为何激光射向天空时会出现先变亮再突然消失的断裂点？
你观察到的现象，激光射向天空时出现的“先变亮后突然消失的断裂点”，其实是一个非常有趣的视觉现象，它涉及到激光本身的特性，以及激光与大气介质相互作用的结果。我来给你细细说道说道。
首先，我们得明白激光跟我们平时用的手电筒里的光有什么不同。手电筒的光是来自一个发光体，比如灯泡，光线是向四面八方散射出去的，能量也比较分散。而激光，它发出的光是“相干光”，意思是这些光波的波峰和波谷在时间和空间上都对得很齐。这就像一群训练有素的士兵在齐步走，步调一致，方向统一。所以，激光束非常集中，能量密度很高，即使走得很远，光束也不会像普通光那样轻易散开。
好，现在我们把这束高能、集中的激光射向天空。天空可不是真空，里面有各种各样我们肉眼看不见的“东西”。最主要的就是大气中的粒子。这些粒子包括：
1. 灰尘和悬浮颗粒： 城市里、工业区附近，空气中会漂浮着细小的灰尘、烟粒。即使在比较干净的地方，也会有一些微小的土壤颗粒、矿物质碎片等等。
2. 水汽和气溶胶： 空气中总是含有一定量的水蒸气，在某些条件下，这些水蒸气会凝结成微小的水滴，形成雾、霾。此外，还有各种人类活动产生的气溶胶，比如汽车尾气、工厂排放的烟雾等。
3. 甚至微生物： 细菌、真菌的孢子等等，虽然极微小，但也是大气中的一部分。
当激光束射入这些含有粒子的空气时，就会发生光散射。你可以想象，激光的光波像是一颗颗小石子，撞上了这些大气中的小颗粒。
“先变亮”： 在激光束传播的初期，或者在一些粒子浓度相对较高的地方，激光束中的一部分光会被这些粒子向各个方向散射出去。就像你把一束光照进一个充满尘埃的房间，你会看到那些尘埃在光束中闪闪发光，因为光被它们反射或散射到了你的眼睛里。对于我们来说，这就是激光束“变亮”了，我们看到了被散射到我们方向的光，感觉光束好像“粗”了一点，或者在某个区域特别显眼。这有点像在漆黑的夜晚，你用手电筒照向空气，能看到空气中漂浮的尘埃被照亮。
“突然消失的断裂点”： 这个“突然消失”其实更准确的说法是“光束的有效传播距离的终结”，或者说“可见光束的终端”。这里面有几个原因：
1. 衰减（Attenuation）： 激光束在传播过程中，能量会被不断地吸收和散射。散射会把一部分光能量“拉走”，让光束不再那么集中；吸收则会直接消耗掉光能量。当激光束遇到高浓度的散射粒子时，衰减会非常快。你可以想象，光束就像是在“穿越”这些粒子，每穿过一个区域，能量都在损失。
2. 粒子浓度和分布的不均匀性： 大气中的粒子分布不是均匀的。可能在某一段距离，粒子浓度不高，激光束还能保持较高的能量密度，传播得比较远。但一旦遇到一个粒子浓度突然升高，或者有某种特殊介质（比如一层比较浓的雾、烟尘团）的地方，激光束的能量就会在很短的距离内被大量散射和吸收，能量急剧下降。
3. 人眼感知阈值： 我们的眼睛能看到光，是有一个最低的亮度阈值的。即使激光束还有微弱的光在传播，一旦它的能量密度低到我们眼睛无法感知，我们就会觉得它“消失”了。那个“断裂点”，实际上是激光束的强度衰减到我们人眼无法分辨的水平。
4. 激光本身的特性： 不同的激光器，发出的激光波长、功率都不同。可见光激光（比如绿色、红色激光）在大气中传播时，散射现象更容易被我们肉眼观察到。而一些不可见光激光，即使能量很高，我们也看不到它，因为它没有被散射到我们眼睛里。
所以，你看到的那个“断裂点”，往往是激光束遇到了一个大气粒子浓度显著升高的区域。在这个区域之前，激光束的能量足够高，即使有散射，我们仍然能看到光线，甚至由于散射光增强了可见性而显得“变亮”。一旦进入这个高浓度区域，能量迅速衰减，直到低于人眼的感知极限。这个“突然消失”的过渡区可能非常短，所以看起来就像是有一个“断裂点”。
举个例子，如果你在雨天或雾天用激光笔照向空中，你会更容易看到明显的“光柱”或“光点”，但这个光柱不会无限延伸，它也有一个“尽头”。那个尽头，就是激光能量衰减到无法被肉眼看到或者无法继续有效穿透介质的界限。
总而言之，你观察到的现象，是激光束在与大气中不均匀分布的粒子发生强烈的散射和吸收作用后，能量迅速衰减，直至低于人眼可见阈值的一个结果。那个“变亮”的时刻，是散射光恰好被你捕捉到了，而“断裂点”则是它能量耗尽的“终点”。
首先，我们得明白激光跟我们平时用的手电筒里的光有什么不同。手电筒的光是来自一个发光体，比如灯泡，光线是向四面八方散射出去的，能量也比较分散。而激光，它发出的光是“相干光”，意思是这些光波的波峰和波谷在时间和空间上都对得很齐。这就像一群训练有素的士兵在齐步走，步调一致，方向统一。所以，激光束非常集中，能量密度很高，即使走得很远，光束也不会像普通光那样轻易散开。
好，现在我们把这束高能、集中的激光射向天空。天空可不是真空，里面有各种各样我们肉眼看不见的“东西”。最主要的就是大气中的粒子。这些粒子包括：
1. 灰尘和悬浮颗粒： 城市里、工业区附近，空气中会漂浮着细小的灰尘、烟粒。即使在比较干净的地方，也会有一些微小的土壤颗粒、矿物质碎片等等。
2. 水汽和气溶胶： 空气中总是含有一定量的水蒸气，在某些条件下，这些水蒸气会凝结成微小的水滴，形成雾、霾。此外，还有各种人类活动产生的气溶胶，比如汽车尾气、工厂排放的烟雾等。
3. 甚至微生物： 细菌、真菌的孢子等等，虽然极微小，但也是大气中的一部分。
当激光束射入这些含有粒子的空气时，就会发生光散射。你可以想象，激光的光波像是一颗颗小石子，撞上了这些大气中的小颗粒。
“先变亮”： 在激光束传播的初期，或者在一些粒子浓度相对较高的地方，激光束中的一部分光会被这些粒子向各个方向散射出去。就像你把一束光照进一个充满尘埃的房间，你会看到那些尘埃在光束中闪闪发光，因为光被它们反射或散射到了你的眼睛里。对于我们来说，这就是激光束“变亮”了，我们看到了被散射到我们方向的光，感觉光束好像“粗”了一点，或者在某个区域特别显眼。这有点像在漆黑的夜晚，你用手电筒照向空气，能看到空气中漂浮的尘埃被照亮。
“突然消失的断裂点”： 这个“突然消失”其实更准确的说法是“光束的有效传播距离的终结”，或者说“可见光束的终端”。这里面有几个原因：
1. 衰减（Attenuation）： 激光束在传播过程中，能量会被不断地吸收和散射。散射会把一部分光能量“拉走”，让光束不再那么集中；吸收则会直接消耗掉光能量。当激光束遇到高浓度的散射粒子时，衰减会非常快。你可以想象，光束就像是在“穿越”这些粒子，每穿过一个区域，能量都在损失。
2. 粒子浓度和分布的不均匀性： 大气中的粒子分布不是均匀的。可能在某一段距离，粒子浓度不高，激光束还能保持较高的能量密度，传播得比较远。但一旦遇到一个粒子浓度突然升高，或者有某种特殊介质（比如一层比较浓的雾、烟尘团）的地方，激光束的能量就会在很短的距离内被大量散射和吸收，能量急剧下降。
3. 人眼感知阈值： 我们的眼睛能看到光，是有一个最低的亮度阈值的。即使激光束还有微弱的光在传播，一旦它的能量密度低到我们眼睛无法感知，我们就会觉得它“消失”了。那个“断裂点”，实际上是激光束的强度衰减到我们人眼无法分辨的水平。
4. 激光本身的特性： 不同的激光器，发出的激光波长、功率都不同。可见光激光（比如绿色、红色激光）在大气中传播时，散射现象更容易被我们肉眼观察到。而一些不可见光激光，即使能量很高，我们也看不到它，因为它没有被散射到我们眼睛里。
所以，你看到的那个“断裂点”，往往是激光束遇到了一个大气粒子浓度显著升高的区域。在这个区域之前，激光束的能量足够高，即使有散射，我们仍然能看到光线，甚至由于散射光增强了可见性而显得“变亮”。一旦进入这个高浓度区域，能量迅速衰减，直到低于人眼的感知极限。这个“突然消失”的过渡区可能非常短，所以看起来就像是有一个“断裂点”。
举个例子，如果你在雨天或雾天用激光笔照向空中，你会更容易看到明显的“光柱”或“光点”，但这个光柱不会无限延伸，它也有一个“尽头”。那个尽头，就是激光能量衰减到无法被肉眼看到或者无法继续有效穿透介质的界限。
总而言之，你观察到的现象，是激光束在与大气中不均匀分布的粒子发生强烈的散射和吸收作用后，能量迅速衰减，直至低于人眼可见阈值的一个结果。那个“变亮”的时刻，是散射光恰好被你捕捉到了，而“断裂点”则是它能量耗尽的“终点”。
网友意见
我们之所以能看到激光的光路，是因「丁达尔效应」所致。在空气中，充斥着尘埃、微粒，与空气构成了气溶胶，可以散射光线，从而让人看到激光的光路。
没有散射，就无法看到光路。在真空中射出的激光束，若不指向人眼，人就无法看到光线。此时，光路之上必须得有些阻碍，使得光线的方向调转，转而指向人眼。这样，人才能看到光线的形态。
夜空之中，激光光束突然消失，应该是触及了「大气边界层」（Planetary boundary layer）。这一层与字面意思不同，其所指的恰恰是大气最接近地表的一层，厚度在几百米到几千米不等。而在夜里，这个高度还会更低，接近100米左右。
在大气边界层中，由于与地面接近，所以尘埃、或谓气溶胶的密度较大，散射更强，所以看到的激光束也就更亮。此层向上，空气流速则明显加快，其中的气溶胶密度也大幅降低，所以便无法看到激光光束了。
NASA曾经就利用这个现象，靠激光的背散射率，来测量大气不同高度上尘埃的密度（DIAL计划，Differential Absorption Lidar）。
可以看到，在一千米左右的高度上，散射率出现了突变。在其下，散射更强；超过这一高度，散射则陡然减弱。（其中白色代表散射更强，图里写的relative aerosol scattering应该做过倒数或是其他数学变换，使得值越低散射越强）
NASA DIAL计划的Edward V. Browell博士也解释过这个现象：
我们多次向天顶发射激光，也多次看到了同样的现象（译注：即本问题中的现象）。其原因在于，大气边界层中的气溶胶密度（大气层微粒）较大，提高了激光散射到人眼的强度。大气边界层之上的气溶胶相比之下就极为稀薄了，在夜里，大气边界层的高度可以变得非常之低（<100m）。激光束突然在边界层顶部结束，也正因如此。我们所用的激光雷达则更为灵敏，可以探测到大气边界层之上的散射现象。这说明，激光束并没有在那里就停下，而是继续前行。你若有兴趣，可以在我们的网站上查到激光雷达的图像(http://asd-www.larc.nasa.gov/lidar/lidar.html)（译者注：网站已挂）。
文章/回答精选集：
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