Атмосферная оптика — это отдел геофизики, предметом которого является:
1) Изучение различных световых явлений, проходящих в атмосфере (рефракция, миражи, венцы и круги вокруг светил, радуга, голубой цвет и поляризация неба, дневное освещение, сумерки, заря и прочее).
2) Установление связи этих явлений и оптических свойств атмосферы (например, ее прозрачности) с другими сторонами общей физической жизни земли.
Существует несомненная, хотя и мало еще в начале 20 века изученная, связь между световыми явлениями и общими метеорологическими условиями: на те или иные изменения в последних чутко отзываются первые. Тогда предполагали, что установление такой связи позволит в дальнейшем использовать световые явления в качестве признаков погоды для целей ее предсказания.
Так как плотность атмосферы на различных высотах различна (она убывает с высотой), а луч света при переходе в среду с другой плотностью вообще отклоняется от своего первоначального направления, то луч от светила (в том числе и Солнца) при прохождении сквозь земную атмосферу отклоняется от своего прямолинейного направления, так что светило кажется стоящим над горизонтом выше, чем на самом деле.
Теория дает возможность вычислить как истинный путь луча, так и истинное положение светила на небесном своде. При ненормальном распределении слоев воздуха, имеющих различные плотности, путь луча может искривиться таким образом, что предметы, находящиеся под горизонтом, кажутся видимыми, то есть находящимися над горизонтом.
В некоторых случаях предметы видны уменьшенными, иногда сдвинутыми в сторону, иногда вместо одного изображения наблюдателю представляются два и более, причем одни из них прямые, другие обратные (миражи).
Преломление света лежит в основе обширной группы таких явлений, как, например, круги вокруг солнца и луны (гало), побочные солнца и луны, световые столбы и прочее. Эти явления происходят вследствие преломления света в мельчайших ледяных кристаллах, содержащихся иногда в большом количестве в воздухе, а также вследствие отражения света от граней этих кристаллов (гало).
Другие широко распространенные и всем знакомые оптические явления, как радуга и венцы вокруг светил, основаны на явлении диффракции света в появляющихся в воздухе капельках воды. Появление таких венцов и различных форм гало служит признаком происходящих в атмосфере изменений метеорологических условий, связанных с изменением погоды.
Воздух, даже свободный от пыли и тумана, не вполне прозрачен, так как частицы воздуха, водяные пары и мельчайшие частицы, плавающие в атмосфере, отражают, рассеивают и поглощают лучи света. Прозрачность воздуха в разных местах земного шара, а также в различные времена года неодинакова. Разработаны различные методы определения степени прозрачности для лучей, имеющих разные длины волн, и построены различные приборы для ее измерения, а также для измерения важного в практической жизни фактора — дневного освещения.
Вопрос о прозрачности важен для учета количества световой энергии, достигающей земной поверхности. Со степенью прозрачности атмосферы связан и другой важный в практическом отношении вопрос о видимости отдаленных предметов.
Рассеяние света обуславливает не только явления поглощения световой энергии в атмосфере, но также и голубой цвет неба. Теорию этого явления дали Соре и Рэллей, причем теория последнего объясняет не только цвет, но и поляризацию неба и, кроме того, дает объяснение оранжевой и красной окраски в проходящем сквозь атмосферу свете во время вечерней и утренней зари.
В различных точках неба степень и характер поляризации неодинаковы и находятся в зависимости от прозрачности воздуха и от состояния погоды, малейшие изменения которой значительно влияют на поляризацию. Такое взаимоотношение, однако, в то время было недостаточно еще изучено и не использовалось для целей предсказания погоды.
На небесном своде есть точки, в которых вовсе нет поляризации. Это так называемые нейтральные точки Араго, Бабинэ и Брюстера.
Положение этих точек на небе с течением времени меняется, причем эти изменения находятся, по-видимому, в зависимости как от состояния погоды, так и от количества пятен на Солнце. Для измерения поляризации неба в то время служил фотополяриметр Корню.