研究光（包括紫外、可見和紅外）通過大氣時，因光的吸收、散射、折射、反射、衍射、偏振產生的許多物理現象以及利用這些物理現象來反演大氣特性的一門光學學科分支。因為大氣光學和許多光學（包括紅外鐳射）工程的研製有密切的關係，所以它在國民經濟和國防建設中都有重要地位。大氣光學目前研究的範圍主要包括以下幾個方面。
大氣中的光現象 是指發生在大氣中肉眼所能直接感覺到的光現象。它可以分分為三類：①光在大氣中的折射引起的光現象。當光線入射到低層大氣時，由於光線折射，改變瞭徑跡，這樣在水平面以上，天體和物體的實際高度角與測出的高度角有明顯的差異，即所謂天文折射和地球折射現象。圖1是天文折射的示意圖。一旦大氣密度出現異常分佈，使來自遠處目標物的光線在另一高度發生全反射，那麼除能看到本身實物外，還可以看到它的反射像。它可能是直立的，也可能是倒立的。前者稱上現蜃樓（圖2），後者稱下現蜃樓（圖3），總稱為“海市蜃樓”。②大氣散射引起的光現象。天穹色彩的變化是大氣散射引起的光現象之一。在清潔大氣中，起主要散射作用的是大氣氣體分子的密度漲落。分子散射的光強度和入射波長4次方成反比，因此在發生大氣分子散射的日光中，紫、藍和青色彩光比綠、黃、橙和紅色彩光為強，最後綜合效果使天穹呈現藍色。當大氣十分渾濁、大氣中懸浮粒子（即氣溶膠）大量增加時，起主要作用的是米氏散射（見光的散射）。米氏散射與入射波長依賴關系不明顯，因此天穹呈現青灰色，在天邊甚至出現不透明的灰白色。曙暮光是大氣散射的另一現象。當太陽在地平面以下時，太陽光無法直接到達地面，但是它能照亮地面以上的大氣層，使天空明亮。曙暮光指的就是黎明和黃昏這段時間的光亮。③大粒子（如水滴、冰晶等）對光的折射、反射與衍射引起的光現象，最常見的有虹、華和暈。虹（見彩圖）是由於太陽光線在大氣水滴裡的折射與反射產生的圍繞反日點的彩色圓弧。根據光線在水滴內部反射次數n的多少，虹可細分為主虹(n=1)、副虹(n=2)、三級虹(n=3)，依次類推。然而內反射次數越多，從水滴中射出的光強越弱，因此常見的隻是主虹和副虹，主虹色彩排列是外緣為紅色，向內為黃色，內緣為紫色。副虹位於主虹上面，色彩排列與主虹相反。華是由於雲中的水滴與冰針分別起小孔與狹縫的作用，使光衍射引起的圍繞太陽（或月亮）的許多彩色圓環。暈是由於太陽(或月亮)光在冰晶上折射與反射引起的一系列光學現象的總稱。根據著色的性質，有由於折射而引起的略帶色彩的暈(如彩虹圓環、幻日等)以及由反射引起的白色暈（如水平環、側日等）之分。
虹
人民畫報供稿
能見度 是指人眼在大氣中觀察到的最遠距離。它取決於下列各種因子，如物體和背景的屬性、物體和背景照度的屬性、大氣屬性以及觀測儀器（包括肉眼）的屬性等等。氣象上通常采用氣象能見距離，它定義為在白天以無限氣層為背景，看一個視角不小於20分的黑體消失其形象的距離。夜間可通過觀測人工點光源來決定。通常采用目測法觀測能見度。目前還沒有廣泛采用能見度儀，但發展很快，其基本原理是基於能見距離和大氣透明度有關，因此可以用測定的大氣透明系數來求出氣象能見距離。近幾年來發展瞭一種能見度儀，它直接測量大氣透過率和背景亮度等氣象要素，通過計算機進行綜合分析來計算能見距離。該儀器可以比較客觀地反映大氣實際的能見度，目前在一些機場已被采用。
天空背景 是指來自天空的向下輻射通量，其中包括大氣和雲對太陽光的散射輻射以及大氣氣體的自發輻射。夜間還包括少量的月光和星光的散射。一般而言，對太陽光的散射輻射主要集中在短波部分。在晴天，最大輻射通量的波長為0.45微米左右，而氣體的自發輻射主要集中在長波部分，最大輻射通量的波長為10.5微米左右，在3～4微米之間兩者輻射強度幾乎相等。天空背景輻射通量的大小及其空間分佈是十分復雜的，它主要取決於幾種影響因子的組合。這些影響因子包括太陽的高度、下墊面的反射率、觀測點離地面的高度、雲量、雲狀、大氣透明度以及大氣狀態等。例如在白天，碧空中太陽的前向散射遠大於側向散射，因此最大短波散射輻射通量位於太陽直接輻射附近。雲的出現會引起散射通量的強烈增加，但對於自發輻射而言，這相當於增加一個新的輻射源，它直接影響長波輻射通量的譜分佈。
光在大氣中的傳輸特性 是指光波通過大氣所引起的光學特性的變化。它主要包括下列三個方面：①大氣衰減指由於大氣散射與吸收造成的輻射能量的損失。大氣散射引起的衰減主要由於大氣氣體分子散射和氣溶膠的一次散射。如果光在能見度特別差或雲、霧、雨等惡劣天氣環境中傳輸，還必須考慮多次散射的影響。大氣衰減的另一個重要因子是大氣氣體分子吸收。大氣中的主要吸收物有H2O、CO2、O3分子。其他像CH4、N2O、CO、HDO等氣體分子的吸收，在長距離傳輸時也需考慮。每一種吸收氣體都存在有若幹吸收帶，吸收帶之間具有較大透過率的波長區域稱為大氣窗口，主要有8～14微米、3～5微米以及1～2微米三個窗口區。應著重指出的是，大氣氣體分子對激光和非激光的吸收有很大的差別。對於非激光，因為它總是以有限頻率間隔Δv進行傳輸，其中包含許多吸收光譜線，因此它是一個“帶”吸收；對於激光，因為它發射的譜線寬度很窄，故基本上是“線”吸收或準“線”吸收。②大氣湍流效應主要是指由於大氣折射率的隨機起伏造成的光束的光強起伏(閃爍)、漂移、擴展以及相幹性破壞等。這些效應直接影響激光在大氣中的傳輸，因此，激光出現後得到深入研究。③光在大氣中傳輸的非線性光學效應。這種效應必須在強激光傳輸中才能顯示出來，因此又稱為強激光大氣傳輸的非線性效應。它主要包括熱暈效應和氣體擊穿效應。熱暈效應是指由於大氣吸收激光輻射能量導致光路上大氣加熱，從而改變其折射率，影響激光光束的傳播特性。其中包括激光光束擴展、畸變、彎曲等。實驗和理論研究表明，它主要取決於激光強度的初始分佈與大小、大氣吸收特性以及熱交換機制等。氣體擊穿是指激光輻射和大氣相互作用導致大氣氣體電離，形成一個高密度的、能強烈吸收激光能量的等離子區，因而限制瞭高功率激光在大氣中傳輸。實驗表明造成氣體擊穿的激光閾值光強和大氣氣壓、輻射波長、光斑大小以及大氣透明度等因素有關。
光學大氣探測 根據大氣光學現象以及光的傳輸特性，利用自然光或人工光源可以遙感大氣某些物理量。例如對太陽輻射衰減的測量確定斜程大氣的混濁度；通過對太陽光紫外輻射衰減的測量，已能相當精確地確定大氣臭氧的總量；利用多波長紅外輻射計測量太陽的散射輻射強度，可以推斷整層大氣氣溶膠濃度與譜分佈。同樣，通過測量它在大氣中的向上輻射強度，可以反演得到大氣溫度分佈、水汽分佈等。利用激光作為光源，對大氣各種物理量進行探測，包括氣象要素、大氣氣體成分以及污染氣體、大氣氣溶膠的探測等等，也已得到初步結果，有的已進入瞭實用階段，如激光測雲、激光對某些污染氣體監測等。
隨著紅外和激光技術的迅速發展，近幾年來大氣光學的研究迅速開展。目前和今後一段時間內，大氣氣體分子高分辨率吸收光譜的研究、大氣氣溶膠光學特性的研究、強湍流效應的研究、雲霧粒子的不同形狀對散射特性的影響及其多次散射的研究、激光和紅外大氣遙測的研究等方面將成為大氣光學的主要研究方向。
參考書目
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