虹晕是几种大气光学现象的偏振

虹晕是几种大气光学现象的偏振 . 虹晕等几种大气光学现象的偏振 张阮士文旦呈妻乒,/3 (陕西省商南县气象局,726300)(陕西省商洛地区气象局) 提要 观剥到虹的偏振分析了虹,晕等现象的特点.运用菲涅耳公式给出其偏振度. 结果表明:各种现象的偏振度相差较大,主虹,:次虹分别为0.93和0.81,多次虹 的偏振度也较大,在0.75以上;46.晕的偏振度为0.16,22.圆晕的偏振度很小,仅 为0.04.假日环,日柱的偏振度随入射角有一定的变化范围.虹,假日环,日柱是 以垂直于入射面的振动为主;而46.晕,22.圆晕则是折射式偏振,以平 反射式偏振, 竹瑚 ~UtJI:振兰.妇!j莅,侮B衍虹晕叁垄生堕握,粥犀参. 引言 观测事实;用检偏器观测虹,当转动检 偏器时.发现虹的各色光的亮度从亮到暗发 生连续变化,而虹两边的光亮度变化不明显. 对肉眼难以分辨的弱虹,用偏振器很容易观 测到.这说明虹具有较强的偏振性. 偏振是光波的特性.气象上对光偏振的 研究主要包括天空偏振和云雨滴偏振两个分 支.前者已由阿喇果发现(18o9年),后来, 巴比涅,布儒斯特等人做了系统的研究,几 个天空中性点就分别以他们各自的名字命 名.而云,雨滴,特别是对重要的虹晕等现 象偏振的研究,至今仍很少见到.曾有人用 不同偏振度光线的干涉解释过蛾眉宝光的形 成,本文从观测事实出发,分析计算了一些 现象的偏振性.偏振对大气中光的传输,折 射率,反射率有显着影响,在大气探测中有 重要应用. 1相关运算 1.1入射角' 虹,晕等现象的偏振是由折,反射引起, 其偏振度是入射角的函数.我们首先从入射 角着手.虹类较多,按内反射次数,可分为 一 次虹(主虹),二次虹(霓),多次虹.光 线在正圆球形透明介质中经过次内反射 的偏向角: V=k?180.+22(+1(1) 对式(1)求微分.得偏向角随入射角变化率: dV.2(+1)cosi?一 di一'一_二 21, 因u一>o(推导过程略),二次微分得uz I, 正值,即 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 偏向角V有一个最小值.令= =0,得形成虹的入射角: . . /+1)0一2… 一?.[(3J 由式(3)可以看出,虹的入射角与内反射次 数和折射率n有关.表1列出波长5847A. 光通过水滴形成虹的相应入射角.从表中可 以看出,入射角随增大而增大;当一定 时,入射角随折射率增大而减小,与入射光 频率有一定的关系各类虹的入射角均大于 布儒斯特角;越大,入射角越偏离.表1 同时列出几种现象的最小偏向角. 晕也是比较常见的现象,其中22.圆晕 是日月光通过面夹角为60.冰晶时,受到两 次折射而形成.46.晕则是光线经过六角形柱 状或板状冰晶时发生折射分光而形成.形成 这两种晕的入射角,最小偏向角也列于表1. 45—— 气象第26卷第l1期 裹1几种现象的人射角和最小偏向角(1.) 折射率一1.333in一1.307 1.2偏振度 一 束单色平面电磁波.它的入射面内和 垂直于入射面的光振动能量在单位时间入射 到介质单位面积上的能量相等,即:一 光路上各段能量相对变化分别用平行振动和 垂直振动能量的反射率,凡或透射率了1— 7表示TP=1一R,Ts一1一Rs.对于正 圆球形透明介质,次内反射的出射光中, 平行振动能量为; DP=R}(1一RP)JP 同样,垂直振动能量也可写成: D5=R(1一R5)J5 (因球形介质的扩散作用,上两式仅限于偏振 度计算用) 偏振虞: l)一l一 ll R(1一RP)一R(1一R) ;(1一RP).+R(1一R) 对于晕: P— l;}筹 对于假日环,日柱: (4) (5) P; 『等字等l(6) 式(4),(5)中R—R用菲涅耳公式求 得. 2计算结果 表2列出了一些现象的偏振度.可以看 出各类虹的偏振度均较大,在0.75以上,它 随着的增大有所减小主虹的偏振度最 大,为0.93,二次虹次之,为0.81,多次虹依 次减小.但是,随着的增大,P变化趋缓,且 略有上升.例如:K一50时,P—O.753;一 100时,P—O.754.这是因为当增大时,入 射角越偏离i,反射光的偏振度减小,但反射 次数增多最终使偏振度不致持续下沉.对于 ———— 46 冰雹,冰粒,其最小偏向角光线的偏振度较 水滴为小(如表2),变化趋势与水漓相同.从 形成虹的过程看,反射是决定因素,因此,虹 的偏振总是表现为反射式偏振,其振动以垂 直于入射面的振动为主.在实际观测中,其 振动垂直于人眼,介质,太阳三点所组成的 平面.当我们用检偏器检验时,很容易发现 其具有偏振性.而再将检偏器转动90.,虹光 近于完全透过,而虹以外的光偏振度较小,要 滤去较多的光量,使虹与周围的亮度对比增 大,变得更加明显. 计算中看出,随着的增大,虹越来越 弱.虽然多次虹很弱,但是它在传输过程中 扩散衰减慢,远场效应明显. 晕是折射式偏振,平行于入射面的振动 稍大.46晕的偏振度为O.16,22.圆晕接近于 自然光,P为O.04从计算中也可看出晕的 光量较强.为说明激光测云系统中偏振的影 响,表2也给出了各类现象中两个振动分量 之比.图1给出了几种现象的位置和偏振方 式图中三,四次虹,二,五次虹靠得很近, 未分开. 衰2几种现象的偏振度 名一赢虹二衣衄三赢虹四衣衄五衣虹壳戎虹22'蛋晕46 …09308:780770.60.76OOl016 *t?(0BT)(0 .76)<0.m(0.72)(0718)(0716) 坠望::!:!:!::::!:!:!:!!::!: 色散对偏振的影响不大.例如主虹彩带 中,红色光的偏振度为0.92,紫色光为O.94, 其它各色光的偏振度在0.92,0.94之间.随 着内反射次数的增多,虹的色散加强在可 见光波段,主虹的色散视宽度不到2.,而二 次虹为3.多,十次虹的色散视宽度达十几 度.色散减弱了虹的强度,这也是多次虹不 易见到的原因之一另外,在近红外光照射 下,十次虹出现在正后向,光量大增,偏振 度为0.757.此时一85.43.的环球带上的光 被水滴折,反射,出射光平行于入射光,振 动方向在光拄截面内,与以轴为圆tL,的圆切 气象第26卷第?期 线方向一致. 圈1几种现象的位置和偏振方式 假日环,日柱是太阳光在冰晶外表面的 除入射 反射光,入射角有一定的变化范围, 角很大或很小时,反射光均具有一定的偏振 度,其中i在40.,70范围内,反射光偏振度 均较大i—i6=53.,P=1. 3结论和讨论 (1)在虹的方向上,不仅有形成虹的最 小偏向角光线,而且还有一些杂散光.后向 散射方向的杂散光较弱,对虹的偏振的影响 较小;前向散射方向上杂散光强,对虹的影 响很大,如三次虹,四次虹根本不可显现.另 外,最小偏向角光线强.虹抗干扰能力就强, 反之则弱.远场中主虹,二次虹的偏振度不 易改变 (2)虹的偏振与介质相态,形状等有关. 冰虹的偏振度较水虹为小,出现的位置也不 同.K越大,两类介质虹的偏向角相差越大. K一6,冰虹接近于正后向,其最小偏向角为 194..云中冰雹,冰粒多为不透明,其偏振方 式与透明介质不同. (3)晕的偏振度较小,但它的光较强,杂 散光的干扰显得很微弱. (4)尽管一些现象的偏振度可用菲涅耳 公式确定,但其强度计算必须借助Mie理 论.本文的计算说明,偏振在激光测云系统 中具有重要影响. 致谢:本项目得到陕西省气象局厦王万瑞,吕从中同志的 大力支持和热情帮助论文写作过程中,阵君寒老师提出很 多宝贵意见并被采纳,在此一并致谢. 参考文献 1范少期,郭富昌物理光学北京:北京理工大学出版 牡,1990:186. 2A?stin~o.气溶胶与辐射的相互作用.气象科学讲座选 编南京气象学院编译出版,1982:38. PolorizationofSomeAtmospheric0ptical PhenomenaasRainbowandHalo ZhangHoufaRuanShiwen (ShangnanMeteorotogicatOffice.ShaanxiPro~fince726300) ZhouJunyuan (ShahglrioMeteorotogicatOffice-ShaanxiProvince) Abstract Afterthefirstobservationonpolarizationofrainbow,thefeaturesofsomeatmospheric optica1phenomenasuchasrainbowandhalo,etc.wereanalysed.Fresne1formulacanbeused tocalculatedpoporizationangles.Theresultsshowasfollows,allkindsofanglesarefarfrom thesameeachother.themainrainbowandminoronearerespectively0.93and0.81.The differencebetweenrepeatedrainbowsisalsosharpbyabove0.75.The46.一haloangleis 0.16.while22.dischaloaisonly0.04.Thereisacertainvariation1imitforangleso{the falsesolarcircleandsolarcolumnwithincidentangle.Rainbow,falsesolarcircleandaolar columnarereflectivepolorization,mainlycharacterizedbyvibrationverticletoincident plane.Halo46.anddischalo22.arerefractiveones,mainlycharacterizedbyvibrationparallel toincidentplane.Intheend.polorizationof"waterrainbowand"icerainbowwerediscused emphatically. KeyWords:rainbowhaloatmosphericopticspolarization 式(21中.令一,为扩散角=.时,为最小偏向角光线.也称迪卡尔光线.在正圆球形透明 介质四周.广泛分布着 另一些光线.它们的扩散角?0,为区别于最小偏向角光线,故称杂敞光 47——