光波传播

可见光等在大气中的传播

可见光、红外线和紫外线在大气中的传播。光波在大气中传播时，受到大气的吸收、散射、折射和闪烁等影响，影响程度与光波波长有密切关系。

综述

light wave propagation

红外线波长范围为 0.70微米～1毫米，是介于无线电波和可见光之间的相当宽的重要波段。其中300微米～1毫米区域的波又称为亚毫米波，有时也被划入无线电波的范围。大气对红外辐射传输的影响，主要表现为吸收和散射。大气对红外辐射的吸收，主要是由大气中的水蒸气、二氧化碳和高层大气中的臭氧分子所造成。可见光波长范围为380～700纳米。地球大气对可见光是透明的，散射、折射和闪烁是可见光在大气传输中的重要现象，同时还须考虑色散和某些吸收。可见光的波长比较短，瑞利散射的作用变得很重要，而且蓝色光的瑞利散射比红光更为强烈，因而天空看起来经常是蔚蓝色的。紫外线波长范围为10～380纳米，大气对紫外线的吸收非常强烈，只对波长为300纳米以上的近紫外线才允许有一定程度的透过。对于300纳米以下的紫外线，大气几乎是完全不透明的。

分类解释

可见光、红外线和紫外线在大气中的传播。图1中为这三部分光按波长（或频率）的划分情况。光波在大气中传播时，受到大气的吸收、散射、折射和闪烁等影响，影响程度与光波波长有密切关系。

红外线

波长范围为0.70微米～1毫米,是介于无线电波和可见光之间的相当宽的重要波段。其中 300微米～1毫米区域的波也称为亚毫米波,有时也被划入无线电波的范围。大气对红外辐射传输的影响，主要表现为吸收和散射。大气对红外辐射的吸收，主要是由大气中的水蒸汽、二氧化碳和高层大气中的臭氧分子造成的。这些分子振动和转动能级之间的跃迁，在红外区造成一系列的强吸收带。例如，水蒸汽在2.7微米和6.3微米等处有强吸收带;二氧化碳在4.3微米和15微米等处有强吸收带；而它们的不太强的吸收带则分布在整个红外辐射区域。另外，大气中少量的CH4、N2O和CO分子对红外吸收也有重要作用。

这些大气分子的强烈吸收使大气对红外辐射的大部分区域是不透明的，只有在某些特定的波长区，红外辐射才能透过。这些特定的波长区称为红外辐射的“大气窗口”，它们几乎都集中在25微米以下的近红外和中红外区域，附表表示这些大气窗口的位置。

除这些重要的大气窗口以外，在波长为 300微米和600微米附近区域，大气也呈现出某些透过特性。

散射是大气对红外辐射的另一种重要作用。散射有两种不同的类型，即瑞利散射和弥散射。瑞利散射是由大气分子引起的,散射系数与波长的4次方成反比。瑞利散射对红外辐射并不特别重要,对于波长大于1微米的辐射常可忽略。弥散射是由大气中的悬浮粒子造成的，如大气中的雨、雪、雾、云、灰尘和烟的微粒都能成为散射体，散射系数通常与辐射波长的1.3次方成反比,对于红外传输过程中的衰减有重要作用。

大功率的红外激光束在通过大气时，除上述的吸收和散射等现象外，还会产生非线性现象。大功率光束对传输路径上的大气不均匀加热，造成大气折射系数不均匀变化，最后导致激光束的发散。更大功率的激光束还能使大气分子电离，从而使激光束传输变得更加不稳定和更加复杂。

可见光

波长范围为380～700纳米。地球大气对可见光是透明的，散射、折射和闪烁是可见光在大气传输中的重要现象，同时还须考虑色散和某些吸收。可见光的波长比较短，瑞利散射的作用变得很重要，而且蓝色光的瑞利散射比红光更为强烈，因而天空看起来经常是蔚蓝色的。

折射发生在光束从一种介质进入另一种介质的时候。星光或太阳光从外层空间进入大气层时，会发生折射现象。大气的密度和温度随高度的不同而不同，因此，光的折射率也随高度而有所不同。大气折射指来自天体的辐射在不均匀大气的折射下连续弯曲的过程，这个现象也称蒙气差。大气折射使光线偏向天顶，偏离的大小随入射光线天顶角的增大而增大。当天顶角为75°时，蒙气差可达4′左右。大气的折射率与波长有关，因此，大气折射对不同颜色的光有不同的值。这就是大气的色散效应，在天体测量中应加以考虑。

在可见光区也有不少大气分子（或原子）的吸收带，但不象在其他区域那样强烈。吸收和散射都使传输光束的强度减弱，大气消光就是指这种光束在大气中传输时的强度衰减现象，可用消光系数来表示其大小。消光系数是大气条件和波长的函数。

闪烁和抖动等是光束在湍流大气中传输时的重要现象。大气湍流是由于温度、湿度、压强和密度的不均匀性造成的。湍流大气的折射率随时间和空间而随机变化，使传输光束截面内各点的强度也发生随机起伏。这种现象称为闪烁。从地面看到星星闪烁，就是这种现象。此外，湍流大气还使传输光束的传播方向、相位和偏振等发生抖动。传播方向和相位的抖动会使光斑的位置发生抖动，并使光斑的形状也随时变化，这对天文观测有极为重要的影响。天文大气宁静度描述的就是湍流大气的这种性质对成像质量的影响，常是限制地面天文观测获得高空间分辨率的关键因素。大气湍流效应对红外辐射和紫外线传输也有重要影响。

紫外线

波长范围为10～380纳米,大气对紫外线的吸收非常强烈,只对波长为300纳米以上的近紫外线才允许有一定程度的透过。对于300纳米以下的紫外线,大气几乎是完全不透明的。

大气中的传播

光波在大气中的传播过程，除了受到气体分子、云雾降水和气溶胶粒子的散射和吸收以外，还受到大气折射率不均匀的结构（湍流区）的散射。大气折射率不均匀的结构，使光波的侧向散射和后向散射都比较弱，而前向散射则比较强。当接收器沿光线对准光源时，前向散射波的随机变化，使接收到的光波，无论振幅或相位等参数，都产生随机起伏，这些现象，统称为光波传播的湍流效应。它们包括：①强度起伏，②相位起伏，③光束扩展。

强度起伏

又称闪烁，如星光闪烁和激光闪烁等。它是由光波振幅的随机变化所引起的，通常用对数光强的起伏来表征。按电磁波在湍流大气中传播的小扰动近似理论(见电磁波在湍流大气中的传播)，在局部各向同性的均匀湍流场中（见大气湍流），对数光强起伏的方差为αC娾kl，其中C娾为大气折射率结构常数，k为光的波数；l为传播路径长度。系数α与波束的类型有关：对于平面波和球面波,α分别为1.23和0.50;对于激光束状波，α 介于此两者之间。在非各向同性的不均匀湍流场中，对数光强方差和湍流强度与路径的分布有关。实验发现,对数光强方差有和湍流强度相对应的日变化,一般在夜间较小,白天较大。但当达到2.5这一临界值以后，不论湍流如何加强,传播的路径如何延长,此方差都逐渐趋于常数，甚至还有下降的趋势。这个现象叫作闪烁的饱和效应。加大接收孔径,可以有效地减轻闪烁效果,这就是闪烁的孔径平滑效应。光强起伏的空间相关函数与路径上的湍流状态有关。闪烁的频谱与传播路径上风速的横向分量有关, 主要的频谱成分集中在1～100赫兹低频范围。

相位起伏

能引起星象的抖动和激光光斑的漂移。不但如此，它还破坏了激光空间的相干性，使相干检测的效率下降。相位起伏是大尺度的大气折射率不均匀的结构所造成的。按照小扰动近似理论，相位起伏结构函数和两个接收点间距离的5/3次方成正比。

光束扩展

大气折射率不均匀的结构，引起光束发散角加大，因而在光学系统接收器的焦点上，激光光束所形成的光斑，比没有湍流时要大，这种现象叫作散焦。它影响了光学系统聚焦的能力和成象的质量。

全国各地天气预报查询

上海市

市辖区

云南省

临沧市

云南省

丽江市

云南省