大氣折射

描述

大氣折射是光通過空氣時因為密度的增加使速度降低（折射率增加）。大氣折射在近地面時會產生海市蜃樓，讓遠方的物體出現或蕩漾，和非幻覺的升高或降低，伸長或縮短。這個詞也適用於聲音的折射。

它對雷達定位、都卜勒測速、通信、導航都有影響，因此無論是天體或地面上物體位置的測量都需要考慮大氣折射。當無線電波在不均勻介質中傳播且其內部反射可忽略時，可以用幾何光學近似方法對其進行研究。

光在兩種介質的分界面上，要發生折射和反射。若兩種介質的折射率分別為n₁和n₂，入射角和折射角分別為j和θ，則折射定律為：

n₁sin j=n₂sinθ

把這一定律推廣到折射率隨高度連續變化的大氣中來，假設大氣為球面分層，折射率僅隨高度變化，把大氣分為一層層同心球層，各層折射率是常數，光在各層中沿直線傳播，而在各界面發生折射（如名片圖），則可得出在這種球面分層大氣中的射線軌跡方程：

n cosθ=常數

常稱此為斯涅耳（Snell）定律。

由於大氣折射指數分布不同，射線在空間各處彎曲的方向和程度也有所不同，其主要考慮天頂距、氣溫、氣壓、濕度等因素的影響。按射線曲率半徑（彎向地面為正，背向地面為負）與地球半徑之比的大小，可以將大氣折射分為幾種類型（如圖）：

折射的幾種類型

（1）負折射

折射率隨高度增加，使射線彎離地面。形成負折射的條件是大氣中濕度隨高度增加，或溫度遞減率大於乾絕熱遞減率，當冷空氣移到暖洋面上就可能形成這種條件。負折射對通信不利，它使電磁波傳播的極限距離減小。

（2）無折射

大氣為均質大氣。即各層折射率不隨高度產生變化，這時射線不彎曲，其曲率半徑無限大。

（3）次折射

發生在溫度遞減稍大於標準大氣，而濕度遞減稍小於標準大氣的情形。通常在陰雲天出現。在這種折射類型下，無線電的傳輸距離較標準大氣時要小一些。

（4）標準折射

發生標準大氣的情況下，此時射線的曲率半徑約為地球半徑的4倍。

（5）過折射

發生在溫度遞減略小於標準大氣，而濕度遞減略大於標準大氣的情形。在一般的溫濕分布下，當大氣出現逆溫，就可以出現過折射。過折射使電波的傳輸距離加大。

（6）臨界折射

水平發射與地球表面平行。

（7）超折射

發生在溫度遞減遠弱於標準大氣，而濕度遞減遠大於標準大氣的情形。一般出現在有逆溫或濕度隨高度迅速遞減的場合。在超折射的情況下，電波的傳播距離可以大大增加，因為這時電波沿地面的傳播好像是在波導中傳播一樣（大氣波導）。