第13章大气散射
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射 比红光强
红光散射 比蓝光强
所有色彩光 散射相同
历法年鉴： 同一月份的第二次 满月，并非蓝色。 平均约32个月出现， 我国 2012年8月2、31日 2015年7月2、31日
晚霞： 小气溶胶粒子 (0.1-1微米)
蓝月亮： 大气溶胶粒子 (>1 微米) once in a blue moon 千载难逢地
天色：蓝色
蓝光比紫光能量小得多 人眼对紫色的反应要低得多
瑞利（Rayleigh）解释天空蓝色 1871，弹性固体以太 1899，用麦克斯韦电磁理论，正确解释
天色：白色
天色：黑色
没有大气，没有 散射，天空黑色， 太阳白色 夜空黑色，因为 蓝光散射弱
3、米散射 球状粒子，球体介质均匀 古斯塔夫米（G. Mie） 洛伦兹（L. Lorenz） 德拜（P. Debye） 洛伦兹-米-德拜理论
黎卡提-贝塞尔（Riccati-Bessel）函数和与非 整数阶的贝塞尔函数Jn+1/2和J-n-1/2的关系为
散射效率因子
水滴在可见光波段
相函数 = 0.5 m
～10 m ～1 m ～10-4 m
大气气溶胶的散射削弱系数 实际大气中 n(a) 的变化很大
对分子散射，取 b = 4 。 对大颗粒的散射，b < 4 ，其数值根据大气 气溶胶或云滴半径而变。
46o 晕和幻日
类似22晕
小结 • 散射分类 • 描述散射的参数 • 瑞利散射与米散射的比较 • 光学现象 习题 13.2-13.6 本周习题：下周三上课交
实际应用中近似：
量纲分析
散射截面s 散射削弱系数
散射强度 普遍表达式，对尺度大于入射波长粒子也适用。
标准状况下
空气折射指数也与波长有关，修正
=0.52m的绿光， (0)=0.124，整层大气的透过率为0.883
观测者 波长→颜色 感知颜色3要素： 光、物体和观测者
天色：红色
s,0.425m / s,0.650m =5.5
第13章 大气散射
散射： • 位于电磁波路径上的粒子，通过这种过程 从入射波中连续地提取能量，并且将此能 量向各方向重新辐射出去。 • 粒子可以当做散射能量的点源。 粒子： 气体分子、悬浮尘埃、云滴、 雨滴、冰粒和雪花等
散射现象的解释 分子、粒子内含多个分立的电子和质子， 当电磁波照射到粒子后，正负电荷中心产生 偏移而构成电偶极子或多极子，在电磁波激 发下作受迫振动，向各方向发射次生电磁波， 就是散射辐射，其波长和原始波相同，并且 与原始波有固定的位相关系。
• 广义地说，散射因外部电磁辐射源的激发， 使物质发射辐射的过程。 • 这样，散射包含电磁波的反射、折射和衍射。 • 有时，散射限制在不包括镜面反射与折射。 • 如果散射辐射与入射辐射的频率没有变化， 称为弹性散射，否则就是非弹性散射。
1、散射过程 2、瑞利散射 3、均匀球状粒子的散射—米散射 4、几何光学散射
MIE散射的例子
4、几何光学散射 (x >50)
服从几何光学规律 斯涅尔定律(Snell law)
衍射现象
巴比涅(Babinet)原理 圆屏和圆孔一样 夫琅禾费(Fraunhofer) 圆孔衍射
J1：一阶贝塞尔函数 ：散射角
消光的光学定理 几何反射、折射：有效截面=几何截面 A 巴比涅(Babinet)原理：圆孔截面 = A
p 0 E 0
参考平面 （散射平面）
考虑自然光： 两个方向具有相同电场强度，并且两者之 间具有随意位相关系 散射波偏振强度分量：
瑞利推导的原始公式
相函数
极化率 洛伦兹—洛伦茨(Lorentz-Lorenz)公式
m：无量纲折射指数。实部（太阳光谱范围内的大气分子： 接近1）对波长依赖大，对应散射。虚部对应吸收性质。
瑞利散射
米散射
1.3 散射对辐射的削弱 体积散射系数、质量散射系数、指数削弱规律
消光（削弱、衰减）= 散射 + 吸收
对于不同大小的气溶胶散射粒子，如 a 为 粒子半径，n(a)da 表示单位体积中半径为 a 到 a+da 范围中的粒子数，则：
2、瑞利散射
瑞利散射(分子散射 x＜0.1 即 a ＜ 0.016 ) 考虑一半径比入射辐射（产生一均匀外加电场E0） 波长小得多的均匀各向同性小球粒子，外加电场将 在粒子上产生偶极子结构并造成粒子本身电场，得 到合成电场E。如果p0为感生偶极矩，应用静电学 公式，定义小粒子的极化率：
消光效率因子：Qe 如果没有吸收：Qe=Qs
雨：虹 • 雨滴大约 1 mm 直径 • 所有波长散射效率相同 • 雨散射在大部分方向是 白色 在某一方向，经由折射 和反射产生彩虹 蓝光比红光折射强
雾虹 毛毛雨：0.1毫米 不能 雾滴：0.05毫米
月光虹
22o 晕
围绕太阳或月亮的光晕（环） 与卷层云联系，冰晶折射引起
1、散射过程 1.1 散射过程的分类 尺度数
a：粒子半径
：辐射波长
a
散射图像：方向性图 瑞利散射
米散射
米散射
几何光学散射
多次散射
1.2 描述散射过程的参数
散射函数
也称 角散射截面：m2 sr-1
散射截面、散射效率
消光截面、消光效率
散射效率
吸收效率
单散射反照率、非对称因子
相函数
粒子某一方向散射能力与各方向散射 能力平均值的比值
红光散射 比蓝光强
所有色彩光 散射相同
历法年鉴： 同一月份的第二次 满月，并非蓝色。 平均约32个月出现， 我国 2012年8月2、31日 2015年7月2、31日
晚霞： 小气溶胶粒子 (0.1-1微米)
蓝月亮： 大气溶胶粒子 (>1 微米) once in a blue moon 千载难逢地
天色：蓝色
蓝光比紫光能量小得多 人眼对紫色的反应要低得多
瑞利（Rayleigh）解释天空蓝色 1871，弹性固体以太 1899，用麦克斯韦电磁理论，正确解释
天色：白色
天色：黑色
没有大气，没有 散射，天空黑色， 太阳白色 夜空黑色，因为 蓝光散射弱
3、米散射 球状粒子，球体介质均匀 古斯塔夫米（G. Mie） 洛伦兹（L. Lorenz） 德拜（P. Debye） 洛伦兹-米-德拜理论
黎卡提-贝塞尔（Riccati-Bessel）函数和与非 整数阶的贝塞尔函数Jn+1/2和J-n-1/2的关系为
散射效率因子
水滴在可见光波段
相函数 = 0.5 m
～10 m ～1 m ～10-4 m
大气气溶胶的散射削弱系数 实际大气中 n(a) 的变化很大
对分子散射，取 b = 4 。 对大颗粒的散射，b < 4 ，其数值根据大气 气溶胶或云滴半径而变。
46o 晕和幻日
类似22晕
小结 • 散射分类 • 描述散射的参数 • 瑞利散射与米散射的比较 • 光学现象 习题 13.2-13.6 本周习题：下周三上课交
实际应用中近似：
量纲分析
散射截面s 散射削弱系数
散射强度 普遍表达式，对尺度大于入射波长粒子也适用。
标准状况下
空气折射指数也与波长有关，修正
=0.52m的绿光， (0)=0.124，整层大气的透过率为0.883
观测者 波长→颜色 感知颜色3要素： 光、物体和观测者
天色：红色
s,0.425m / s,0.650m =5.5
第13章 大气散射
散射： • 位于电磁波路径上的粒子，通过这种过程 从入射波中连续地提取能量，并且将此能 量向各方向重新辐射出去。 • 粒子可以当做散射能量的点源。 粒子： 气体分子、悬浮尘埃、云滴、 雨滴、冰粒和雪花等
散射现象的解释 分子、粒子内含多个分立的电子和质子， 当电磁波照射到粒子后，正负电荷中心产生 偏移而构成电偶极子或多极子，在电磁波激 发下作受迫振动，向各方向发射次生电磁波， 就是散射辐射，其波长和原始波相同，并且 与原始波有固定的位相关系。
• 广义地说，散射因外部电磁辐射源的激发， 使物质发射辐射的过程。 • 这样，散射包含电磁波的反射、折射和衍射。 • 有时，散射限制在不包括镜面反射与折射。 • 如果散射辐射与入射辐射的频率没有变化， 称为弹性散射，否则就是非弹性散射。
1、散射过程 2、瑞利散射 3、均匀球状粒子的散射—米散射 4、几何光学散射
MIE散射的例子
4、几何光学散射 (x >50)
服从几何光学规律 斯涅尔定律(Snell law)
衍射现象
巴比涅(Babinet)原理 圆屏和圆孔一样 夫琅禾费(Fraunhofer) 圆孔衍射
J1：一阶贝塞尔函数 ：散射角
消光的光学定理 几何反射、折射：有效截面=几何截面 A 巴比涅(Babinet)原理：圆孔截面 = A
p 0 E 0
参考平面 （散射平面）
考虑自然光： 两个方向具有相同电场强度，并且两者之 间具有随意位相关系 散射波偏振强度分量：
瑞利推导的原始公式
相函数
极化率 洛伦兹—洛伦茨(Lorentz-Lorenz)公式
m：无量纲折射指数。实部（太阳光谱范围内的大气分子： 接近1）对波长依赖大，对应散射。虚部对应吸收性质。
瑞利散射
米散射
1.3 散射对辐射的削弱 体积散射系数、质量散射系数、指数削弱规律
消光（削弱、衰减）= 散射 + 吸收
对于不同大小的气溶胶散射粒子，如 a 为 粒子半径，n(a)da 表示单位体积中半径为 a 到 a+da 范围中的粒子数，则：
2、瑞利散射
瑞利散射(分子散射 x＜0.1 即 a ＜ 0.016 ) 考虑一半径比入射辐射（产生一均匀外加电场E0） 波长小得多的均匀各向同性小球粒子，外加电场将 在粒子上产生偶极子结构并造成粒子本身电场，得 到合成电场E。如果p0为感生偶极矩，应用静电学 公式，定义小粒子的极化率：
消光效率因子：Qe 如果没有吸收：Qe=Qs
雨：虹 • 雨滴大约 1 mm 直径 • 所有波长散射效率相同 • 雨散射在大部分方向是 白色 在某一方向，经由折射 和反射产生彩虹 蓝光比红光折射强
雾虹 毛毛雨：0.1毫米 不能 雾滴：0.05毫米
月光虹
22o 晕
围绕太阳或月亮的光晕（环） 与卷层云联系，冰晶折射引起
1、散射过程 1.1 散射过程的分类 尺度数
a：粒子半径
：辐射波长
a
散射图像：方向性图 瑞利散射
米散射
米散射
几何光学散射
多次散射
1.2 描述散射过程的参数
散射函数
也称 角散射截面：m2 sr-1
散射截面、散射效率
消光截面、消光效率
散射效率
吸收效率
单散射反照率、非对称因子
相函数
粒子某一方向散射能力与各方向散射 能力平均值的比值