大气中的光学现象

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
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 > 103 cd ·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< 103 cd ·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
3a 2 λ 4h θ −θ R
2 3
f 2 (z)
式中a为水滴半径，λ 为光波波长,θ 为观察角,θ R 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(n 2 −1)
9
4−n Baidu Nhomakorabea (n 2 −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. 宝光的复角动量理论揭示出, 宝光是下列物理因素的结合而 产生的:1.从水滴的边缘区域人射的光； 2.几乎完全内反射的结果和最主要的一 些德拜项的贡献, 以及轴向聚焦的增强效应； 3.正交偏振效应； 4.来Regge-Debge 极点的表面波的贡献；5.在θ =π 二附近形成的高级虹暗区复光线的贡献；6.与 封闭或接近封闭的准周期轨道相联系的几何共振；7.各种衰变( 表面波的辐射， 衰变, 在虹的焦散曲线暗区的复光线的衰变和内反射的衰变等)之间的相互竞争 等。 参考文献： [ 1] 胡波1 物理[ J]. 北京: 科学出版社, 1990, ( 10). [2] 李景镇. 光学手册[M]. 山西: 山西科技出版社, 1986. [3] 母国光, 战元龄. 光学[M]. 北京: 高等教育出版社,1987.