米散射

光学现象

一种光学现象，属于散射的一种情况。又称“粗粒散射”“大颗粒散射”。

描述

米散射理论是由德国物理学家古斯塔夫·米（Gustav Mie，1868—1957）于1908年首先提出，因此得名。

当大气纯净清洁时，起主要散射作用的是大气气体分子的密度涨落，大气分子尺度远小于入射波长，此时的散射称为“瑞利散射”。但是当空气中存在大微粒，如灰尘，水滴和来自污染物的颗粒时，散射方式发生变化，米散射理论从电磁理论出发，进一步解决了均匀球形粒子的散射问题，与瑞利散射结合起来能够解释许多大气光象。

光学现象

（1）天空的颜色

在地球的大气层，光线的实际散射是几种散射型式的结合。当大气纯净清洁，只有少量米散射的时候，天空会呈现出高饱和度的蓝色或者蓝绿色。但当大气浑浊时，由于大气气溶胶（如沙尘暴）的米散射作用，从而使天空呈现灰白色。

另外，在气溶胶粒子强烈的前向散射作用下，使得太阳周围的天空特别明亮，这就是日周光。

（2）云朵的颜色

云朵内充满直径大于波长的水滴，对日光产生的是米散射，因此正午经过太阳照射的云彩经常会呈现白色或者灰色。

（3）海水的颜色

海水颜色即海面向上辐射的可见光所呈现的表观颜色，其与海洋水体所包含的物质成分密切相关：在清洁的大洋水中，悬浮颗粒少，粒径小，分子散射起着主要的作用，其散射服从瑞利散射定律, 呈深蓝色, 近海水中含有较多的无机的和有机的悬浮物质，其粒径远大于光波的波长，这种粒子的散射服从米散射定律，因此, 近海海色呈海洋溶解物质的蓝绿色或黄褐色。

原理

（1）尺度数α

散射的程度变化是粒子半径（r）与辐射波长（λ）比例的函数。因此常引用无量纲尺度数α = 2πr/λ作为判别标准：

当尺度数α远小于0.1时，可用瑞利散射；

当尺度数α≥0.1 时, 需用米散射；

当尺度数α>50 时, 可用几何光学。

通过精确计算散射场可以发现，当粒子尺度很小（远小于0.1）时，米散射就简化为瑞利散射，而当其尺度较大（α>50）时，米散射的结果又与几何光学散射导出的结果一致，所以米散射理论是球状粒子散射的通用理论。

（2）变化规律

下图给出水滴的散射效率因子随尺度数α变化的曲线。

图右侧：随着粒子的相对尺度增大，散射效率因子随波长已经基本不变，说明各种波长具有几乎相同强度的散射，而且散射光中各种波长的比例也和入射辐射中的一致。即，散射的程度跟波长无关，这就解释了为何云朵是白色的：

云滴的半径常在3~6μm，远大于可见光波长（0.38~0.78μm），α约为16~69，根据米散射理论此时照入云朵的太阳光，其各波段散射的强度与入射时比例一致，即所见仍为太阳光的白色。

海水及天空的颜色同理。