Physics 版 (精华区)

发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Physics
标  题: 大气中的光现象(2)
发信站: 哈工大紫丁香 (Tue Aug  5 16:35:09 2003)



二、大气中光的折射现象
1．光在大气中的折射
      从光在介质中传播的路经来看，光具有直线传播的特性。光的传播方向可以
用射线来表示。当光线由一个介质进入另一个密度不相同的介质时，光线在两个介
质的界面上发生折射。
      当光在大气中传播时，大气又可以被看作是一种连续介质，光在大气中的传
播速度小于在真空中的传播速度，即大气折射率略大于1。大气折射率的大小取决于
大气的温度，压强和大气中水汽分子密度。一般情况下，大气折射率与1 相差很小
。实验表明，在地面附近，大气折射率随气象条件不同而变化于1.00026到1. 0004
6之间，在8到10千米高空，大气折射率为1.00011。
      在大气中，气压、温度、湿度的分布都是很不均匀的，而且也是不断变化的
。因此，大气折射率的分布和变化都是相当复杂的。在没有天气过程的气象条件下
，气象要素分布在水平方向上的变化远远小于垂直方向上的变化，通常可以认为大
气是水平均匀、垂直分层的介质。为了分析光在大气中的传播路径，我们设地球大
气是球面分层的，把整层大气分成很多足够薄的气层，各层内折射率假定为常数，
光线在层内是直线传播的。各相邻气层间的折射率有微小差别，光线在气层界面上
发生折射。
2．天文折射引起的光学现象
      当我们观察太阳、月亮或其它星体时，光线穿过整层大气而发生的折射称为
天文折射。在正常情况下，从大气外层射人的光线在进入大气层后的轨迹是一条弯
向地面的弧线。然而就人的主观感觉来讲，认为光线是沿直线传播的。天体的真实
方向与视方向之间的夹角称为蒙气差。
      由于大气的折射，日出时，实际上在太阳未达到地平线之前，我们已经可以
看到太阳了，而在日落时，太阳刚刚落到地平线以下时，我们还能看到它。在中纬
度地区，由此而使白昼增长8 ～12分钟，在高纬度地区更长些。而且当太阳位于地
平线附近时，由于太阳视直径为31' 59”，下部边缘受大气折射抬升了35' 24" 而
上部边缘只抬升29' 左右，相差约6' ，太阳在水平方向上视直径受大气折射影响很
小，于是，此时太阳看起来就成扁圆形了。 当星体位于地平线附近时，从望远镜中
还可以看到在星体的垂直方向上形成下红上紫的彩色光带，这是由于大气折射出现
的色散现象。当然，大气的色散作用是很微弱的，往往在地平线附近才明显。
      我们还会经常看到星光的位置和亮度不断发生变化，出现闪烁现象。这是因
为大气中存在着乱流运动，这种运动使大气中有着很多不断变化着的、折射率与周
围大气很不相同的微小气块，当光线经过这些小气块时，光线传播的方向与强度都
会发生瞬时变化，使我们感到星光在闪烁，有时亦可看到颜色变化。星光闪烁程度
反映了大气的物理状态，当有强烈冷暖气流垂直运动时，闪烁现象特别显著。因而
有“星星眨眼，下雨不远”的天气谚语。
3、地面折射引起的光学现象
       当我们观察大气圈内的目标物时，大气对光线的折射称为地面折射（或称地
文折射）。由于大气下层，尤其在近地面层内，大气密度分布复杂多变，因此会形
成多种多样的折射现象。一般来讲，大气对可见光的折射率主要受大气中各层空气
密度的影响，空气密度越大，折射率也就越大，而空气密度取决于气压和温度条件
，当气压升高，温度降低时，空气密度会增大，折射率也就会较大。
      在正常情况下，大气中气压是随高度升高而减小的，这种变化有比较稳定的
规律，然而气温随高度的变化是复杂多变的，尤其在接近地面的1～2千米以内，有
时温度随高度的上升而降低得很快，有时也会出现逆温。 大气中，空气密度随高度
都是逐渐变化的，大气折射率也是连续变化的，因此，光线在大气中发生折射时，
只会形成一条光滑的曲线，这条曲线弯曲的方向总是弯向密度大的气层，因此。在
一般情况下，大气下层空气密度大于上层空气，光线呈现出向下弯曲的形状，只有
在负折射时光线才会向上弯曲。
      地面折射最典型的现象就是蜃景，当光线由于大气折射作用而向下弯曲时，
我们能看到那些在地平线以下，我们本来看不到的远处景物，这些景物的映像位于
真实景物之上称为上现蜃景。
      当接近地面的大气层内温度分布出现逆温时，上层空气温度高于下层空气温
度，使空气密度由地面向上迅速减小，光线向下弯曲非常显著，我们会感到地面上
的树木，楼阁，好像出现在空中，这种情形往往出现在冷海面上，尤其在冷洋流流
到暖空气下面时就很容易出现“海市蜃楼”的景像。
      在炎热的沙漠上，强烈的阳光照射使地面温度很高，在无风的时候，大气中
温度垂直递减率很高，以至超过了3.41°C/100米，出现负折射现象，光线向上弯曲
，我们看到的物体的影像将会低于实际物体，称为下现蜃景。这种情景也会发生在
冷气团流经暖洋流水面上，或夏天炎热的柏油路面上。
      显然, 只有在较大范围气层内大气折射率稳定的情况下，蜃景才能稳定出现
，无风或仅有微风是蜃景形成的条件，然而，大气总会有运动，尤其在温度递减率

很大时大气处于不稳定状态，这时会出现蜃景的变幻不定，景色奇异，时隐时现，
而当有大风之后上下层空气加强交换，蜃景就会消失了。
      地面折射对使用光学方法进行定位和测距的工作带来严重影响，在用激光雷
达，微波雷达进行大气探测时，大气折射也是误差产生的重要原因，因此，测值必
须根据大气状态进行必要的订正。
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