另类光学之大气光学

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另类光学之大气光学


9 e  `: o; G: k; w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。
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; u# A* M7 R9 w  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。

+ \/ G; Y$ k1 {+ ]$ V) q: Y大气光学的发展历史

9 [3 Z; J# N: w5 L' B  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。
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  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。

大气光学的内容

  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，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；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，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。

  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，这就是我们通常称为的“海市蜃楼”。

  其次是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。
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' }8 P; e# L& i* f' ^4 O) R  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。

: N8 T1 F% q% k6 u6 p" \& q  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。

  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。

0 t- i" L4 ~+ Z9 t4 j  N) m  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。
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. K1 A; Z$ x- v0 C: d  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。
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$ s" B; f& ]/ ?5 p- I. {  U6 Q  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。

) S; o2 A+ e: O2 Y' o" c. j  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。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