大氣散射（atmospheric scattering）電磁波同大氣分子或氣溶膠等發(fā)生相互作用，使入射能量以一定規(guī)律在各方向重新分布的現(xiàn)象。其實(shí)質(zhì)是大氣分子或氣溶膠等粒子在入射電磁波的作用下產(chǎn)生電偶極子或多極子振蕩，并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。散射波能量的分布同入射波的波長(zhǎng)、強(qiáng)度以及粒子的大小、形狀和折射率有關(guān)。

大氣散射是重要而且普遍發(fā)生的現(xiàn)象，大部分進(jìn)入我們眼睛的光都是散射光。如果沒有大氣散射，則除太陽(yáng)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(yáng)的直接輻射，同時(shí)又使地面除接收到經(jīng)過(guò)大氣削弱的太陽(yáng)直接輻射外，還接收到來(lái)自大氣的散射輻射，大大增加了大氣輻射問(wèn)題的復(fù)雜性。大氣散射是大氣光學(xué)和大氣輻射學(xué)中的重要內(nèi)容。也是微波雷達(dá)、激光雷達(dá)等遙感探測(cè)手段的重要理論基礎(chǔ)（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(zhǎng)(λ)的相對(duì)大小不同，可以采用不同的處理方法：當(dāng)粒子尺度比波長(zhǎng)小得多時(shí)，可采用比較簡(jiǎn)單的瑞利散射公式；當(dāng)粒子尺度與波長(zhǎng)可相比擬時(shí)，要采用較復(fù)雜的米散射公式;當(dāng)粒子尺度比波長(zhǎng)大得多時(shí)，則用幾何光學(xué)處理。一般考慮具有半徑□的均勻球狀粒子的理想散射時(shí)，常采用無(wú)量綱尺度參數(shù)□ = 2πr/λ作為判別標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)□<0.1時(shí)，可用瑞利散射；當(dāng)□≥0.1時(shí),需用米散射；當(dāng)□>50時(shí)，可用幾何光學(xué)。同一粒子對(duì)不同波長(zhǎng)而言，往往采用不同的散射處理方法,如直徑1微米的云滴對(duì)可見光的散射是米散射；但對(duì)微波，卻可作瑞利散射處理。

英國(guó)科學(xué)家J.W.S.瑞利在19世紀(jì)末研究天空顏絕時(shí)提出的。因最初用于解釋大氣分子對(duì)可見光的散射，故又稱分子散射。凡是粒子尺度遠(yuǎn)小于入射波長(zhǎng)的散射現(xiàn)象，統(tǒng)稱為瑞利散射。這種散射光的強(qiáng)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(qiáng)度的自然光入射時(shí)，單個(gè)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(diǎn)：①散射光強(qiáng)與波長(zhǎng)四次方成反比。②粒子前半部和后半部的散射光通量相等，按（1+cos□□）的關(guān)系分布。 ③前向（□ =0）和后向(□=180□)的散射光最強(qiáng)，都比垂直方向(□ =90□、270□)強(qiáng)一倍。④前向和后向的散射光與入射光偏振狀態(tài)相同；而垂直方向的散射光為全偏振，即其平行分量（振動(dòng)方向與觀測(cè)平面平行的分量，觀測(cè)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(qiáng)分布）。

當(dāng)球形粒子的尺度與波長(zhǎng)可比擬時(shí)，必須考慮散射粒子體內(nèi)電荷的三維分布。此散射情況下，散射粒子應(yīng)考慮為由許多聚集在一起的復(fù)雜分子構(gòu)成，它們?cè)谌肷潆姶艌?chǎng)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(gòu)成散射波。又因?yàn)榱Ｗ映叨瓤膳c波長(zhǎng)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(shí)間上的相位差。在子波組合產(chǎn)生散射波的地方，將出現(xiàn)相位差造成的干涉。這些干涉取決于入射光的波長(zhǎng)、粒子的大小、折射率及散射角。當(dāng)粒子增大時(shí)，造成散射強(qiáng)度變化的干涉也增大。因此，散射光強(qiáng)與這些參數(shù)的關(guān)系,不象瑞利散射那樣簡(jiǎn)單,而用復(fù)雜的級(jí)數(shù)表達(dá)，該級(jí)數(shù)的收□相當(dāng)緩慢。這個(gè)關(guān)系首先由德國(guó)科學(xué)家G.米得出，故稱這類散射為米散射。

它具有如下特點(diǎn)：①散射強(qiáng)度比瑞利散射大得多，散射強(qiáng)度隨波長(zhǎng)的變化不如瑞利散射那樣劇烈。隨著尺度參數(shù)增大，散射的總能量很快增加，并最后以振動(dòng)的形式趨于一定值。②散射光強(qiáng)隨角度變化出現(xiàn)許多極大值和極小值，當(dāng)尺度參數(shù)增大時(shí)，極值的個(gè)數(shù)也增加。③當(dāng)尺度參數(shù)增大時(shí)，前向散射與后向散射之比增大，使粒子前半球散射增大（圖2 三種尺度粒子散射光強(qiáng)的角分布）。當(dāng)尺度參數(shù)很小時(shí)，米散射結(jié)果可以簡(jiǎn)化為瑞利散射；當(dāng)尺度參數(shù)很大時(shí)，它的結(jié)果又與幾何光學(xué)結(jié)果一致；而在尺度參數(shù)比較適中的范圍內(nèi)，只有用米散射才能得到唯一正確的結(jié)果。所以米散射計(jì)算模式能廣泛地描述任何尺度參數(shù)均勻球狀粒子的散射特點(diǎn)。

散射體中往往包含很多散射粒子，因此每個(gè)粒子的散射光都會(huì)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(huì)被R粒子第三次散射。對(duì)直接入射光的散射稱為一次散射，以后的散射依次稱為二次、三次……散射，或統(tǒng)稱為多次散射。顯然，在其他散射方向的一次散射光，由于多次散射的結(jié)果，還可能再次沿入射光方向散射。多次散射的計(jì)算很復(fù)雜。有人計(jì)算出，當(dāng)大氣光學(xué)厚度（見大氣消光□□<0.1時(shí)，只需考慮一次散射；而當(dāng)□□>0.3時(shí)，則還需計(jì)及二、三次散射；當(dāng)□□在0.1～0.3時(shí)，則需計(jì)及二次散射在內(nèi)。

由于瑞利散射的強(qiáng)度與波長(zhǎng)四次方成反比，所以太陽(yáng)光譜中紫光的散射比紅光強(qiáng)得多，這就造成大氣的散射光譜（散射光能量按波長(zhǎng)的分布）對(duì)于入射的太陽(yáng)光譜而言，向短波方向移動(dòng)。因太陽(yáng)光譜在短波段中以藍(lán)光能量最大，所以在晴空大氣渾濁度小時(shí)，在大氣分子的強(qiáng)烈散射作用下，天空即呈現(xiàn)蔚藍(lán)色。但當(dāng)大氣渾濁時(shí)，由于大氣氣溶膠的米散射作用，散射光強(qiáng)與波長(zhǎng)沒有顯著的關(guān)系，從而使天空呈現(xiàn)灰白色。

另外，在氣溶膠粒子強(qiáng)烈的前向散射作用下，使得太陽(yáng)周圍的天空特別明亮，這就是日周光。以上種種現(xiàn)象都是大氣散射的結(jié)果。由于大氣密度隨高度急劇降低，大氣分子的散射效應(yīng)相應(yīng)為之減弱，天空的顏色也隨高度由蔚藍(lán)色變?yōu)榍嗌s8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(yīng)極其微弱，天空便為黑暗所湮沒。

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