大气和海洋中的光学现象课件.ppt

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1、一. 光波在大气中的折射 1 折射指数和折射指数和折射角折射角 光波通过两种透明介质的界面时发生折射现象 入射角 i1与折射角 i2 和折射指数 n1，n2的关系为： 1122SininSinin 折射指数 n 等于光在真空中的传播速度 C0 与光在介质中的传播速度 v 之比： vCn0光在大气中的传播速度 v 受气压、温度和湿度的影响。研究和实验结果都表明，大大气气的的折折射射指指数数与与大大气气密密度度成成正正比比。大气密度在垂直方向上按指数递减, 大气的折射指数也向上递减。 若将大气分成很多均匀的薄层来处理，各层折射指数不同，当光线穿过这些折射指数不同的气层时，就会在各气层之间的界面上发

2、生折射，使光波传播的路径发生曲折。 图5.13 球面分层大气中射线的折射。 图 5.14 天文折射示意图2.天文折射和蒙气差天文折射和蒙气差 Z天体的真天顶距 Z天体的视天顶距 两者之差称为天文折射值， 又叫做蒙气差， 以表示 ZZ 蒙气差的数值很小，且与星体的位置有关。 星体在天顶时，= 0, 星体位于地平线时,蒙气差最大, 34。 天文折射的作用总是使星体的视天顶距小于其真天顶距。即是使星体离地平面的高度增加，星体被抬升。天文折射的作用： 使人们有可能看到地平线以下离 地平线不远处的星光。 使人们看到太阳和月亮升起得 比较早，没落得比较晚。 使白昼变长。 产生各种光象 蒙气差数值虽小，但在

3、天文观测中必须加以订正才能得到天体的真实位置。 3天文折射引起的光象： （1） 日日月月变变形形 当太阳或月亮升起刚离开地平线时，我们可以看到太阳光盘不是园的，而是扁平的椭圆形日月变形的原因日月变形的原因 太阳从东方升起时，天文折射使太阳光盘上各点的视位置都向上抬升一个高度, 但太阳光盘下边缘抬升得比太阳光盘上边缘抬升的多些，而太阳光盘水平方向的视直径没有变化。因此看上去太阳光盘被压扁了。 例如： 在太阳刚好离开地平线时， 太阳光盘下边缘的天顶角为 90，蒙气差为 3351，而太阳光盘上边缘的天顶角为 8928， （太阳视直径为32） ，蒙气差为 2754。由于太阳光盘下边缘抬升的角度比太阳光

4、盘上边缘抬升的角度高出大约 6， 因而使太阳光盘垂直方向的视直径变成了 26左右，太阳在水平方向的视直径仍为 32，所以，太阳看起来是扁圆的。 3.天文折射引起的光象： （2 2） 星星光光闪闪烁烁 大气中不同的气层密度分布很不均匀， 使折射路径变化引起 （3 3） 绿绿闪闪现现象象 由于大气的折射率与光波的波长有关， 不同颜色光的蒙气差不同引起 图 5.16 大气色散和绿闪的形成4地文折射海市蜃楼 地文折射是指大气内的物体所发出的光线在大气中的折射现象。 是由于大气温度分布极不均匀（从而引起密度分布极不均匀）造成的。 海市蜃楼分为：上现蜃楼、下现上现蜃楼、下现蜃楼和侧现蜃楼蜃楼和侧现蜃楼。

5、上上 现现 蜃蜃 楼楼 下下现蜃楼现蜃楼 侧现蜃楼 二二 光光波波在在大大气气和和海海水水中中的的散散射射 平 常 我 们 看 到 的 光 大 多 是散射光 散 射 波 强 度 的 分 布 与 入 射波的波长、强度、微粒的大小 以 及 大 气 或 海 水 的 折 射率有关。 光 波 在 传 播 中 因 散 射 而 衰减。 。 1. 分子散射和米散射 分子散射又称为瑞利（L. Rayleigh）散射，是指半径 r 远小于波长的球形粒子对自然光的散射， 米 （G.Mie） 散射又称粒子散射。 是指粒子半径比较大时 （如气溶胶粒子， 海水中的悬浮粒子） 的散射。 分子散射的特点分子散射的特点: 散射

6、光的强度是入射光波长和散射角度的函数 (1) 散射强度随散射角而变： 前向散射（= 0）和后向散射（= 180）最强，而且二者相等。垂直于入射方向上的散射强度最小，只有前者的一半。 (2) 散射系数与入射波波长的四次方成反比 大气分子和纯水的散射基本上符合大气分子和纯水的散射基本上符合瑞利散射理瑞利散射理论。论。 米（米（G.Mie）散射的特点）散射的特点: 散射光强度前后不对称，前向散射大于后向散射。散射系数与波长的关系变得很复杂。 2大气和海水散射引起的光象 （1） 蔚蓝的天空蔚蓝的天空 天空的兰色是大气分子对太阳光的散射（瑞利散射）形成的。其散射光强与入射光波长的四次方成反比。对紫光、蓝

7、光和青光的散射强，使天空呈蔚蓝色。 当大气比较混浊时，如水汽较多，阴云密布或当大气比较混浊时，如水汽较多，阴云密布或飞沙走石时，大气对日光的散射再也不能用瑞利散飞沙走石时，大气对日光的散射再也不能用瑞利散射来解释，此时天空呈现白色或灰白色射来解释，此时天空呈现白色或灰白色。 （2）海水的颜色-海色 海水颜色的组成： 海面反射光 海洋内部的向上散射光组成 所以观测到的海洋的颜色常常因天空颜色和海水的状况而变化。 兰色海洋的形成兰色海洋的形成 洁净的大洋海水对太阳光的短波部分吸收极少。而其散射又主要为分子散射，其散射光强与入射光波长的四次方成反比。因此经过各层海水散射向上的那部分散射光主要为短波，

8、这部分光射出海面就使海水呈现兰色。海水越洁净，兰色越深。当海水中可溶性和悬浮物质较多时，海水就会呈现白色。 水色-海水的颜色 用水色计和透明度板来测量 共分 21 种水色， 由深蓝到褐色， 依次编号。 号码愈小，水色愈蓝，(水色愈高), 号码愈大，水色愈低。 水色分布特点： 大洋水色高, 透明度大，浅海反之。 副热带海区水色高，透明度大， 热带次之，寒带更次之 图 5.19 渤海、黄海和东海的水色分布 （左）6 月份， （右）10 月份。3曙暮光曙暮光 从拂晓时天空刚出现熹微的光亮到日出地平线和傍晚从日落地平线到天空完全黑暗这两段时间天空的亮光叫做曙暮光，前者叫曙光，后者叫暮光。曙暮光又叫做薄

9、明，天文学上又称为晨昏蒙影。 曙暮光形成的原因曙暮光形成的原因 曙暮光是由于大气散射太阳光造成的，在太阳升起到地平线之前（或日落刚离开地平线时）虽然太阳光已无法直接到达地面，但仍可以照射到地面以上的部分气层，人们还可以看到从天空中来的散射光，这就是曙暮光。 曙暮光观测的意义：曙暮光观测的意义： 由于曙暮光是因大气散射造成的，而且天空每一瞬时的亮度基本上取决于地面上方某一高度的大气散射，因此可以通过对曙暮光的观测来研究高层大气的结构。(如温度，密度，气溶胶，火山灰等等) 4朝晚霞朝晚霞 在日出前和日落后的天边常会出现五彩缤纷的现象，称为霞。出现在早晨的为朝霞。出现在傍晚的为晚霞。 图 5.20（a） 霞和透光层积云 图 5.20（b） 霞和透光高积云霞的成因：霞的成因： 当太阳接近地平线时，厚厚的大气层的散射作用把紫光、蓝光和青光散射掉了，使太阳射过来的光呈现红、橙、黄色。并使附近的天空和云也染上了颜色。于是形成了霞。