大气中的光学现象

大气中的光学现象

摘要：大气中的光学现象（如虹，宝光，蜃景，日（月）晕，华，极光等），绚丽多姿，引人入胜。大气光学现象（以下简称大气光象）是物理学，大气光学，和气象学的重要研究内容。本文主要介绍了天空和太阳的颜色，蜃景，虹，宝光的光象理论梗概。

关键字：瑞利定律；气温；艾里虹理论；表面波理论；复角动量理论

一、 天空和太阳的颜色

众所周知，1871年，瑞利发表了他的著名论文《天空光的颜色和偏振》，提出了蓝色天空归因于比光波波长小的球形粒子， 例如大气中气体分子散射太阳光，使天穹呈蔚蓝色。

瑞利认为由于分子质点的热运动破坏了分子间固定的位置关系，使分子发出的次波不再相干，因而产生旁向散射光，按照电磁理论，每个次波的振幅是和它的频率ν的平方成正比，而每个次波的光强，又和它的振幅的平方成正比，因而叠加这些次波的光强，得到散射光强和波长的四次方成反比的瑞利定律:I∝ν4∝λ 4

瑞利定律表明，大气分子对蓝光（λ=450nm） 的散射要比对红光(λ=660nm)强得多(约五倍) ，天空散射光是偏振的，这样， 瑞利就对天空为什么是蓝色的问题作了成功的解释。

但是， 瑞利对蓝色天空的解释不是完全令人满意的： 紫光比蓝光更强烈，为什么天空不是紫色，而是蓝色的呢？人眼的视网膜上有杆体和锥体两种感光细胞，对可见光谱内不同波长的辐射，具有不同的敏感度。在明视觉时（ 亮度>103cd·m 2，主要锥体细胞作用)， 人眼对黄绿光（550nm）最敏感, 在暗视觉时(亮度<103cd·m 2， 主要是杆细胞作用) ， 人眼对蓝绿光( 570nm) 最敏感。由于人眼对紫光的敏感性比对蓝光的敏感性低，而太阳光谱中紫光相对蓝光要少一些的缘故， 尽管散射光谱中紫光比蓝光的相对光功率大， 但天空光确实是蓝色的。

朝阳和夕阳的颜色是红的，是因为直接从太阳射来的光能穿过的大气层厚 度， 较之正午时直接由太阳射来的光能穿过的大气层厚度要厚得多。按照瑞利定律，落日的光由于较厚的大气层散射，被散射掉的短波的蓝光比被散射掉的长波的红光显著地增多， 能以落日看来是红色的。而事实上利用色度学的理论，位于地平线处太阳光的主波长约为592nm, 其色调是橙黄色，而非红色。

显然瑞利散射不能解释红色的朝阳和夕阳， 即仅仅大气分子的散射不能形成红色的太阳。大气中总是含有大量固态和液态的悬浮粒子，如水滴、尘埃、冰晶，各种凝结核以及带电粒子等，它们构成了气溶胶分散系统， 通称为“ 气溶胶” 粒子， 气溶胶粒子的半径一般在0.1um 至数10um 之间。其增分布和浓度随季节和纬度而变化， 也随高度和气象条件而变化。瑞利散射只适用于粒子尺度远小于光波波长的情况，当粒子尺度大与1/10波长时，就要用精确的散射理论

来处理。

米氏( G. Mie) 于1908年对任一尺度的粒子的散射问题进行了精确的计算， 结果表明当粒子半径r<0.5Lm时，粒子对短波的散射比长波强；当0.5Lm<r<1.4Lm 时，粒子对长波的散射比短波强，若大气中充满了半径为0.7Lm 的水滴，天空将呈现红色；当r>1.4Lm时, 在可见光围内散射与波长无关，若天空中存在大量这样的水滴， 天空将呈白色。同时考虑分子散射和气溶胶散射，计算结果表明: 天空光仍是蓝色的, 但色纯度较单纯瑞利散射低， 位于地平线的附近太阳的颜色由黄橙色变为橙色，这和我们日常观察到的现象是天空中和朝阳( 夕阳) 的颜色是一致的。

由于大气中气溶胶粒子浓度的变化， 蓝色天空的色纯度不是一成不变的， 气溶胶粒子逾少， 天空光就逾近蔚蓝色， 朝阳和夕阳的颜色变化更加丰富， 五彩缤纷， 绚丽多姿的霞光是分子散射， 气溶胶散射以及阳光和云层共同作用的结果。

二、蜃景

蜃景（又称海市蜃楼）可分为上现蜃景、下现蜃景和侧现蜃景，已经复杂 蜃景。山东蓬莱和日本富士湾的上现蜃景，瑞士日内瓦湖的侧现蜃景，以及意大利墨西拿海峡的复杂蜃景绝世闻名。

人们已经知道，气温的反常分布是天然蜃景形成的主要因素。上现蜃景是光线在强烈的逆温层中的反常折射和全反射形成的；下现蜃景是在气温直减率很大的气温条件下形成的，由于空气的密度是下层大于上层很多，光线在其中传播时向上弯曲。

A.B.Fraser认为，二重上现蜃景形成的必要条件是，气温和气温梯度必须同时增加，气温分布曲线必须有一处曲率最大。要获得三重蜃景气温分布除应满足二重蜃景的条件外，气温分布曲线上部应存在一个拐点。如果知道了气温随高度的变化规律，根据光线光学理论，可以计算出光线的轨迹。

三、虹

1637年，笛卡尔经过多年的理论研究和实验研究, 提出了虹的几何光学理论: 主虹是太阳光射人水滴经一次内反射之后以最小偏向角(138°) 出射之后形成的, 主虹的虹弧对反日点的角半径为42°；副虹(霓)是人射光在水滴内经两次内反射后以最小偏向角(130°)出射形成的, 角半径为51°，笛卡尔的几何光学理论解释了主虹、副虹和两者之间的亚历山大暗带，牛顿的色散理论进一步解释了虹的色彩形成的原因。

1801年杨氏将光的干涉理论应用于虹的解释，1811年，物理学家J.B.Biot最先发现了虹霓的偏振，利用菲涅尔公式可以算出主虹的偏振度为92.16%（λ=656.3nm），副虹的偏振度为80.52%（λ=656.3nm）。

1838年，经典的衍射理论被英国物理学家G.B.Airy应用于虹。 他应用惠更斯一菲涅尔原理到虹角附近和几何光学相联系的散射光的虚波前, 采用了类似于基尔霍夫近似的假定: 波前的光振幅恒定。结果是他的有名的“ 虹积分” , 它在虹现象中所起的作用类似于菲涅尔衍射中的菲涅尔积分。艾里得到的虹的光强度公式为：

I=4I0 4h θ3a2λ θR f2(z) 2式中a为水滴半径，λ为光波波长,θ为观察角,θR为虹角, I0为单位长度出射波前的光强度,,f(z) 称为虹积分, 又称艾里函数。对于主虹，

h=4(n2 1) (n2 1)

其中n为水滴的折射率，艾里的虹理论对主虹和副虹的强度及角位置，对亚历山大暗带可以给出正确的解释。艾里理论给出了虹的亮的一边光强的振荡现象，这对应于附属虹。

四、 宝光

宝光(俗称佛光) 是一种瑰丽神秘的大气光学现象,国内四川省峨嵋山、安徽省黄山、山东省泰山和陕西省华山等地, 均有宝光出现, 以峨嵋山为最多, 所以国内常称为峨嵋宝光, 国外则有“ 布罗肯幽灵”之称。虽然关于宝光现象的观察与记载可以追溯到东汉初年, 然而关于宝光的形成机理却令人困惑不解。 由 于宝光发生在反日点周围, 光环的色序与主虹相同, 又与雾虹常常同时发生, 国内至今仍有人试图象解释虹一样用几何光学解释宝光, 也有人试图象解释日(月)华一样, 用一般的衍射理论解释宝光.就人们现在所知, 宝光是太阳光沿切向人射到云雾前面的水滴上产生的后向散射光的干涉形成的, 它的基本特征(如光环的角半径和光强度分布, 以及第一暗环通常是模糊的等)不同于虹和华, 因此宝光的形成机理既不能用简单的几何光学予以解释, 也不能用通常的衍射理论来解释。

1957年，Van de Hulst 提出了一个假设：宝光是由擦着水硒表面人射到水滴, 并且经一次内反射之后紧贴在自身表面上迅速衰减的表面波产生的。这样路径的光线对宝光作出了有效贡献, 常被称为范德赫尔斯特贡献. 范德赫尔斯特的表面波理论是关于宝光的第一个有价值的定量化的标量散射理论。

本世纪70年代, 努森兹维格将复角动量理论应用于宝光现象, 揭示了宝光现象的物理本质. 宝光的复角动量理 …… 此处隐藏：1999字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……