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大气光学

大气光学

大气光学（atmospheric 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，是大气物理学的一个分支。大气光学一方面把大气当作一种连续介质，研究电磁波在介质中传播时速度随介质密度改变而发生的反射和折射等现象。另一方面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。

在古代，人们通过对大气光学现象的观察，得出“朝霞不出门，晚霞行千里”的经验，便是对大气光学的应用。在现代，大气光学的发展随着对光学研究的逐渐深入而产生。19世纪末，英国科学家J.W.S.瑞利（J.W.S. Rayleigh）在研究天空颜色时建立起瑞利散射理论，解释了气体分子远远小于可见光的波长时发生的光学现象。20世纪初，德国科学家古斯塔夫·米（Gustav Mie）建立米散射理论，解释了微粒尺度接近可见光波长时发生的现象。20世纪60年代，激光的出现使大气遥感得到迅速发展；而大气遥感技术要求人们进一步了解大气光学特性和大气光学规律，于是大气光学也得到迅速发展。

大气光学的基础理论源于光的吸收、散射、色散等基本理论。其主要研究内容为大气光学基本规律，例如大气散射与折射等；大气光学特性，例如大气吸收、大气消光、大气能见度、大气浑浊度等；以及大气光学现象，例如曙暮光、朝晚霞、霾、虹等。大气光学的研究成果被广泛应用在环境科学、天气预报、天文、航空，遥感等许多方面。比如，通过对大气气溶胶的光学厚度进行观测实验，实现对区域内的空气污染情况进行监测。通过收集大气光学数据，进行天气预报。通过对大气光学特性进行检测，进而设计出符合实际场景的遥感通信设备。

发展历程

在某些天气现象出现之前，经常会产生对应的大气光学现象，所以自古代开始，人们就通过观察大气光学现象来预测天气。中原地区民间有谚语：“朝霞不出门，晚霞行千里”，就是通过对大气光学现象进行观察得出的结论。除此之外，中国古代典籍中还有许多关于海市蜃楼，晕、宝光环的记载。

现代对于大气光学的研究，是随着对光学研究逐渐深入而产生的。19世纪末，英国科学家J.W.S.瑞利（J.W.S. Rayleigh）在研究天空颜色时，发现大气层中的气体分子远远小于可见光的波长，而这种尺度的微粒对不同颜色光的散射强度是不同的。红色波长较长，被散射的强度弱，而蓝紫色波长短，被散射强度强，所以大气气体分子将可见光中的红光滤掉，剩下蓝紫光。加之人眼对紫色不敏感，所以人眼看到的天空是蓝色的。瑞利根据自己的研究建立起瑞利散射理论。

20世纪初，德国科学家古斯塔夫·米（Gustav Mie）进一步研究后发现，大气层中的灰尘、水珠等大微粒尺度接近可见光波长，这种微粒导致的散射的光强在各个方向不对称，塔夫·米根据自己的研究建立起米散射理论。瑞利散射与米散射综合起来能解释大部分大气光学现象。

20世纪60年代，激光的出现使大气遥感得到迅速发展。而大气遥感技术要求人们进一步了解大气光学特性和大气光学规律，于是大气光学也得到迅速发展。

基础理论

光的吸收

光的强度随着进入介质的深度而减少的现象，被称为介质对光的吸收。电磁波在任何介质中传播时，其能量都会被介质吸收走一部分，完全没有能量吸收的绝对透明介质是不存在的。通常，在均匀介质中，一薄层介质所吸收的光能与单射光强及该层介质的厚度成正比。该理论由布格尔（Bou8uer）在1729年提出，称为布格尔定律。1760年朗伯（Lambert）又对该理论进行详细说明，于是又被称为朗伯定律。

有些物质对各种波长的光的吸收程度几乎相等，这种吸收被称为一般吸收。例如空气、纯水、无色玻璃等。而有些物质对不同波长的光的吸收程度不同，这种吸收被称为选择吸收。例如，绿色玻璃就是对白光中的红色和蓝色光吸收强，而对绿色光吸收弱。让具有连续光谱的白光通过吸收物质后再经光谱仪分析，就可以将不同波长的光被吸收的情况显示出来，形成吸收光谱。每一种物质能选择吸收的波长是特定的，它反映了物质本身的特性。

光的散射

由于介质中存在的微小粒子或分子对光的作用，使光束偏离原来的传播方向而向四周传播的现象，称之为光的散射。例如，当光束通过浑浊的液体或穿过灰尘弥漫的空间时，就可在侧面看到光束的轨迹。一般按散射粒子的大小把散射分为两类：散射粒子的尺度在1/5波长以下的称为瑞利散射。散射粒子的尺度与光波波长同数量级的称为大粒子散射或米氏散射。

瑞利散射具有以下特点，散射光强与波长四次方成反比，粒子前半部和后半部的散射光通量相等，前向和后向的散射光最强，比垂直方向散射光强一倍。米氏散射的散射强度比瑞利散射大得多，但散射强度随波长的变化不如瑞利散射那样剧烈。同时散射光强随角度变化出现许多极大值和极小值，当尺度参数增大时，极值的个数也增加。并且当尺度参数增大时，前向散射与后向散射之比增大，使粒子前半球散射增大。

光的色散

光在真空中以恒定的速度传播，并且速度与光的频率无关。而光在通过介质时，光的速度发生变化，且不同频率的光在同一物质中的传播速度不同。不同波长的光在同一种介质中具有不同的折射率，这种现象称为光的色散。1672年，牛顿利用三棱镜把日光分解为彩色光带，就是利用了光的色散效应。

将同一介质的折射率与光的波长之间的函数关系绘制成曲线，被称为色散曲线。当介质满足折射率随着光波长的增大而减小，色散率随着波长的增大而减小，波长很长时色散率趋近于零三个特征时，被称为正常色散。将物质折射率的测量范围扩展到物质对光存在强吸收的区域时，形成的色散曲线与正常的色散曲线不同，这种情况被称为反常色散。

研究内容

大气光学是物理学的一部分，大气光学的研究基于光学的基础理论，但又有所延伸。大气光学主要分为三项研究内容，一是大气光学基本规律的研究，例如大气折射、大气散射等。二是对大气光学特性的研究，例如大气消光、大气吸收、大气能见度、大气浑浊度、大气透明度、天空亮度等。三是对大气光学现象的研究，例如曙暮光、朝晚霞、虹、晕、华等，研究这些光学现象的成因和他们与天气之间的关系。

大气光学规律

大气散射

大气散射是光同大气分子或气溶质等发生相互作用，使单射能量以一定规律在各方向重新分布的现象。其实质是大气分子或气溶胶等粒子在入射光的作用下产生电偶极子或多极子振荡，并以此为中心向四周辐射出与入射光频率相同的子波，即散射波。散射波能量的分布同入射光的波长、强度以及粒子的大小、形状和折射率有关。在研究大气散射时，可以按照粒子与入射波波长相对大小的不同，采用不同的处理方式。当粒子尺度比波长小得多时，可采用瑞利散射公式，当粒子度与波长可相比拟时，要采用米散射公式。

大气折射

大气折射是指光在密度不均匀的大气中传播时路径发生曲折的现象。大气折射率和空气密度成正比，一般随高度升高而变小。大气折射可分成天文折射和地球折射两类。天文折射是指来自地球之外的光线在大气中的屈折现象。由于地球大气层上稀下密，其他天体的光会在地球大气中逐渐弯曲，导致观测到的天体位置比实际高。而地球折射是指在大气内部的目标发出的光线的屈折现象。由于大气密度随高度的变化明显，会导致人们从高处远眺时，看到的地平线比实际高一些和远一些。由于大气折射会使观测出现偏差，所以在天文观测和大地测量学中，都需要依据大气折射理论对观测结果进行修订。大气折射率和光的波长有关，光在大气中传播时会因折射率不同而出现各种颜色，这种现象被称为大气色散。大气空气湿度对光的折射率影响很小，经常忽略。

大气光学特性

大气吸收

大气吸收是指光波在大气中传播时，光被大气中各种气体成分吸收。根据大气对不同频率的光的吸收情况，可以绘制出大气吸收光谱。水汽、二氧化碳和臭氧等能将光能转变成热能和电离能，故而引起大气的物理和化学状态的变化。光在通过大气到达地面的过程中，大气层对光的吸收、散射以及反射等作用都会对光造成削弱，衡量这种削弱程度的参数叫做大气吸收系数，一般用如下公式表示：

为大气吸收系数；为光进入大气时的光通量；为光到达地面时的光通量。

大气消光

大气消光是指光波在大气中传播时，受气溶胶和气体分子的散射和吸收而减弱的现象，也被称为大气衰减。光在传播路径上能量不断消耗，在线性范围内，可以用Beer定理计算：

式中，为光学深度，为消光系数，消光系数由大气吸收因子和大气散射因子相加而得。在应用中，要根据工作地点的大气情况选择合适的大气吸收因子和大气散射因子，以便计算消光系数后，根据实际需要选择工作波段。

大气能见度

大气能见度是指视力正常的人能从背景（天空或地面）中识别出具有一定大小的目标物的最大距离。按观测者与目标物的所在高度不同分为水平能见度、斜视能见度和铅直能见度三类。大气能见度与航空、航海、陆上交通、高空摄影、天文观测以及军事行动等都有直接关系，是表征大气光学性质的常用要素，在实际观测中分为10个等级。

大气浑浊度

大气浑浊度能反应无云大气铅直气柱中气溶胶散射造成的消光程度。直气柱中气溶胶含量越大，大气浑浊度越大。大气浑浊度的定义有两种。一种定义是铅直气柱中气溶胶构成的光学厚度，另一种定义是铅直气柱中实测气溶胶和分子消光的总光学厚度与分子消光的光学厚度之比。大气浑浊度会随季节和地理位置而发生变化，研究大气浑浊度对考察气溶胶的分布与输送、空气污染程度等有一定参考价值。

天空亮度

天空亮度是指天空反射太阳光的强度，同所处方向和高度有关。在给定高度上某方向的天空亮度，是从观测点沿该方向直至大气顶，单位立体角内的空气对观测点上同该方间垂直的平面上单位面积的照度。天空亮度的全天空积分，等于散射光形成的地面照度。天空亮度对航空、航海、摄影、天文观测和其他通过大气进行的光学遥感等，都有直接关系。通常认为，太阳所在的半个天空比较明亮，偏离太阳方位 90°的地方，亮度最小。太阳视高度愈低，天空亮度愈小。太阳方向附近，天空亮度会大为增加。

大气光学现象

大气光学现象，简称大气光象，是指在太阳和月球等自然光源的照射下，由于大气分子、气溶胶和南岳云雾茶降水粒子的反射、折射、衍射、散射等作用而引起的一系列光学现象。这些光象包括曙暮光、朝晚霞、虹、晕、华、宝光环、海市蜃楼和星光闪烁等。大气光象往往是某种大气状态的反映，因此研究大气光象对于了解大气状态和天气预报有一定的作用。

曙暮光

当太阳位于地平线以下时，阳光仍可照射到大气的高层，由于高层大气分子对日光的散射，地面存在一定的照度，这种情况天空中的光被称为曙暮光。在日出前称为曙光，日落后称为暮光。在日落后，随着太阳在地平线以下的角度越来越大，暮光辉越来越暗。反之，在日出前，曙光会随着太阳的升起而逐渐增强。在曙暮光减弱到无法进行户外活动时，就是曙光的开始或者暮光的终结。曙暮光在赤道持续的时间最短，持续时间随着纬度的升高而升高。通过对曙暮光亮度、偏振度、色彩的观察，可以推断大气密度和气溶胶的分布情况。

朝晚霞

在日出前和日落后，太阳附近的天空中出现的色彩缤纷的现象，被称之为朝晚霞。出现在早晨被称之为朝霞，出现在傍晚被出现在晚霞。太阳距离地平线越远，朝晚霞越淡，扇形区域越大。随着太阳靠近地平线，朝晚霞会逐渐变浓，扇形也会缩小。当曙光出现时，朝霞开始出现，当暮光消失时，晚霞也会消失。空气中的水汽和灰尘含量越高，朝晚霞的现象越红。朝晚霞是在大气分子、气溶胶分子、水汽凝成物等物体对太阳光的散射和衍射的综合作用下形成的。

霾

当直径很小的气溶胶分子浓度较大时，对太阳光造成的散射现象被称之为霾。霾出现时，大气浑浊，呈现乳白色，能见度低到10公里以下。望向远方时，犹如隔着一层薄幕。当背景暗淡时，薄幕呈现浅蓝色。当背景明亮时，薄幕呈现淡黄色或者红色。

虹

当阳光射入水滴，经折射和反射而在雨幕或雾幕上形成的彩色或白色光环，称为虹。虹的色序排列为内紫外红，被称为主虹。在主虹的外侧能观察到另一个同心光环，被称为霓，又称为副虹。副虹的色序与主虹相反，外紧内红。

通常雨滴越大，虹越鲜艳明亮。当雨滴平均直径在1-2毫米时，紫和绿光环特别鲜明，红光环也很纯净，但蓝光环几乎消失，而在主虹内侧出现好几条色带较窄的紫和绿交替排列的附属虹。当雨滴平均直径为0.5毫米时，红光环的亮度大为减弱，附虹较少。当雨滴平均直径为0.2-0.3毫米时，不出现红光环，其余的光环却很清晰，虹带显得宽些，附属虹的数目也较多，且显黄色。当雨滴平均直径为0.08-0.1毫米时，虹带较宽较淡，只有紫色较显著，附属虹呈白色。当雨滴平均直径小于0.08毫米时，主虹已无彩色，仅出现清晰的白光环而已。当雨滴平均直径小于0.05 毫米时，则出现淡白光环，亦称白虹。由于在同一时刻，空中雨滴的大小并不会完全一致，即使在同一虹中，甚至同一彩色光环中，它的颜色、亮度都会有变化。因此能够根据虹的色彩变化，大致估计雨滴的大小。

晕

由悬浮在大气中的冰晶对日光或月光的折射和反射作用而形成的一组光学现象被称为晕，晕经常呈现环状，弧状，柱状、亮点状。近幻日、远幻日、近幻日环、环天顶弧、环地平弧、内晕珥、日柱、反假日等现象均为晕的不同形式。除太阳光外，月光也能形成相应的晕象，晕象经常是坏天气的征兆。

华

当天空有薄云存在时，能透过云层在太阳或月亮周围看到的彩色光环，这种现象被称为华。华的色序为内紫外红，最多可重复出现三次。最靠近华发光体的光环叫华盖，华的内侧呈白色或青白色，中间是黄色，外缘虽红褐色。

光通过大小和光波波长相当的小孔或缝隙等微小障碍物时，会发生衍射。华就是由日光或月光在云中水滴或冰晶间发生衍射而生成的。云层水滴越小，光环越大。能根据华的彩环张角，大致估计云层水滴的平均大小。

蜃

由于大气剧烈的温度梯度，会使光线发生显著折射，此时在空中或地平线下出现的奇异幻景，被称为蜃。蜃常常出现在雪原、寒冷海洋等地区，因为这些地区地面冷，上方热，大气温度变化显著。大气的折射作用使地面实物的景象向上抬升而显示在空中，甚至能看到地平线以下的景物。蜃也经常出现在由于暴晒而强烈增温的水域陆地、海滨和公路等上空。此时地表热，上方冷，高层空气的密度比低层大，使地上实物的景象下降到地面之下。

应用

环境检测

大气光学的研究成果被广泛利用在环境科学领域。通过对大气气溶胶的光学厚度进行观测实验，能够得到大气光学特性的相关数据，从而得到气溶胶光学特性分布特征，对区域内的空气污染情况进行监测，并根据实际情况提出解决方案，从而改善地区空气质量。2000年前后，安徽光机所根据大气光学理论研发出车载式测污激光雷达，二氧化硫自动监测仪等设备，监测并获得大量大气气溶胶和气体成分的观测数据。

天气预报

在计算天气预报时，需要通过遍布全球的气象站点采集观测数据，观测范围从几千米的高空到地面。气象数据兼具时间和空间特性，其主要包括地面气象数据、高空气象数据、海洋气象数据、气象辐射数据、农业气象和生态气象数据、数值预报数据、大气成分数据等。大气成分数据又分为大气物理数据，大气化学数据和大气光学数据，所以根据大气光学推测大气状态的理论被广泛应用在天气预报中。

天文

在进行天文观测时，恒星星光需要穿过大气层在CCD图像传感器上成像，而恒星星光在经过大气层时会发生折射，导致成像不准确。利用大气光学研究的大气规律，可以对这一偏差进行修正。同时，在不同大气浑浊度下，天文观测效果也有不同。天文观测结果要根据当时的大气光学特性进行补偿。

航空

航空器的通信链路经常采用激光进行，而激光在大气中传播时会受到大气吸收、大气散射等大气特性的影响。在设计激光通信通道时，需要综合大气光学的各种基本规律和特性，采用合适的波段来进行通信。激光在大气中传输衰减的主要是由大气光学散射效应引起的，而大气光学散射引起的衰减与海洋水平能见度有关。

遥感

光波在大气中传输时，其强度和光谱特性会发生变化。大气光学遥感就是利用这些变化反演大气的成分和状态。利用太阳光等自然光源和激光等人工光源的大气光学遥感，分别称为被动遥感和主动遥感。在无云的白天，通过测量所选波长的太阳直接辐射的相对辐射通量密量，可以得到气溶胶光学厚度、臭氧总量和水汽含量。由不同波长的大气光学厚度还可以反演得到气溶胶的尺度谱分布。得到气溶胶分布，对环境治理，天气预测等领域均有应用。

研究意义

大气光学研究的是光和大气相互作用的规律，而基于大气光学理论，发明出的米散射激光雷达可以探测烟尘、南岳云雾茶、降水和能见度，利用拉曼效应或吸收原理的激光雷达可以探测大气温度湿度和气压的廓线。利用激光探测技术形成的空间分辨率很高，径向分辨率可达几米。同时推动了全球性的臭氧、平流层气溶胶观测协作网发展，发展出由外层空间进行的激光大气探测的技术。大气光学为激光测污和痕量杂质的探测提供了新的技术途径，对为激光测污和痕量杂质的探测提供新的技术途径。