大氣光學（atmospheric optics）是研究光通過大氣時的相互作用和由此產生的各種低層大氣的光學現象的一門學科，是大氣物理學的一個分支。大氣光學一方面把大氣當作一種連續介質，研究電磁波在介質中傳播時速度隨介質密度改變而發生的反射和折射等現象。另一方面把大氣當作由空氣分子、氣溶膠和水汽凝成物組成的混和物，研究由于這些粒子對電磁波的吸收、散射和偏振等所引起的光學現象。
在古代，人們通過對大氣光學現象的觀察，得出“朝霞不出門，晚霞行千里”的經驗，便是對大氣光學的應用。在現代，大氣光學的發展隨著對光學研究的逐漸深入而產生。19世紀末，英國科學家J.W.S.瑞利（J.W.S. Rayleigh）在研究天空顏色時建立起瑞利散射理論，解釋了氣體分子遠遠小于可見光的波長時發生的光學現象。20世紀初，德國科學家古斯塔夫·米（Gustav Mie）建立米散射理論，解釋了微粒尺度接近可見光波長時發生的現象。20世紀60年代，激光的出現使大氣遙感得到迅速發展；而大氣遙感技術要求人們進一步了解大氣光學特性和大氣光學規律，于是大氣光學也得到迅速發展。
大氣光學的基礎理論源于光的吸收、散射、色散等基本理論。其主要研究內容為大氣光學基本規律，例如大氣散射與折射等；大氣光學特性，例如大氣吸收、大氣消光、大氣能見度、大氣渾濁度等；以及大氣光學現象，例如曙暮光、朝晚霞、霾、虹等。大氣光學的研究成果被廣泛應用在環境科學、天氣預報、天文、航空，遙感等許多方面。比如，通過對大氣氣溶膠的光學厚度進行觀測實驗，實現對區域內的大氣污染情況進行監測。通過收集大氣光學數據，進行天氣預報。通過對大氣光學特性進行檢測，進而設計出符合實際場景的遙感通信設備。
發展歷程
在某些天氣現象出現之前，經常會產生對應的大氣光學現象，所以自古代開始，人們就通過觀察大氣光學現象來預測天氣。中國民間有諺語：“朝霞不出門，晚霞行千里”，就是通過對大氣光學現象進行觀察得出的結論。除此之外，中國古代典籍中還有許多關于海市蜃樓，暈、寶光環的記載。
現代對于大氣光學的研究，是隨著對光學研究逐漸深入而產生的。19世紀末，英國科學家J.W.S.瑞利（J.W.S. Rayleigh）在研究天空顏色時，發現大氣層中的氣體分子遠遠小于可見光的波長，而這種尺度的微粒對不同顏色光的散射強度是不同的。紅色波長較長，被散射的強度弱，而藍紫色波長短，被散射強度強，所以大氣氣體分子將可見光中的紅光濾掉，剩下藍紫光。加之人眼對紫色不敏感，所以人眼看到的天空是藍色的。瑞利根據自己的研究建立起瑞利散射理論。
20世紀初，德國科學家古斯塔夫·米（Gustav Mie）進一步研究后發現，大氣層中的灰塵、水珠等大微粒尺度接近可見光波長，這種微粒導致的散射的光強在各個方向不對稱，塔夫·米根據自己的研究建立起米散射理論。瑞利散射與米散射綜合起來能解釋大部分大氣光學現象。
20世紀60年代，激光的出現使大氣遙感得到迅速發展。而大氣遙感技術要求人們進一步了解大氣光學特性和大氣光學規律，于是大氣光學也得到迅速發展。
基礎理論
光的吸收
光的強度隨著進入介質的深度而減少的現象，被稱為介質對光的吸收。電磁波在任何介質中傳播時，其能量都會被介質吸收走一部分，完全沒有能量吸收的絕對透明介質是不存在的。通常，在均勻介質中，一薄層介質所吸收的光能與單射光強及該層介質的厚度成正比。該理論由布格爾（Bou8uer）在1729年提出，稱為布格爾定律。1760年朗伯（Lambert）又對該理論進行詳細說明，于是又被稱為朗伯定律。
有些物質對各種波長的光的吸收程度幾乎相等，這種吸收被稱為一般吸收。例如空氣、純水、無色玻璃等。而有些物質對不同波長的光的吸收程度不同，這種吸收被稱為選擇吸收。例如，綠色玻璃就是對白光中的紅色和藍色光吸收強，而對綠色光吸收弱。讓具有連續光譜的白光通過吸收物質后再經光譜儀分析，就可以將不同波長的光被吸收的情況顯示出來，形成吸收光譜。每一種物質能選擇吸收的波長是特定的，它反映了物質本身的特性。
光的散射
由于介質中存在的微小粒子或分子對光的作用，使光束偏離原來的傳播方向而向四周傳播的現象，稱之為光的散射。例如，當光束通過渾濁的液體或穿過灰塵彌漫的空間時，就可在側面看到光束的軌跡。一般按散射粒子的大小把散射分為兩類：散射粒子的尺度在1/5波長以下的稱為瑞利散射。散射粒子的尺度與光波波長同數量級的稱為大粒子散射或米氏散射。
瑞利散射具有以下特點，散射光強與波長四次方成反比，粒子前半部和后半部的散射光通量相等，前向和后向的散射光最強，比垂直方向散射光強一倍。米氏散射的散射強度比瑞利散射大得多，但散射強度隨波長的變化不如瑞利散射那樣劇烈。同時散射光強隨角度變化出現許多極大值和極小值，當尺度參數增大時，極值的個數也增加。并且當尺度參數增大時，前向散射與后向散射之比增大，使粒子前半球散射增大。
光的色散
光在真空中以恒定的速度傳播，并且速度與光的頻率無關。而光在通過介質時，光的速度發生變化，且不同頻率的光在同一物質中的傳播速度不同。不同波長的光在同一種介質中具有不同的折射率，這種現象稱為光的色散。1672年，牛頓利用三棱鏡把日光分解為彩色光帶，就是利用了光的色散效應。
將同一介質的折射率與光的波長之間的函數關系繪制成曲線，被稱為色散曲線。當介質滿足折射率隨著光波長的增大而減小，色散率隨著波長的增大而減小，波長很長時色散率趨近于零三個特征時，被稱為正常色散。將物質折射率的測量范圍擴展到物質對光存在強吸收的區域時，形成的色散曲線與正常的色散曲線不同，這種情況被稱為反常色散。
研究內容
大氣光學是物理學的一部分，大氣光學的研究基于光學的基礎理論，但又有所延伸。大氣光學主要分為三項研究內容，一是大氣光學基本規律的研究，例如大氣折射、大氣散射等。二是對大氣光學特性的研究，例如大氣消光、大氣吸收、大氣能見度、大氣渾濁度、大氣透明度、天空亮度等。三是對大氣光學現象的研究，例如曙暮光、朝晚霞、虹、暈、華等，研究這些光學現象的成因和他們與天氣之間的關系。
大氣光學規律
大氣散射
大氣散射是光同大氣分子或氣溶質等發生相互作用，使單射能量以一定規律在各方向重新分布的現象。其實質是大氣分子或氣溶膠等粒子在入射光的作用下產生電偶極子或多極子振蕩，并以此為中心向四周輻射出與入射光頻率相同的子波，即散射波。散射波能量的分布同入射光的波長、強度以及粒子的大小、形狀和折射率有關。在研究大氣散射時，可以按照粒子與入射波波長相對大小的不同，采用不同的處理方式。當粒子尺度比波長小得多時，可采用瑞利散射公式，當粒子度與波長可相比擬時，要采用米散射公式。
大氣折射
大氣折射是指光在密度不均勻的大氣中傳播時路徑發生曲折的現象。大氣折射率和空氣密度成正比，一般隨高度升高而變小。大氣折射可分成天文折射和地球折射兩類。天文折射是指來自地球之外的光線在大氣中的屈折現象。由于地球大氣層上稀下密，其他天體的光會在地球大氣中逐漸彎曲，導致觀測到的天體位置比實際高。而地球折射是指在大氣內部的目標發出的光線的屈折現象。由于大氣密度隨高度的變化明顯，會導致人們從高處遠眺時，看到的地平線比實際高一些和遠一些。由于大氣折射會使觀測出現偏差，所以在天文觀測和大地測量學中，都需要依據大氣折射理論對觀測結果進行修訂。大氣折射率和光的波長有關，光在大氣中傳播時會因折射率不同而出現各種顏色，這種現象被稱為大氣色散。大氣空氣濕度對光的折射率影響很小，經常忽略。
大氣光學特性
大氣吸收
大氣吸收是指光波在大氣中傳播時，光被大氣中各種氣體成分吸收。根據大氣對不同頻率的光的吸收情況，可以繪制出大氣吸收光譜。水汽、二氧化碳和臭氧等能將光能轉變成熱能和電離能，故而引起大氣的物理和化學狀態的變化。光在通過大氣到達地面的過程中，大氣層對光的吸收、散射以及反射等作用都會對光造成削弱，衡量這種削弱程度的參數叫做大氣吸收系數，一般用如下公式表示：
為大氣吸收系數；為光進入大氣時的光通量；為光到達地面時的光通量。
大氣消光
大氣消光是指光波在大氣中傳播時，受氣溶膠和氣體分子的散射和吸收而減弱的現象，也被稱為大氣衰減。光在傳播路徑上能量不斷消耗，在線性范圍內，可以用Beer定理計算：
式中，為光學深度，為消光系數，消光系數由大氣吸收因子和大氣散射因子相加而得。在應用中，要根據工作地點的大氣情況選擇合適的大氣吸收因子和大氣散射因子，以便計算消光系數后，根據實際需要選擇工作波段。
大氣能見度
大氣能見度是指視力正常的人能從背景（天空或地面）中識別出具有一定大小的目標物的最大距離。按觀測者與目標物的所在高度不同分為水平能見度、斜視能見度和鉛直能見度三類。大氣能見度與航空、航海、陸上交通、高空攝影、天文觀測以及軍事行動等都有直接關系，是表征大氣光學性質的常用要素，在實際觀測中分為10個等級。
大氣渾濁度
大氣渾濁度能反應無云大氣鉛直氣柱中氣溶膠散射造成的消光程度。直氣柱中氣溶膠含量越大，大氣渾濁度越大。大氣渾濁度的定義有兩種。一種定義是鉛直氣柱中氣溶膠構成的光學厚度，另一種定義是鉛直氣柱中實測氣溶膠和分子消光的總光學厚度與分子消光的光學厚度之比。大氣渾濁度會隨季節和地理位置而發生變化，研究大氣渾濁度對考察氣溶膠的分布與輸送、大氣污染程度等有一定參考價值。
天空亮度
天空亮度是指天空反射太陽光的強度，同所處方向和高度有關。在給定高度上某方向的天空亮度，是從觀測點沿該方向直至大氣頂，單位立體角內的空氣對觀測點上同該方間垂直的平面上單位面積的照度。天空亮度的全天空積分，等于散射光形成的地面照度。天空亮度對航空、航海、攝影、天文觀測和其他通過大氣進行的光學遙感等，都有直接關系。通常認為，太陽所在的半個天空比較明亮，偏離太陽方位 90°的地方，亮度最小。太陽視高度愈低，天空亮度愈小。太陽方向附近，天空亮度會大為增加。
大氣光學現象
大氣光學現象，簡稱大氣光象，是指在太陽和月球等自然光源的照射下，由于大氣分子、氣溶膠和南岳云霧茶降水粒子的反射、折射、衍射、散射等作用而引起的一系列光學現象。這些光象包括曙暮光、朝晚霞、虹、暈、華、寶光環、海市蜃樓和星光閃爍等。大氣光象往往是某種大氣狀態的反映，因此研究大氣光象對于了解大氣狀態和天氣預報有一定的作用。
曙暮光
當太陽位于地平線以下時，陽光仍可照射到大氣的高層，由于高層大氣分子對日光的散射，地面存在一定的照度，這種情況天空中的光被稱為曙暮光。在日出前稱為曙光，日落后稱為暮光。在日落后，隨著太陽在地平線以下的角度越來越大，暮光輝越來越暗。反之，在日出前，曙光會隨著太陽的升起而逐漸增強。在曙暮光減弱到無法進行戶外活動時，就是曙光的開始或者暮光的終結。曙暮光在赤道持續的時間最短，持續時間隨著緯度的升高而升高。通過對曙暮光亮度、偏振度、色彩的觀察，可以推斷大氣密度和氣溶膠的分布情況。
朝晚霞
在日出前和日落后，太陽附近的天空中出現的色彩繽紛的現象，被稱之為朝晚霞。出現在早晨被稱之為朝霞，出現在傍晚被出現在晚霞。太陽距離地平線越遠，朝晚霞越淡，扇形區域越大。隨著太陽靠近地平線，朝晚霞會逐漸變濃，扇形也會縮小。當曙光出現時，朝霞開始出現，當暮光消失時，晚霞也會消失。空氣中的水汽和灰塵含量越高，朝晚霞的現象越紅。朝晚霞是在大氣分子、氣溶膠分子、水汽凝成物等物體對太陽光的散射和衍射的綜合作用下形成的。
霾
當直徑很小的氣溶膠分子濃度較大時，對太陽光造成的散射現象被稱之為霾。霾出現時，大氣渾濁，呈現乳白色，能見度低到10公里以下。望向遠方時，猶如隔著一層薄幕。當背景暗淡時，薄幕呈現淺藍色。當背景明亮時，薄幕呈現淡黃色或者紅色。
虹
當陽光射入水滴，經折射和反射而在雨幕或霧幕上形成的彩色或白色光環，稱為虹。虹的色序排列為內紫外紅，被稱為主虹。在主虹的外側能觀察到另一個同心光環，被稱為霓，又稱為副虹。副虹的色序與主虹相反，外緊內紅。
通常雨滴越大，虹越鮮艷明亮。當雨滴平均直徑在1-2毫米時，紫和綠光環特別鮮明，紅光環也很純凈，但藍光環幾乎消失，而在主虹內側出現好幾條色帶較窄的紫和綠交替排列的附屬虹。當雨滴平均直徑為0.5毫米時，紅光環的亮度大為減弱，附虹較少。當雨滴平均直徑為0.2-0.3毫米時，不出現紅光環，其余的光環卻很清晰，虹帶顯得寬些，附屬虹的數目也較多，且顯黃色。當雨滴平均直徑為0.08-0.1毫米時，虹帶較寬較淡，只有紫色較顯著，附屬虹呈白色。當雨滴平均直徑小于0.08毫米時，主虹已無彩色，僅出現清晰的白光環而已。當雨滴平均直徑小于0.05 毫米時，則出現淡白光環，亦稱白虹。由于在同一時刻，空中雨滴的大小并不會完全一致，即使在同一虹中，甚至同一彩色光環中，它的顏色、亮度都會有變化。因此能夠根據虹的色彩變化，大致估計雨滴的大小。
暈
由懸浮在大氣中的冰晶對日光或月光的折射和反射作用而形成的一組光學現象被稱為暈，暈經常呈現環狀，弧狀，柱狀、亮點狀。近幻日、遠幻日、近幻日環、環天頂弧、環地平弧、內暈珥、日柱、反假日等現象均為暈的不同形式。除太陽光外，月光也能形成相應的暈象，暈象經常是壞天氣的征兆。
華
當天空有薄云存在時，能透過云層在太陽或月亮周圍看到的彩色光環，這種現象被稱為華。華的色序為內紫外紅，最多可重復出現三次。最靠近華發光體的光環叫華蓋，華的內側呈白色或青白色，中間是黃色，外緣雖紅褐色。
光通過大小和光波波長相當的小孔或縫隙等微小障礙物時，會發生衍射。華就是由日光或月光在云中水滴或冰晶間發生衍射而生成的。云層水滴越小，光環越大。能根據華的彩環張角，大致估計云層水滴的平均大小。
蜃
由于大氣劇烈的溫度梯度，會使光線發生顯著折射，此時在空中或地平線下出現的奇異幻景，被稱為蜃。蜃常常出現在雪原、寒冷海洋等地區，因為這些地區地面冷，上方熱，大氣溫度變化顯著。大氣的折射作用使地面實物的景象向上抬升而顯示在空中，甚至能看到地平線以下的景物。蜃也經常出現在由于暴曬而強烈增溫的水域陸地、海濱和公路等上空。此時地表熱，上方冷，高層空氣的密度比低層大，使地上實物的景象下降到地面之下。
相關學科
大氣光學是基礎應用學科，任何在大氣中應用的光學(包括激光、紅外)工程，都會受到大氣影響，其所在的學科就與大氣光學相關。例如，大氣輻射學、大氣遙感學、非線性大氣光學等。大氣光學研究的大氣光學現象與天氣相關，所以大氣光學與森林氣象學、醫療氣象學、水文氣象學、建筑氣象學、航海氣象學、航空氣象學等學科也有關聯。
大氣輻射學
大氣層是遙感信息傳輸的必經介質，光輻射在大氣傳輸過程中會與大氣發生一系列的相互作用，包括大氣折射、吸收與散射、湍流效應等，從而導致其傳輸特性的改變。通過對大氣光學、物理特性參數的觀測研究以及對目標/背景/大氣輻射傳輸綜合表征的研究，就可以對大氣的影響做出準確的計算。大氣輻射學是大氣科學中的分支學科，主要研究大氣中輻射傳輸的基本規律和物理過程，以及地球大氣系統的輻射能量收支問題。地球大氣系統能量的主要來源是太陽的輻射能，它從根本上決定了地球、大氣熱狀態，從而成為制約大氣運動和其他大氣過程的能量，是產生各種大氣物理、大氣化學過程和天氣現象的根本原因，也是氣候形成的重要因子之一。
非線性大氣光學
非線性大氣光學是近代大氣光學中的一個分支，主要研究強激光與介質相互作用的非線性現象。當弱激光在大氣中傳輸時，大氣的狀態通常是不受激光影響，但當激光束的能量(或功率)增大到一定程度后，被照射的大氣狀態將發生改變，狀態改變后的大氣反過來進一步影響激光束的傳輸。這種非線性效應出現后，會嚴重限制強激光的傳輸和激光工程的作用，因此這些非線性效應的形成機理、物理性質以及如何抑制其產生成為了非線性大氣光學的主要研究內容。
氣象學
氣象學是研究大氣的構造、特性及大氣中所發生的各種物理過程和現象的科學，分為大氣物理學和大氣化學兩大分支。大氣物理學從物理學方面來研究大氣中的物理過程和現象，揭露這些過程和現象發展的物理定律，大氣光學、大氣聲學、大氣電學、大氣動力學、大氣熱力學等都與其有這密切的關系。隨著氣象學的細化，現代氣象學的分支雖大大增多了，例如森林氣象學、農業氣象學、水文氣象學、建筑氣象學、航海氣象學等。
應用
環境檢測
大氣光學的研究成果被廣泛利用在環境科學領域。通過對大氣氣溶膠的光學厚度進行觀測實驗，能夠得到大氣光學特性的相關數據，從而得到氣溶膠光學特性分布特征，對區域內的大氣污染情況進行監測，并根據實際情況提出解決方案，從而改善地區空氣質量。2000年前后，安徽光機所根據大氣光學理論研發出車載式測污激光雷達，二氧化硫自動監測儀等設備，監測并獲得大量大氣氣溶膠和氣體成分的觀測數據。
天氣預報
在計算天氣預報時，需要通過遍布全球的氣象站點采集觀測數據，觀測范圍從幾千米的高空到地面。氣象數據兼具時間和空間特性，其主要包括地面氣象數據、高空氣象數據、海洋氣象數據、氣象輻射數據、農業氣象和生態氣象數據、數值預報數據、大氣成分數據等。大氣成分數據又分為大氣物理數據，大氣化學數據和大氣光學數據，所以根據大氣光學推測大氣狀態的理論被廣泛應用在天氣預報中。
天文
在進行天文觀測時，恒星星光需要穿過大氣層在CCD圖像傳感器上成像，而恒星星光在經過大氣層時會發生折射，導致成像不準確。利用大氣光學研究的大氣規律，可以對這一偏差進行修正。同時，在不同大氣渾濁度下，天文觀測效果也有不同。天文觀測結果要根據當時的大氣光學特性進行補償。
航空
航空器的通信鏈路經常采用激光進行，而激光在大氣中傳播時會受到大氣吸收、大氣散射等大氣特性的影響。在設計激光通信通道時，需要綜合大氣光學的各種基本規律和特性，采用合適的波段來進行通信。激光在大氣中傳輸衰減的主要是由大氣光學散射效應引起的，而大氣光學散射引起的衰減與海洋水平能見度有關。
遙感
光波在大氣中傳輸時，其強度和光譜特性會發生變化。大氣光學遙感就是利用這些變化反演大氣的成分和狀態。利用太陽光等自然光源和激光等人工光源的大氣光學遙感，分別稱為被動遙感和主動遙感。在無云的白天，通過測量所選波長的太陽直接輻射的相對輻射通量密量，可以得到氣溶膠光學厚度、臭氧總量和水汽含量。由不同波長的大氣光學厚度還可以反演得到氣溶膠的尺度譜分布。得到氣溶膠分布，對環境治理，天氣預測等領域均有應用。
研究意義
大氣光學研究的是光和大氣相互作用的規律，而基于大氣光學理論，發明出的米散射激光雷達可以探測煙塵、云霧、降水和能見度，利用拉曼散射或吸收原理的激光雷達可以探測大氣溫度濕度和氣壓的廓線。利用激光探測技術形成的空間分辨率很高，徑向分辨率可達幾米。同時推動了全球性的臭氧、平流層氣溶膠觀測協作網發展，發展出由外層空間進行的激光大氣探測的技術。大氣光學為激光測污和痕量雜質的探測提供了新的技術途徑，對為激光測污和痕量雜質的探測提供新的技術途徑。
參考資料 >