大气光学(卷名：物理学)
atmospheric optics
研究光（包括紫外、可见和红外）通过大气时，因光的吸收、散射、折射、反射、衍射、偏振产生的许多物理现象以及利用这些物理现象来反演大气特性的一门光学学科分支。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。大气光学目前研究的范围主要包括以下几个方面。
大气中的光现象 是指发生在大气中肉眼所能直接感觉到的光现象。它可以分为三类：①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。图1是天文折射的示意图。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。它可能是直立的，也可能是倒立的。前者称上现蜃楼（图2），后者称下现蜃楼（图3），总称为“海市蜃楼”。②大气散射引起的光现象。天穹色彩的变化是大气散射引起的光现象之一。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4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。当大气十分浑浊、大气中悬浮粒子（即气溶胶）大量增加时，起主要作用的是米氏散射（见光的散射）。米氏散射与入射波长依赖关系不明显，因此天穹呈现青灰色，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。③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（见彩图）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。根据光线在水滴内部反射次数n的多少，虹可细分为主虹(n=1)、副虹(n=2)、三级虹(n=3)，依次类推。然而内反射次数越多，从水滴中射出的光强越弱，因此常见的只是主虹和副虹，主虹色彩排列是外缘为红色，向内为黄色，内缘为紫色。副虹位于主虹上面，色彩排列与主虹相反。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子，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。气象上通常采用气象能见距离，它定义为在白天以无限气层为背景，看一个视角不小于20分的黑体消失其形象的距离。夜间可通过观测人工点光源来决定。通常采用目测法观测能见度。目前还没有广泛采用能见度仪，但发展很快，其基本原理是基于能见距离和大气透明度有关，因此可以用测定的大气透明系数来求出气象能见距离。近几年来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，目前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，在3～4微米之间两者辐射强度几乎相等。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。例如在白天，碧空中太阳的前向散射远大于侧向散射，因此最大短波散射辐射通量位于太阳直接辐射附近。云的出现会引起散射通量的强烈增加，但对于自发辐射而言，这相当于增加一个新的辐射源，它直接影响长波辐射通量的谱分布。
光在大气中的传输特性 是指光波通过大气所引起的光学特性的变化。它主要包括下列三个方面：①大气衰减指由于大气散射与吸收造成的辐射能量的损失。大气散射引起的衰减主要由于大气气体分子散射和气溶胶的一次散射。如果光在能见度特别差或云、雾、雨等恶劣天气环境中传输，还必须考虑多次散射的影响。大气衰减的另一个重要因子是大气气体分子吸收。大气中的主要吸收物有H2O、CO2、O3分子。其他像CH4、N2O、CO、HDO等气体分子的吸收，在长距离传输时也需考虑。每一种吸收气体都存在有若干吸收带，吸收带之间具有较大透过率的波长区域称为大气窗口，主要有8～14微米、3～5微米以及1～2微米三个窗口区。应着重指出的是，大气气体分子对激光和非激光的吸收有很大的差别。对于非激光，因为它总是以有限频率间隔Δv进行传输，其中包含许多吸收光谱线，因此它是一个“带”吸收；对于激光，因为它发射的谱线宽度很窄，故基本上是“线”吸收或准“线”吸收。②大气湍流效应主要是指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。这些效应直接影响激光在大气中的传输，因此，激光出现后得到深入研究。③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。它主要包括热晕效应和气体击穿效应。热晕效应是指由于大气吸收激光辐射能量导致光路上大气加热，从而改变其折射率，影响激光光束的传播特性。其中包括激光光束扩展、畸变、弯曲等。实验和理论研究表明，它主要取决于激光强度的初始分布与大小、大气吸收特性以及热交换机制等。气体击穿是指激光辐射和大气相互作用导致大气气体电离，形成一个高密度的、能强烈吸收激光能量的等离子区，因而限制了高功率激光在大气中传输。实验表明造成气体击穿的激光阈值光强和大气气压、辐射波长、光斑大小以及大气透明度等因素有关。
光学大气探测 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，已能相当精确地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。同样，通过测量它在大气中的向上辐射强度，可以反演得到大气温度分布、水汽分布等。利用激光作为光源，对大气各种物理量进行探测，包括气象要素、大气气体成分以及污染气体、大气气溶胶的探测等等，也已得到初步结果，有的已进入了实用阶段，如激光测云、激光对某些污染气体监测等。
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开展。目前和今后一段时间内，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。
参考书目
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