光在大气中的传播

光在大气中的入射与反射


  当光线以一定的角度投射在物体表面时,它会以与入射角大小相同的角度被反弹出来。如图4-24所示,光线以入射角“a”投射到物体表面,在以角度“b”由表面反弹出去,而角度“a”等于角度“b”这就是光的反射。

光在大气中的散射


  当我们避开太阳朝天空张望时,看到的是蔚蓝的天空,这就是说,在那个方向的天空有光线射入我们的眼帘,从太阳发射过来的光线,在天空的某个地方改变了方向,不然的话,我们所能看到的一切,就只不过是星际空间的黑暗,或者是来自某个遥远星辰的亮光。原来,当光线穿过地球周围的大气时,它的一些能量就向四面八方反射,这样的过程就是散射。
分子散射光强分布示意图
  因此,光波在遇到大气分子或气溶胶粒子等时,便会与它们发生相互作用,重新向四面八方发射出频率与入射光的相同,但强度较弱的光(称子波),这种现象称光散射。子波称散射光,接受原入射光并发射子波的空气分子或气溶胶粒子称散射粒子。当散射粒子的尺度远小于入射光的波长时(例如大气分子对可见光的散射),称分子散射或瑞利散射,散射光分布均匀且对称。
米散射的光强分布示意图
  当散射粒子的尺度与入射光波长可比拟时(例如飘尘粒子对可见光的散射),散射光的强度分布不对称而是分布复杂,称为米散射。

  光在大气中散射的上述性质,造成了许多绚丽多彩的光象。

光在大气中的折射


  光在到达大气与透明物体的分界面,或者光在到达密度不同的两层大气的分界面时,会发生传播方向的屈折,我们把这种现象称之为光的折射。光的折射遵从折射定律。

  气象学告诉我们,空气的密度的大小主要受气压和气温两个条件的影响。气压指得是单位面积空气柱的重量。大气层包围在地球表面,因此在大气层的低层气压较高,越向上气压越低。气压高则空气密度大,气压低则空气密度小。因此,正常情况下,总是贴近地面的空气密度最大,越向上空气密度越小。温度对空气密度的影响和气压则刚好相反。气温越高,空气的体积越膨胀,空气的密度越小;温度越低,空气收缩,则空气的密度变大。一般越接近地面温度越高(逆温层是个例外)。根据实测所得,在大多数情况下,温度的上下差别不是太大,而气压上下的差别却很显著,因此气压对空气密度的垂直分布所产生的影响远比气温的影响大,这就使得空气密度经常是越向上越小的(当然减小的情况并不是一成不变的)。

  由于地球上空气的密度随高度的变化,折射率随密度减小而正比例地减小,因此光在大气中传播时,通过一层层密度不同的大气,在各层的分界面处会发生折射,使光线不沿直线传播而是变弯曲,这样当太阳和其他星体的光线进入大气以后,光线就会拐弯,这种现象称天文折射,这使在地面观测得的天体视位置S'比实际位置S高。
天文折射示意图
  来自大气某目标物发出的光线,在向接收器传播途中发生屈折的现象称地球折射。 
当大气中温度的垂直分布出现异常时,就会引起空气密度垂直变化异常因而产生异常折射。如果下层空气比上层空气冷,也就是出现了强烈的温度逆增时,光线在这种气温随高度升高因而使空气密度随高度锐减的气层中传播,会向下屈折;而光线在气温随高度而降低的气层内传播,会向上屈折。实际大气温度的垂直分布复杂多变,因而会产生丰富多彩的大气光象。

光在大气中的衍射


  光波在传播过程中,遇到小尺度的障碍物时(指光波波长比障碍物尺度大得多),光波具有的绕过障碍物而形成明暗相间光环的本领称光的衍射。例如光波可绕过小孔产生衍射,在纸屏上生成明暗相间的衍射光环。

  在大气中传播的日光或月光遇到小云滴(小雨滴或小冰晶)等障碍物时,会绕过这些障碍物而产生衍射。当天空中存在由均匀小云滴组成的透光高层云或透光高积云时,月光在透过云层时遇云滴而产生衍射,由于云滴大小均匀,形成的衍射环能迭加,从而出现以月亮为中心的一圈圈明暗相间彩色光环,这就是华。

光波的小孔衍射示意图