大气层中空气密度的无规则起伏称为大气湍流。湍流对光束传输的影响称为湍流效应。在地球表面，热空气上升，冷空气下沉，形成空气对流。这样，在大气中各点的温度和密度是无规则变化的，这种变化随高度和风速而不同，变化较为剧烈时形成湍流。而大气的折射率取决于密度，因此大气的折射率也随空间和时间作无规则的变化，从而形成了大气湍流效应。湍流效应主要表现为强度起伏；相位起伏（光束相位的不稳定，即相位的空间起伏和相位的时间起伏）和方向起伏（光束在大气中传输时，发生偏离某一固定方向的随机性波动）。

德国马克斯·普朗克综合技术系统动力学研究所、美国康奈尔大学、法国国家科研中心实验室、丹麦里索国家实验室的专家成功观察到，在强湍流情况下粒子是如何运动的，实验是利用专门研制的高速照相机系统进行的。

在所示照片中表示某些粒子在湍流中的轨迹，图中的颜色表示粒子的速度，蓝色表示粒子缓慢的速度，红色表示快速，绿色表示中等速度。在另一幅照片中表示在湍流中移动的大量聚苯乙烯小球（直径25微米），照片是在绿色激光照明下拍摄的。

观察到的粒子性能很符合巴特切罗尔条件，根据巴特切罗尔条件能描述地球上几乎全部的湍流运动。另外，在涡流中从一个地方流出的粒子分离实际要比理论上缓慢很多。

大气湍流效应造成大气折射率的随机起伏，使接收光信号闪烁、漂移，相当于引入了很大的随机噪声，使误码率增加。

大气湍流效应引起的接收光信号闪烁，可以用多光束同步发射和大孔径光学接收天线来减少其影响。多光束同步发射是用几个不同位置(相距200mm左右)的激光器发送同样的信息，此举显然能够增加信号的可靠性，但成本也会相应增加。