大气中空气温度和压力的随机变化带来大气密度的变化，从而使得折射率随机变化，称为大气湍流。大气湍流效应主要考虑折射率起伏对光波传输的影响，大气折射的微结构由温度场、湿度场和风场等场结构决定。由于光场受到传输路径上折射率扰动的影响，大气湍流效应对传输光束的影响主要表现为光强起伏（大气闪烁）和光束漂移等。光强起伏主要由湍流旋涡引起。光束经过大气传输后，由于湍流的扰动使得光束达到角发射随机抖动，即为光束漂移。

湍流运动的动力学性质由雷诺数（Re）来衡量，它是一个无量纲数，在Re很大时，湍流可以看成由相差很大的、各种不同的涡旋组成，最大的涡旋直接由平均流动的不稳定性或边界条件产生，类似于理查森（Richardson）级串联模型，大的涡旋从外界获取能量逐级传递给次级的涡旋，最后在最小的涡旋尺度上被黏性所耗散。湍流运动是一个随机过程，因此可以由统计量描述。为了确定这些统计规律，苏联数学家A.H.柯尔莫哥洛夫在1941年提出了K41理论。根据该理论，在惯性区大气湍流为充分发展的局地均匀各向同性湍流，常用大气折射率结构常数来描述大气湍流的强弱，是影响光学大气传输的重要参数之一，具有一定的时空分布特征和显著的高度变化特征。

近地面大气湍流不仅具有显著的日变化特征，同时具有明显的地理变化特征。白天近地面大气层结构不稳定，湍流充分发展，湍流强度较高；夜晚近地面大气层结构稳定，湍流不易发展，湍流强度相对较低。陆地、水面以及不同的大气环境都对湍流的强度产生影响。大气相干长度也称为弗里德（Fried）常数，它综合了大气湍流结构常数、传输光学波长和传输距离等光波大气传输特征参量，是表征大气湍流中传输光束横截面上空间相干性的物理量，在衍射成像、激光相干探测和通信研究中具有重要应用。为了克服大气湍流效应的影响，需要采用自适应光学系统校正由于大气湍流效应造成的动态波前误差。