对金星表面异常高温的成因，盛行的解释是，由于金星大气中大量的二氧化碳高效地捕获了金星表面发出的红外线并再辐射回金星表面。然而，这明显与二氧化碳的吸收带仅占红外线光谱很小范围的事实相矛盾。行星表面的温度状态是行星表面接收-吸收热量与释放热量之间动态平衡的结果。有大气的行星，其表面热量的输送方式主要是辐射和对流。因此，对于有大气的行星的表面温度状态及行星气候变化的正确分析方法，必须兼顾辐射与对流这两个方面，两者缺一不可。由上世纪金星探测器观测到的太阳光线在金星大气中异常弯曲，反映出金星大气折射率的梯度很高。同理于梯度型光纤,（1）射入金星大气的太阳光线高度弯曲聚向金星表面，金星表面的实际太阳辐射强度远超依金星与太阳的距离的理论值，尤其红外辐射;（2）从金星表面发出的红外线，大部分全反射回金星表面。另外，金星表面大气对流极弱。因此，金星表面异常高温，且无昼夜温差。同理分析地球气候变化：由于城市扩张，绿地减少，大气污染加重，导致低层大气折射率梯度增加和大气对流减弱，造成了气候变暖。 控制气候变暖，应控制城市扩张和大气污染，并增加绿地。依据金星大气折射率梯度高而高效聚集太阳光的原理，可开发高效太阳能器件及设备。依据金星大气折射率梯度高而高效反射金星表面红外线的原理，可开发高效保温材料。

背景 

1961年，美国海军研究实验室的工作人员A. E.Lilley利用射电探测器发现了金星表面异常高温。迄今为止，对其成因，盛行的解释是，由于金星大气中大量的温室气体-二氧化碳高效地捕获了金星表面发出的红外线并再辐射回金星表面。如图1所示。然而，这明显与二氧化碳的吸收带仅占红外线光谱很小范围的事实相矛盾。二氧化碳的吸收带分布在1-20µm的波长范围内，而红外线的波长范围为0.75 -1000µm。如图2，3所示。 

近期又有了对盛行解释的修正：金星大气中大量的二氧化碳与二氧化硫云层，高效地捕获了金星表面发出的红外线并再辐射回金星表面。然而，二氧化硫在红外的吸收带集中于波长7.3μm。即使把所有温室气体成分（甲烷，一氧化氮，臭氧，二氧化碳，水）连同二氧化硫等，在红外的吸收带都叠加在一起，仍然仅占红外线光谱很小范围。如图4所示。因此，金星表面异常高温的成因的盛行解释及其修正解释，明显脱离实际。所以，有必要对金星表面异常高温的真正成因进行探索（1-13）。

图1.金星表面异常高温成因的盛行观点

金星大气中大量的温室气体-二氧化碳高效地捕获了从金星表面发出的红外线，并再辐射回金星表面，即超强的“温室效应”，导致金星表面异常高温。   

图2.红外线的波长范围

图3.二氧化碳的吸收带

二氧化碳的吸收带集中在 2，2.7，4.3，和 15μm。即，二氧化碳的吸收带有四个，分布在1-20µm的波长范围内。而红外线的波长范围为0.75 -1000µm。由此可见，二氧化碳的吸收带仅占红外线光谱的很小范围。

图4.温室气体的吸收带

温室气体（甲烷，一氧化氮，臭氧，二氧化碳，水）的吸收带。

光的折射和全反射

1.   折射

在物理学中，折射是指光在穿越介质或经历介质的渐次变化时方向的改变；在视光学中，又称屈光。如图5所示（14）。

2.  全反射

光线从折射率较高的介质n₁入射到折射率较低的介质n₂时，随着入射角增大到大于临界角θ_c，折射光线消失, 光线全部反射。这种现象称为全内反射,简称全反射。临界角 θ_c= arcsin(n₂/n₁)。如图6所示。

例如, 当光线从玻璃进入空气时会发生全发射，但当光线从空气进入玻璃则不会。最常见的是沸腾的水中气泡显得十分明亮，就是因为发生了全反射。

光的全反射现象有很多应用。比如光纤就是利用全反射原理使光束转向、传输而几乎不损失能量的典型光学元件（15，16）。

图5. 光的折射

光在两种折射率不同的介质界面处发生折射，其中n₂> n₁。由于第二种介质中的相速度较低（v₂ < v₁），折射角θ₂小于入射角θ₁；也就是说，折射率较高的介质中的光线更接近法线。折射定律:n₁sinθ₁= n₂sinθ₂。

图6. 光的全反射

光线从折射率较高的介质n₁入射到折射率较低的介质n₂时，随着入射角增大到大于临界角θ_c，折射光线消失, 光线全部反射。

光导纤维(简称光纤)

1.  光纤的结构

光纤是一种柔性玻璃或塑料纤维，能将光从一端传输到另一端。光纤通常包括一个纤芯，周围包裹着折射率较低的透明包层材料。全内反射现象使光保留在纤芯中，从而使光纤充当波导。如图7所示（17）。

图7. 单模光纤的内部结构

1.  光纤的内芯；2.包层；3.缓冲层；4.外套。包层2的折射率小于光纤内芯1的折射率。

2.   光纤按光纤截面上折射率分布的分类

按照截面上折射率分布的不同可以将光纤分为阶跃型光纤(Step-Index Fiber，SIF)和梯度型（渐变型）光纤(Graded-Index Fiber，GIF)，其折射率分布如图8所示。阶跃型光纤的纤芯与包层介质的折射率分别呈均匀分布,在分界面处折射率有一突变, 故称为阶跃型光纤。 梯度型（渐变型）光纤纤芯的折射率沿径向渐变呈现梯度分布, 而包层的折射率为均匀分布, 故称为梯度型（渐变型）光纤（18-21）。

图8. 光纤的种类

3.   光纤中光线的路径

由于光纤截面折射率的分布特征不同,其内的光线传播轨迹也有所不同。尤其梯度型（渐变型）多模光纤中光线可汇聚在中心轴上。如图9,10所示。

图9.光纤中光线的理想路径

图10.光纤中光线的实际路径

 行星大气折射率的分布特性

1.  介质的折射率n： 光在真空中速度c除以光在介质中的速度v，即n=c/v。

2.  由于光在大气中速度随密度增加而减小，则大气的折射率与密度成正比或正相关。

3.  行星表面的大气粒子受引力约束，而引力与半径的平方反相关。则行星表面大气密度与高度反相关，沿高度（径向）存在梯度。

4.  依据1-3，行星表面大气的折射率通常与高度反相关，沿高度（径向）存在梯度。

5.  依据4，由外空间向地球大气入射的光线，除了沿径向之外，通常向下（内）弯曲。如图11，12所示（22，23）。

图11. 地球大气中光线的折射

位于“O”处的观察者会根据物体的高度感受到不同程度的折射。星 B 出现在 B' 处，星 C 出现在 C' 处。不按比例！

图12.由于大气折射日出和日落时太阳图像的位移

金星大气中太阳光线的路径

1.  由于金星大气的密度非常高且沿径向的梯度非常高，金星大气的折射率非常且沿径向的梯度非常高。由于大气密度与气压正相关，大气折射率与大气密度正相关，则大气折射率梯度与大气密度梯度正相关，大气折射率梯度与大气压力梯度正相关。金星表面的大气压为93倍地球大气压，在50公里高度左右为1个地球大气压。而地球，在50公里高度大气压已经近为0。由对比明显可见，金星大气密度沿径向的梯度非常高。因此，金星大气沿径向的折射率梯度也非常高（24）。

2.  同理于梯度型光纤，入射到金星大气中太阳光线的弯曲程度非常高。因此，部分太阳光线不但可到达金星表面的夜区，而且还可返回到昼区。所以，在金星稠密的大气层中光线弯曲可达180°的角度。这意味着，在金星上, 即使背朝太阳也可欣赏“日落东山”的奇景。这一奇特的光学现象被上世纪金星探测器观测到。很明显，该奇特的光学现象导致金星表面实际太阳辐射强度大幅增加，对比太阳光线没有弯曲的状态。尤其穿透能力强的红外线。红外线的波长比可见光长，可以穿越气体和尘埃密集的区域，散射和吸收较少。如图13所示（25，26）。

图13. 金星大气中太阳光线的路径

金星大气中太阳光线的实际路径（实线）；若太阳光线没有弯曲的路径（虚线）。

从金星表面发出的红外线的路径

由于金星大气的折射率非常高且沿径向的梯度非常高，同理于梯度型光纤，由金星表面发射的红外线，除了沿径向及与径向的夹角很小的这部分可射出大气外，其余的皆全反射回金星表面。如图14所示。

图14.金星表面发射的红外线的路径

由于金星大气的折射率非常高且沿径向的梯度非常高，由金星表面发射的红外线发生全反射的临界角很小。因此，由金星表面发射的红外线，除了沿径向及与径向夹角φ很小的范围内的可射出大气外，其余的皆全反射回金星表面。 

讨论

1.  热的三种基本输送方式：传导，对流，辐射（27）。

2.  行星表面的温度状态是行星表面接收-吸收热量与释放热量之间动态平衡的结果。有大气的行星，其表面热量的输送方式主要是辐射和对流。因为气体的热传导率极低，即使在93倍地球大气压下。只有在压力大于196200000 N/m²时，气体的热传导率才随压力增大而增加。因此，对于有大气的行星的表面温度状态及行星气候变化的正确分析方法，必须兼顾辐射与对流这两个方面，两者缺一不可(28，29)。

3.  依据行星与太阳的间距，金星距离太阳较近，金星表面的太阳辐射强度的理论值约为地球的2倍。如图15所示(30，31)。

4.  由于金星大气密度非常高且沿径向的梯度非常高，大气折射率非常高且沿径向的梯度非常高，导致，

（1）       太阳光线在金星大气中弯曲程度非常高，致金星表面的太阳辐射强度很高，远超3 所述。尤其红外辐射。

（2）       从金星表面发射出的红外线的大部分被大气全反射回金星表面。

5.  金星大气密度非常高，又大气中严重雾霾致大气电导率极低，造成金星表面大气对流极弱。金星表面附近的风比地球上的风慢得多。风速通常小于2米/秒，平均为0.3至1.0米/秒(32)。

6.  依据1-5，金星表面异常高温，且无昼夜温差。

7.  依据4所述原理，可开发高效的太阳能器件及设备。（1）  高效光伏发电器件：用折射率梯度较大的透明介质，包裹在光伏发电膜外面。如将光伏发电膜制成球膜状或半球膜状，或卷曲面状，置于折射率梯度较大的透明材料中，其外形可球状或半球状，或卷曲状等。（2）  高效太阳能集热器：用折射率梯度较大的透明介质，包裹在集热管/桶上。

8.  依据4所述原理，可开发高效的保暖、保温材料。应用于（1）  保暖服装：用折射率梯度较高的材料制衣。（2）  保温设备: 用折射率梯度较高的材料包覆在需要保温的容器外。（3）  保暖、保温建筑：用折射率梯度较高的材料作为需要保暖、保温的建筑的外层。

图15.太阳系内行星位置

地球气候变暖的成因

参照上述对金星表面异常高温的成因的分析，

1.  通常地表大气密度为0.129g/cm³,而大气污染中的气溶胶粒子的密度为0.4-1.53g/cm³之 间, 则大气污染无疑会使大气密度增加(33，34)。

2.  由于光在大气中速度随密度增加而降低，而大气污染导致大气密度增加，则大气污染导致大气折射率增加。如1996年冬季，由于大气污染，北京地表大气折射率已达1.55，而无污染时地表大气折射率约为1(35)。

3.  由于大气中污染物的移动是由输送、扩散和沉积引起的，高空风速大于地表风速。因此，污染物分布浓度沿高度存在很大的梯度。因此，大气污染会增加大气折射率沿高度的梯度，尤其低层大气。大气污染越重，低层大气折射率的梯度越大(36)。

4.  地球表面的陆地面积是一定的，城市扩张必然导致绿地减少，大气污染加重（37-39）。

5.  伴随城市扩张，大气污染加重。导致低层大气折射率的梯度增加。因此，(1)入射到地球大气中太阳光线的弯曲程度增加，聚向地表的太阳光线增加，造成地表的太阳辐射强度增加，尤其红外辐射。可参照图13。(2)从地表发出的红外线，全反射回地表的比率增加。可参照图14。

6.  伴随城市扩张，大气污染加重。导致大气密度增加和大气电导率降低。造成大气对流减弱。

7.  依据5和6，地球气候变暖。

8. 上述分析明显是在排除了太阳极小期，大的陨石撞击地球等这些极端空间天气事件的前提下。

9.  对上述分析，一个强有力的支持，来自连续五年10月下旬北京气温增幅与空气质量指数增幅正相关的事实。参考文献32。

2019-2023年10月下旬北京日均气温-日均空气质量指数统计表

结论

1.  行星表面的温度状态是行星表面接收-吸收热量与释放热量之间动态平衡的结果。而有大气的行星，其表面热量的输送方式主要是辐射和对流。因此，对于有大气的行星的表面温度状态及行星气候变化的正确分析方法，必须兼顾辐射与对流这两个方面，两者缺一不可。

2.  金星距太阳较近，金星大气折射率沿径向的梯度很高，金星大气对流极弱，造成金星表面异常高温，且无昼夜温差。

3.  由于城市扩张，绿地减少，大气污染日益严重。导致低层大气折射率的梯度增加和大气对流减弱。造成地球气候变暖。

4.  控制地球气候变暖，应控制城市扩张和大气污染，并增加绿地。

5.  依据金星大气折射率梯度很高而高效集聚太阳光的原理，可开发高效太阳能器件及设备。

6.  依据金星大气折射率梯度很高而高效反射金星表面红外线的原理，可开发高效保温及保暖材料。

致谢

1.  感谢张明昌，Robert Jastrow老师在其著作中对金星大气中奇特光学现象的描述，启迪我关注光穿越行星大气的路径及其变化，来探索行星气候及其变化。

2.  感谢龚碧平，于迎军，吕和发，杨宝华，盛德富，徐树奎，鲍玉琴，余关关，朱凤景，贾克，关绍先，李耀鸾老师和从科学网结识的多位老师以及科学网站的老师们的鼓励和指导！

参考文献

1.  Lilley, A. E., The Temperature of Venus, Astronomical Journal, Vol. 66, p. 290, https://articles.adsabs.harvard.edu/full/1961AJ.....66Q.290L

2.  Edward J. Tarbuck, Fred K. Lutgens, Earth Science 15th Edition, 502-503, ISBN:013454353X （2017）

3.  Greenhouse gas， https://en.wikipedia.org/wiki/Greenhouse_gas

4.  Venus ，https://en.wikipedia.org/wiki/Venus

5.  Atmosphere of Venus, https://en.wikipedia.org/wiki/Atmosphere_of_Venus

6.  Venus facts ，https://science.nasa.gov/venus/venus-facts/

7.  太阳系各大行星大气层比较，https://www.cnsa.gov.cn/n6758968/n6758973/c6795329/content.html

8.  Peng-Sheng Wei，Absorption coefficient of carbon dioxide across atmospheric troposphere layer，https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6174548/

9.  吴军，王先华，空间外差光谱技术应用于大气二氧化碳探测的能力,

https://www.researching.cn/ArticlePdf/m00006/2011/31/1/0101001.pdf

10. 《固定污染源废气二氧化硫的测定非分散红外吸收法》（征求意见稿）编制说明，https://www.mee.gov.cn/gkml/hbb/bgth/201007/W020100705539323773368.pdf

11. Greenhouse Gas Absorption Spectrum, https://www.meteor.iastate.edu/gccourse/forcing/spectrum.html

12. Infrared ，https://en.wikipedia.org/wiki/Infrared

13. Electromagnetic radiation ，https://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_radiation

14. Refraction ，https://en.wikipedia.org/wiki/Refraction

15. Refractive index ，https://en.wikipedia.org/wiki/Refractive_index

16. Total internal reflection， https://en.wikipedia.org/wiki/Total_internal_reflection

17. Optical fiber ，https://en.wikipedia.org/wiki/Optical_fiber

18. Optical fibers，https://www.bbc.co.uk/bitesize/guides/z3jbh39/revision/2

19. The multi graded index fiber,https://www.researchgate.net/figure/Figure-5-The-multimode-graded-index-fiber_fig2_345119

20. 光纤及其种类简单介绍，https://www.sopto.com.cn/cn/sp_news/show-416.html

21. 王沛，鲁拥华，《光学》，15-21，ISBN:978-7-312-05149-4

22. Atmospheric refraction ，https://britastro.org/2019/atmospheric-refraction

23. Atmospheric refraction ，https://en.wikipedia.org/wiki/Atmospheric_refraction

24. Atmosphere of Earth ，https://en.wikipedia.org/wiki/Atmosphere_of_Earth

25. 张明昌，中国大百科全书《天文学》第一版，176-177，ISBN:7-5000-5973-6/P·2

26. R. Jastrow, M. H. Thompson, Astronomy: Fundamentals and Frontiers, Third Edition，416, John Wiley and Sons, New York, 1977.

27. Heat transfer ，https://en.wikipedia.org/wiki/Heat_transfer

28. Thermal conductivity of gases, https://tsapps.nist.gov/publication/get_pdf.cfm?pub_id=907540

29. 固体，液体，气体的热传导系数，https://www.chem17.com/tech_news/detail/1242641.html

30. Venus Fact Sheet，https://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/venusfact.html

31. Universe today， https://www.universetoday.com/15878/diagram-of-the-solar-system/

32. 池德龙，气候变暖的主因，https://blog.sciencenet.cn/blog-3474929-1412371.html

33. Air mass/density, https://www.earthdata.nasa.gov/topics/atmosphere/air-mass-density

34. 韩永 ，大气气溶胶物理光学特性研究进展，https://wulixb.iphy.ac.cn/article/doi/10.7498/aps.57.7396

35. 田文寿，大气气溶胶有效折射率的计算及相对湿度对它的影响，https://www.hjkx.ac.cn/hjkx/ch/reader/create_pdf.aspx?file_no=19960309&flag=1&journal_id=hjkx&year_id=1996

36. Wind gradient ，https://en.wikipedia.org/wiki/Wind_gradient

37. 蒋金亮，快速城市化背景下城市扩张对空气质量影响研究，https://plc.pku.edu.cn/__local/3/03/17/15FF4464D09081DDF7EDE41FBD1_9BC14599_4389E.pdf?e=.pdf

38. Urban green space, https://en.wikipedia.org/wiki/Urban_green_space

39. 肖玉，北京城市绿地对大气PM_2.5的削减作用， https://www.resci.cn/CN/lexeme/showArticleByLexeme.do?articleID=37744