减的测量，确定大气臭氧的总量；利用多波长红外辐射计测量太阳的散射辐射强度，可以推断整层大气气溶胶浓度与谱分布等等。

大气湍流光学性质湍流引起的大气折射率的起伏导致了光波波前的畸变，破坏光的相干性，造成光学图像的模糊，相当于光学系统光学传递函数的恶化，是造成天文观测困难的主要原因。当激光在大气中传播时，激光的优点被破坏，其主要表现有:光束随机漂移;相位随机起伏;光束截面上能量重新分布(畸变、展宽、破碎等);能量集中度的下降;以及由此而引起的强度起伏(闪烁)。这些效应严重制约了激光的大气应用.为解决大气湍流对光传播的影响催生了一门全新的自适应光学技术。

准确可靠地分析大气湍流的影响需要对大气湍流的准确测量。目前局域的温度湍流场的测量主要使用温度脉动仪，也在发展折射率起伏的光学测量技术。廓线分布的测量技术有探空球搭载的温度脉动仪、微波雷达、利用光闪烁效应的SCIDAR、MASS等。测量整层大气湍流强度(相干长度)的技术主要有DIMM等。

目前主要有两种通过光学相位校正克服大气湍流影响的技术方法，一种是基于产生相位共扼物理过程的非线性光学方法，另一种是基于波前探测与光学镜面变形技术的自适应光学方法。前者的基础是自然物理过程，而后者则主要依赖于技术水平。这两种方法早期都得到了充分的重视，虽然非线性光学方法在补偿大气湍流引起的波前畸变方面取得了一些实验结果，但它遇到了一些目前尚无法逾越的困难。相反，随着各种光电技术水平的提高，自适应光学方法得到了长足发展，在天文观测、光束质量改善、激光大气传输相位校正等工作中得到了重要应用。2

激光大气传输影响激光传输效果的主要因素有大气分子和气溶胶粒子吸收和散射造成的衰减效应、大气湍流引起的湍流效应和强光加热空气造成的热晕效应。低能激光大气传输的衰减效应和湍流效应是线性的。而高能激光引起的热晕效应由于和光束形态密切相关，虽然有许多工作探讨了热晕的各种特殊性质和规律，但没有充分的一般规律性研究结果。更为复杂的是，湍流效应造成的光斑无规分布给热晕的分析带来巨大的复杂性，而热晕对空气的加热又改变了湍流的状态，二者间的相互作用是十分复杂的。而在实际应用中，这种相互作用的场景却是很普遍的。

在低能激光条件下，随着发射功率的增加，传输后的功率也随之线性增加。但在高能激光条件下，热晕效应使得存在一个临界功率，超过这个临界功率，提高发射功率不能进二步提高传输后的功率。

大气传输效应是激光工程应用的主要限制因素。在近地面稠密大气环境中的传输问题，一般传输距离短，功率密度大，热晕效应严重。在高空稀薄大气中的传输问题，一般传输距离长，大气的效应也很明显.为了激光技术的可靠应用，必须了解应用地区的大气光学特性，为此，发达国家在全球一些地区进行了长期系统的测量工作，获得了大量数据。2

大气光学模式和应用软件由于大气光学性质的时空复杂性以及各种各样的应用需求，需要对各种地区和时间的大气条件进行长期、系统的测量分析，建立数据库和大气模式，并发展大气辐射传输和光传播应用软件。目前广泛应用的有美国标准大气、HITRAN高分辨大气分子吸收数据库、LOWTRAN气溶胶模式和各种湍流模式，如Hufnagel-Valley湍流模式。辐射传输软件有Mie、T-matrix、DDA、DISORT等，大气透过率和大气辐射软件有:Lowtran, Modtran,Fascode, Streamer等。遥感应用软件有SENSAT,6S等。数据库和大气模式的典型应用是卫星遥感图像的大气校正。2

基础理论光的吸收光的吸收是指原子在光照的下，会吸收光子的能量由低能态跃迁到高能态的现象。从实验上研究光的吸收，通常用一束平行光照射在物质上，测量光强随穿透距离衰减的规律。3

光的色散光的色散（dispersionoflight）指的是复色光分解为单色光的现象；复色光通过棱镜分解成单色光的现象；光纤中由光源光谱成分中不同波长的不同群速度所引起的光脉冲展宽的现象。色散也是对光纤的一个传播参数与波长关系的描述。牛顿在1666年最先利用三棱镜观察到光的色散，把白光分解为彩色光带（光谱）。色散现象说明光在介质中的速度v=c/n（或折射率n）随光的频率f而变。光的色散可以用三棱镜，衍射光栅，干涉仪等来实现。光的色散证明了光具有波动性。

光的色散需要有能折射光的介质，介质折射率随光波频率或真空中的波长而变。当复色光在介质界面上折射时，介质对不同波长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离。1672年，牛顿利用三棱镜将太阳光分解成彩色光带，这是人们首次作的色散实验。通常用介质的折射率n或色散率dn/dλ与波长λ的关系来描述色散规律。任何介质的色散均可分正常色散和反常色散两种。3

光的散射光的散射是指光通过不均匀介质时一部分光偏离原方向传播的现象。偏离原方向的光称为散射光。散射光波长不发生改变的有丁铎尔散射、分子散射；波长发生改变的有拉曼散射、布里渊散射和康普顿散射等。丁铎尔散射首先由J.丁铎尔研究，是由均匀介质中的悬浮粒子（如空气中的烟雾、尘埃）以及浮浊液、胶体等引起的散射。真溶液不产生丁铎尔散射，化学中常根据有无丁铎尔散射来区别胶体和真溶液。分子散射是由分子热运动所造成的密度涨落引起的散射。波长发生改变的散射与散射物质的微观结构有关。3

理论：散射光的波长与入射光相同，而其强度与波长λ4成反比的散射，称瑞利散射定律，由瑞利于1871年提出。此定律成立的条件是散射微粒的线度小于波长。入射光与介质的分子运动间相互作用而引起的频率发生改变的散射。1928年C.拉曼在液体和气体中观察到散射光频率发生改变的现象，称拉曼效应或拉曼散射。

运用：散射与通信技术关系也很密切，如利用对流层、电离层以及流星余迹的散射可对上百乃至几百公里距离的定点进行微波或超短波通信，是跨越不能设中继站的地段进行通信的有力措施。此外，微波特别是毫米波穿越雨云和雨幕时，水滴乃至分子的散射与吸收所引起的衰减是不能忽视的。

对卫星通信和直接广播影响最明显的是散射衰减。水珠、雪片乃至大气分子在电磁波照射下，其极化电流的辐射把照射波的能流转化为散射能流和质点的内能，因而使照射波受到衰减。

研究历史某些大气光学现象常常是天气现象的前兆，因此自古以来，大气的光学现象就引起人们了的注意。中国远在3000多年以前的殷墟甲骨文中，就有关于虹的记载，《诗经》中也写到过“朝脐于西，崇朝其雨”，意为早晨太阳东升时，如果西方出现了虹，到中午就要下雨了。关于晕、宝光环、海市蜃楼等大气光象，中国古代都有观测和解释。

而大气光学作为现代科学的研究和发展，则和光学的研究进展有着密切的联系。19世纪末，英国科学家瑞利首先解释了天空的蓝色：在清洁大气中，起主要散射作用的是大气气体分子的密度涨落。分子散射的光强度和入射波长四次方成反比，因此在发生大气分子散射的日光中，紫、蓝和青色彩光比绿、黄、橙和红色彩光为强，最后综合效果使天穹呈现蓝色。从而建立了瑞利散射理论。

20世纪初，德国科学家米从电磁理论出发，进一步解决了均匀球形粒子的散射问题，建立了米散射理论。这两个理论能够解释许多大气光象。60年代激光的出现，使光学大气遥感得到迅速的发展。以激光大气遥感为重点的光学大气遥感，已发展成为大气遥感的重要分支。卫星遥感对大气透明度的要求，吸收光谱法和激光光谱学的发展，也有力地促进了高分辨率大气吸收光谱的研究。

研究方向大气光学的研究发展和物理光学的进展有着密切的关系。19世纪，英国科学家瑞利用分子散射的理论首先解释了天空的蓝色。20世纪初，德国科学家G.Mie又进一步解决了球状粒子散射问题。这两个理论使我们能够解释许多大气光象，并加强了大气光学与大气辐射、大气要干等分支学科的关系。

大气光学的研究可以从两个角度出发：

1．把大气看做一种连续介质，由于光速随介质的密度而变，因此发生光的折射、反射现象。

2．把大气看做由空气分子、气溶胶粒子组成的混合物，集中研究由于这些粒子对光的散射和吸收所引起的各种光学现象。

实际上，大气是一种湍流介质，当研究光在湍流大气中传播时，往往要将这两种思路结合起来考虑。高层大气中发生的光学现象与低层大气发生的光学现象有很大的不同，前者主要是由太阳辐射作用下产生的光化学反应所引起的，如夜天光、极光等，这些是属于高层大气物理学的研究内容。

研究进展大气光学的理论和光波传播的规律，在大气辐射学环境科学、天气预报、天文、航空、遥感等许多方面，已得到广泛的应用。随着红外和激光技术的迅速发展，近几年来大气光学的研究迅速的开展起来。和今后一段时间内，大气气体分子高分辨率吸收光谱的研究、大气气溶胶光学特性的研究、强湍流效应的研究、云雾粒子的不同形状对散射特性的影响及其多次散射的研究、激光和红外大气遥测的研究等方面将成为大气光学的主要研究方向。

相关学科光学、几何光学、波动光学、大气光学、海洋光学、量子光学、光谱学、生理光学、电子光学、集成光学、空间光学、物理学、力学、热学、光学、声学、电磁学、核物理学、固体物理学、大气科学、气候学、物候学、古气候学、年轮气候学、大气化学、动力气象学、大气物理学、大气边界层物理、云和降水物理学、云和降水微物理学、云动力学、雷达气象学、无线电气象学、大气辐射学、大气电学、平流层大气物理学、大气声学、天气学、热带气象学、极地气象学、卫星气象学、生物气象学、农业气象学、森林气象学、医疗气象学、水文气象学、建筑气象学、航海气象学、航空气象学、军事气象学、空气污染气象学。

重要地位大气光学的理论和光波传播的规律，在大气辐射学、环境科学、天气预报、天文、航空、遥感等许多方面，已得到广泛的应用。大气光学是研究光通过大气时的相互作用和由此产生的各种低层大气的光学现象的一门学科。它是大气物理学的一个分支。大气光学的研究可从两个角度出发：一是把大气当作一种连续介质；二是把大气当作由空气分子、气溶胶和水汽凝成物组成的混和物。因为大气光学和许多光学（包括红外激光）工程的研制有密切的关系，所以它在国民经济和国防建设中都有重要地位。