標籤:散射

大氣散射(atmospheric scattering),電磁波同大氣分子或氣溶膠等發生相互作用,使入射能量以一定規律在各方向重新分佈的現象。其實質是大氣分子或氣溶膠等粒子在入射電磁波的作用下產生電偶極子或多極子振蕩,並以此為中心向四周輻射出與入射波頻率相同的子波,即散射波。散射波能量的分佈同入射波的波長、強度以及粒子的大小、形狀和折射率有關。

1簡介

⒈光線通過有塵土的空氣或膠質溶液等媒質時,部分光線向多方面改變方向的現象。叫做光的散射.超短波發射到電離層時也發生散射。
太陽輻射通過大氣時遇到空氣分子、塵粒、雲滴等質點時,都要發生散射。但散射並不象吸收那樣把輻射能轉變為熱能,而只是改變輻射方向,使太陽輻射以質點為中心向四面八方傳播開來。經過散射之後,有一部分太陽輻射就到不了地面。如果太陽輻射遇到的是直徑比波長小的空氣分子,則輻射的波長愈短,被散射愈厲害。其散射能力與波長的對比關係是:對於一定大小的分子來說,散射能力和波長的四次方成反比,這種散射是有選擇性的。例如波長為0.7微米時的散射能力為1,波長為0.3微米時的散射能力就為30。因此,太陽輻射通過大氣時,由於空氣分子散射的結果,波長較短的光被散射得較多。雨後天晴,天空呈青藍色就是因為輻射中青藍色波長較短,容易被大氣散射的緣故。如果太陽輻射遇到直徑比波長大的質點,雖然也被散射,但這種散射是沒有選擇性的,即輻射的各種波長都同樣被散射。如空氣中存在較多的塵埃或霧粒,一定範圍的長短波都被同樣的散射,使天空呈灰白色的。有時為了區別有選擇性的散射和沒有選擇性的散射,將前者稱為散射,後者稱為漫射。
⒉兩個基本離子相碰撞,運動方向改變的現象。
⒊在某些情況下,聲波投射到不平的分界面或媒質中的微粒上而不同方向傳播的現象,也叫亂反射。
⒋按介質不均性的不同,光的散射可分為兩大類:介質中含有許多較大的質點,它們的線度在數量級上等於光波的波長,引起的光的散射叫做懸浮質點散射。十分純凈的液體或氣體,由於分子熱運動而造成的密度的漲落引起光的散射叫做分子散射。

2原理

大氣散射是重要而且普遍發生的現象,大部分進入我們眼睛的光都是散射光。如果沒有大氣散射,則除太陽直接照射的地方外,都將是一片黑暗。大氣散射作用削弱了太陽的直接輻射,同時又使地面除接收到經過大氣削弱的太陽直接輻射外,還接收到來自大氣的散射輻射,大大增加了大氣輻射問題的複雜性。大氣散射是大氣光學和大氣輻射學中的重要內容。也是微波雷達、激光雷達等遙感探測手段的重要理論基礎(見微波大氣遙感、激光大氣遙感)。
光和粒子的相互作用,按粒子同入射波波長(λ)的相對大小不同,可以採用不同的處理方法:當粒子尺度比波長小得多時,可採用比較簡單的瑞利散射公式;當粒子尺度與波長可相比擬時,要採用較複雜的米散射公式;當粒子尺度比波長大得多時,則用幾何光學處理。一般考慮具有半徑□的均勻球狀粒子的理想散射時,常採用無量綱尺度參數□ = 2πr/λ作為判別標準:當□<0.1時,可用瑞利散射;當□≥0.1時,需用米散射;當□>50時,可用幾何光學。同一粒子對不同波長而言,往往採用不同的散射處理方法,如直徑1微米的雲滴對可見光的散射是米散射;但對微波,卻可作瑞利散射處理。

3瑞利散射

英國科學家J.W.S.瑞利在19世紀末研究天空顏色時提出的。因最初用於解釋大氣分子對可見光的散射,故又稱分子散射。凡是粒子尺度遠小於入射波長的散射現象,統稱為瑞利散射。這種散射光的強度隨不同的散射角 □(入射光方向和散射光方向的夾角)而變。以□(□)表示單位強度的自然光入射時,單個粒子在□方向單位立體角中散射的光通量,則有:
□式中 □為粒子的折射率。瑞利散射具有如下特點:①散射光強與波長四次方成反比。②粒子前半部和後半部的散射光通量相等,按(1+cos□□)的關係分佈。③前向(□ =0)和後向(□=180□)的散射光最強,都比垂直方向(□ =90□、270□)強一倍。④前向和後向的散射光與入射光偏振狀態相同;而垂直方向的散射光為全偏振,即其平行分量(振動方向與觀測平面平行的分量,觀測平面系由入射光和散射光組成的平面)為零,只存在垂直分量(圖1 瑞利散射的光強分佈)。

4米散射

當球形粒子的尺度與波長可比擬時,必須考慮散射粒子體內電荷的三維分佈。此散射情況下,散射粒子應考慮為由許多聚集在一起的複雜分子構成,它們在入射電磁場的作用下,形成振蕩的多極子,多極子輻射的電磁波相疊加,就構成散射波。又因為粒子尺度可與波長相比擬,所以入射波的相位在粒子上是不均勻的,造成了各子波在空間和時間上的相位差。在子波組合產生散射波的地方,將出現相位差造成的干涉。這些干涉取決於入射光的波長、粒子的大小、折射率及散射角。當粒子增大時,造成散射強度變化的干涉也增大。因此,散射光強與這些參數的關係,不象瑞利散射那樣簡單,而用複雜的級數表達,該級數的收□相當緩慢。這個關係首先由德國科學家G.米得出,故稱這類散射為米散射。
它具有如下特點:①散射強度比瑞利散射大得多,散射強度隨波長的變化不如瑞利散射那樣劇烈。隨著尺度參數增大,散射的總能量很快增加,並最後以振動的形式趨於一定值。②散射光強隨角度變化出現許多極大值和極小值,當尺度參數增大時,極值的個數也增加。③當尺度參數增大時,前向散射與後向散射之比增大,使粒子前半球散射增大(圖2 三種尺度粒子散射光強的角分佈)。當尺度參數很小時,米散射結果可以簡化為瑞利散射;當尺度參數很大時,它的結果又與幾何光學結果一致;而在尺度參數比較適中的範圍內,只有用米散射才能得到唯一正確的結果。所以米散射計算模式能廣泛地描述任何尺度參數均勻球狀粒子的散射特點。

5多次散射

散射體中往往包含很多散射粒子,因此每個粒子的散射光都會被其他粒子再散射。如P 粒子的散射光可被Q粒子再次散射,而Q粒子的散射光又會被R粒子第三次散射。對直接入射光的散射稱為一次散射,以後的散射依次稱為二次、三次……散射,或統稱為多次散射。顯然,在其他散射方向的一次散射光,由於多次散射的結果,還可能再次沿入射光方向散射。多次散射的計算很複雜。有人計算出,當大氣光學厚度(見大氣消光□□<0.1時,只需考慮一次散射;而當□□>0.3時,則還需計及二、三次散射;當□□在0.1~0.3時,則需計及二次散射在內。

6天空顏色

由於瑞利散射的強度與波長四次方成反比,所以太陽光譜中紫光的散射比紅光強得多,這就造成大氣的散射光譜(散射光能量按波長的分佈)對於入射的太陽光譜而言,向短波方向移動。因太陽光譜在短波段中以藍光能量最大,所以在晴空大氣渾濁度小時,在大氣分子的強烈散射作用下,天空即呈現蔚藍色。但當大氣渾濁時,由於大氣氣溶膠的米散射作用,散射光強與波長沒有顯著的關係,從而使天空呈現灰白色。另外,在氣溶膠粒子強烈的前向散射作用下,使得太陽周圍的天空特別明亮,這就是日周光。以上種種現象都是大氣散射的結果。由於大氣密度隨高度急劇降低,大氣分子的散射效應相應為之減弱,天空的顏色也隨高度由蔚藍色變為青色(約8公里)、暗青色(約11公里)、 暗紫色(約13公里)、黑紫色(約21公里),再往上,空氣非常稀薄,大氣分子的散射效應極其微弱,天空便為黑暗所湮沒。

7主要形式

瑞利散射瑞利,十九世紀最著名的物理學家之一,1842年11月12日出生於英國的莫爾登。據說,瑞利剛開始上學時並不用功,他雖然人很聰明,可卻十分貪玩,學習成績一直平平。10歲那年曾連續兩次逃學,為此,他的爸爸媽媽很替他著急,為了孩子的前途,他們決定遷居倫敦。環境的改變,對瑞利的成長起到了良好的作用。另外,瑞利的父母還特地為他聘了一名家庭女教師,從此瑞利一改以前貪玩的習性,一心埋進書本中。
瑞利對物理學曾出了很大的貢獻,他在聲學、波的理論、光學、光的散射、電力學、電磁學、水力學、液體流動理論方面都做出了不可磨滅的貢獻,1904年,他因和拉姆塞同時發現了惰性元素氬(Ar)而榮獲了該年度的諾貝爾物理學獎。
1871年,瑞利在經過反覆研究,反覆計算的基礎上,提出了著名的瑞利散射公式,當光線入射到不均勻的介質中,如乳狀液、膠體溶液等,介質就因折射率不均勻而產生散射光。瑞利研究表明,即使均勻介質,由於介質中分子質點不停的熱運動,破壞了分子間固定的位置關係,從而也產生一種分子散射,這就是瑞利散射。瑞利經過計算認為,分子散射光的強度與入射光的頻率(或波長)有關,即四次冪的瑞利定律
正午時,太陽直射地球表面,太陽光在穿過大氣層時,各種波長的光都要受到空氣的散射,其中波長較長的波散射較小,大部分傳播到地面上。而波長較短的蘭光、綠光,受到空氣散射較強,天空中的蘭色正是這些散射光的顏色,因此天空會呈現藍色。
正是由於波長較短的光易被散射掉,而波長較長的紅光不易被散射,它的穿透能力也比波長短的藍、綠光強,因此用紅光作指示燈,可以讓司機在大霧迷漫的天氣里容易看清指示燈,防止交通事故的發生。
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