Bức xạ mặt trời bị hấp thụ bởi bề mặt Trái Đất làm cho không khí xung quanh bề mặt Trái Đất nóng hơn so với không khí tại những điểm cao hơn (so với mực nước biển). Lớp khí nóng này trở nên mỏng đi và bốc lên cao để hòa trộn một cách hỗn loạn với các vùng không khí lạnh hơn ở xung quanh, làm cho nhiệt độ không khí thay đổi một cách ngẫu nhiên. Sự không đồng nhất (gây ra nhiễu loạn không khí) là do các ô nhỏ rời rạc, hoặc các xoáy lốc với nhiệt độ khác nhau, hoạt động như những lăng kính khúc xạ có các kích cỡ và chỉ số khúc xạ khác nhau. Sự tương tác giữa búp sóng quang và môi trường nhiễu loạn dẫn tới kết quả là pha và biên độ của trường quang mang thông tin thay đổi một cách ngẫu nhiên, làm cho hiệu năng của liên kết FSO bị suy giảm. Nhiễu loạn khí quyển được phân loại theo các mô hình phụ thuộc vào độ lớn của sự thay đổi chỉ số khúc xạ và sự không đồng nhất. Các mô hình này là một hàm của khoảng cách truyền dẫn của bức xạ quang qua môi trường khí quyển và được phân loại theo các mức độ yếu, trung bình và mạnh.Tuy nhiên, do sự phức tạp trong các mô hình toán học nhiễu loạn khí quyển, nên không có mô hình chung điển hình. Hai mô hình được sử dụng phổ biến nhất, đó là mô hình log- chuẩn và mô hình Gamma-Gamma.
Nhiễu loạn không khí dẫn tới sự biến đổi ngẫu nhiên của chỉ số khúc xạ khí quyển, n, dọc theo tuyến đường truyền dẫn của bức xạ quang qua môi trường khí quyển. Sự biến đổi chỉ số khúc xạ có nguyên nhân trực tiếp là sự biến đổi ngẫu nhiên của nhiệt độ khí quyển. Những sự thay đổi ngẫu nhiên về nhiệt độ là một hàm của áp suất khí quyển, độ cao so với mặt nước biển, và tốc độ gió. Mức độ nhỏ nhất và lớn nhất của các xoáy lốc trong khí quyển, tương ứng được gọi là kích thước cỡ
nhỏ (inner scale), l0, và kích thước cỡ lớn (outer scale), L0, của sự nhiễu loạn. l0
thường nằm trong khoảng một vài milimet trong khi L0 có thể lên tới vài mét.
Mối quan hệ giữa nhiệt độ không khí và chỉ số khúc xạ được xác định bởi công thức (2.8). 3 2 6 1 77.6(1 7.52 10 ) 10 e P n T − − = + + (2.8)
trong công thức này, n là chỉ số khúc xạ, Te nhiệt độ (độ Kenvin), là bước sóng (nm), P là áp suất khí quyển (mbar).
Tốc độ thay đổi của chỉ số khúc xạ theo nhiệt độ được xác định bởi công thức (2.9). 5 2 7.8 10 e e dn P dT T − − = (2.9)
ở độ cao gần mực nước biển, 6 1
10 e dn K dT − − − =
Trong khí quyển nhiễu loạn, một thông số quan trọng để đặc tính hóa lượng thay đổi của chỉ số khúc xạ là tham số cấu trúc chỉ số khúc xạ, Cn2, được giới thiệu bởi Kolmogorov. Giá trị của Cn2 thay đổi theo độ cao so với mặt nước biển, và có một mô hình thông dụng dùng để mô tả giá trị này, đó là mô hình Hufnagel- Valley (H-V) được cho theo công thức (2.10):
2( ') 0.00549( ) (102 5 ') exp(10 ' ) 2.7 10 exp(6 ') ˆexp ( ')
27 1000 1500 100
n
v h h h
C h − h − − − A −
= + + (2.10)
Giá trị của Cn2 thay đổi theo độ cao so với mặt nước biển, nhưng đối với môi trường quang lan truyền theo phương ngang thì chỉ số này được coi là khoảng hằng số, có giá trị từ 10-12 (m-2/3)trong trường hợp kênh truyền có nhiễu loạn mạnh cho đến 10-17 (m-2/3) trong trường hợp kênh truyền có nhiễu loạn yếu. Giá trị trung bình của tham số này khoảng 10-15 (m-2/3).