可見光、紅外線和紫外線在大氣中的傳播。光波在大氣中傳播時，受到大氣的吸收、散射、折射和閃爍等影響，影響程度與光 波波長有密切關係 。
基本介紹
- 中文名：光波傳播
- 外文名：light wave propagation
- 含義：可見光等在大氣中的傳播
- 影響因素：大氣的吸收、散射、折射和閃爍
綜述,分類解釋,紅外線,可見光,紫外線,大氣中的傳播,強度起伏,相位起伏,光束擴展,
綜述
light wave propagation
紅外線波長範圍為 0.70微米～1毫米，是介於無線電波和可見光之 間的相當寬 的重要波段。其中300微米～1毫米區域的波又稱為亞毫米波，有時也被劃入無線電波的範圍。大氣對紅外輻射傳輸的影響，主要表現為吸收和散射。大氣對紅外輻射的吸收，主要是由大氣中的水蒸氣、二氧化碳和高層大氣中的臭氧分子所造成 。可見光波長範圍為380～700納米。地球大氣對可見光是透明的，散射、折射和閃爍是可見光在大氣傳輸中的重要現象 ，同時還須考慮色散和某些吸收。可見光的波長比較短，瑞利散射的作用變得很重要，而且藍色光的瑞利散射比紅光更為強烈 ，因而天空看起來經常 是蔚藍色的 。紫外 線波長範圍為10～380納米 ，大氣對紫外線的吸收非常強烈 ，只對波長為300納米以上的近紫外 線才允許有一 定程度的透過。對於300納米以下的紫外線，大氣幾乎是完全不透明的。
分類解釋
紅外線
波長範圍為0.70微米～1毫米,是介於無線電波和可見光之間的相當寬的重要波段。其中 300微米～1毫米 區域的波也稱為亞毫米波,有時也被劃入無線電波的範圍。大氣對紅外輻射傳輸的影響，主要表現為吸收和散射。大氣對紅外輻射的吸收，主要是由大氣中的水蒸汽、二氧化碳和高層大氣中的臭氧分子造成的。這些分子振動和轉動能級之間的躍遷，在紅外區造成一系列的強吸收帶。例如，水蒸汽在2.7微米和6.3微米等處有強吸收帶;二氧化碳在4.3微米和15微米等處有強吸收帶；而它們的不太強的吸收帶則分布在整個紅外輻射區域。另外，大氣中少量的CH4、N2O和CO分子對紅外吸收也有重要作用。
光波傳播
光波傳播這些大氣分子的強烈吸收使大氣對紅外輻射的大部分區域是不透明的，只有在某些特定的波長區，紅外輻射才能透過。這些特定的波長區稱為紅外輻射的“大氣視窗”，它們幾乎都集中在25微米以下的近紅外和中紅外區域，附表表示這些大氣視窗的位置。
除這些重要的大氣視窗以外，在波長為 300微米和600微米附近區域，大氣也呈現出某些透過特性。
可見光
波長範圍為380～700納米。地球大氣對可見光是透明的，散射、折射和閃爍是可見光在大氣傳輸中的重 要現象，同時還須考慮色散和某些吸收。可見光的波長比較短，瑞利散射的作用變得很重要，而且藍色光的瑞利散射比紅光更為強烈，因而天空看起來經常是蔚藍色的。
光波傳播
光波傳播折射發生在光束從一種介質進入另一種介質的時候。星光或太陽光從外層空間進入大氣層時，會發生折射現象。大氣的密度和溫度隨高度的不同而不同，因此，光的折射率也隨高度而有所不同。大氣折射指來自天體的輻射在不均勻大氣的折射下連續彎曲的過程，這個現象也稱蒙氣差。大氣折射使光線偏向天頂，偏離的大小隨入射光線天頂角的增大而增大。當天頂角為75°時，蒙氣差可達4′左右。大氣的折射率與波長有關，因此，大氣折射對不同顏色的光有不同的值。這就是大氣的色散效應，在天體測量中應加以考慮。
在可見光區也有不少大氣分子（或原子）的吸收帶，但不象在其他區域那樣強烈。吸收和散射都使傳輸光束的強度減弱，大氣消光就是指這種光束在大氣中傳輸時的強度衰減現象，可用消光係數來表示其大小。消光係數是大氣條件和波長的函式。
閃爍和抖動等是光束在湍流大氣中傳輸時的重要現象。大氣湍流是由於溫度、濕度、壓強和密度的不均勻性造成的。湍流大氣的折射率隨時間和空間而隨機變化，使傳輸光束截面內各點的強度也發生隨機起伏。這種現象稱為閃爍。從地面看到星星閃爍，就是這種現象。此外，湍流大氣還使傳輸光束的傳播方向、相位和偏振等發生抖動。傳播方向和相位的抖動會使光斑的位置發生抖動，並使光斑的形狀也隨時變化，這對天文觀測有極為重要的影響。天文大氣寧靜度描述的就是湍流大氣的這種性質對成像質量的影響，常是限制地面天文觀測獲得高空間解析度的關鍵因素。大氣湍流效應對紅外輻射和紫外線傳輸也有重要影響。
紫外線
波長範圍為10～380納米,大氣對紫外線的吸收非常強烈,只對波長為300納米以上的近紫外線才允許有一定程度的透過。對於300納米以下的紫外線,大氣幾乎是完全不透明的。
大氣中的傳播
光波在大氣中的傳播過程，除了受到氣體分子、雲霧降水和氣溶膠粒子的散射和吸收以外，還受到大氣折射率不均勻的結構（湍流區）的散射。大氣折射率不均勻的結構，使光波的側向散射和後向散射都比較弱，而前向散射則比較強。當接收器沿光線對準光源時，前向散射波的隨機變化，使接收到的光波，無論振幅或相位等參數，都產生隨機起伏，這些現象，統稱為光波傳播的湍流效應。它們包括：①強度起伏，②相位起伏，③光束擴展。
強度起伏
又稱閃爍，如星光閃爍和雷射閃爍等。它是由光波振幅的隨機變化所引起的，通常用對數光強的起伏來表征。按電磁波在湍流大氣中傳播的小擾動近似理論(見電磁波在湍流大氣中的傳播)，在局部各向同性的均勻湍流場中（見大氣湍流，對數光強起伏的方差為αC娾kl，其中C娾為大氣折射率結構常數，k為光的波數；l為傳播路徑長度。係數α與波束的類型有關：對於平面波和球面波,α分別為1.23和0.50;對於雷射束狀波，α 介於此兩者之間。在非各向同性的不均勻湍流場中，對數光強方差和湍流強度與路徑的分布有關。實驗發現,對數光強方差有和湍流強度相對應的日變化,一般在夜間較小,白天較大。但當達到2.5這一臨界值以後，不論湍流如何加強,傳播的路徑如何延長,此方差都逐漸趨於常數，甚至還有下降的趨勢。這個現象叫作閃爍的飽和效應。加大接收孔徑,可以有效地減輕閃爍效果,這就是閃爍的孔徑平滑效應。光強起伏的空間相關函式與路徑上的湍流狀態有關。閃爍的頻譜與傳播路徑上風速的橫向分量有關, 主要的頻譜成分集中在1～100赫茲低頻範圍。
