對大氣聚集粒子的電磁散射特性的研究

【摘 要】本文初步研究了大氣聚集粒子的電磁散射特性，研究了在忽略庫侖相互作用影響的情況下，幾種典型大氣聚集粒子極化度的角分布。討論了聚集粒子的散射特性和極化特性兩個(gè)方面的性質(zhì)。

【關(guān)鍵詞】大氣聚集粒子 電磁散射特性 極化度

近年來，很多科學(xué)領(lǐng)域的學(xué)者對大氣聚集粒子的電磁輻射都產(chǎn)生了濃厚的研究興趣。因?yàn)榇髿饩奂Ｗ拥纳⑸湎嚓P(guān)理論應(yīng)用是十分廣泛的，在大氣物理學(xué)和地球物理學(xué)領(lǐng)域，還有氣象學(xué)、膠體化學(xué)，以及云中粒子的研究中都有涉及。大氣聚集粒子組成等方面的性質(zhì)多樣性，使得關(guān)于大氣輻射和輸運(yùn)等方面很難實(shí)現(xiàn)精確計(jì)算。然而大氣聚集粒子的多元性，無規(guī)則粒子的電磁輻射等相關(guān)的難題，也一直是國際上關(guān)于散射理論研究的難點(diǎn)和焦點(diǎn)。尤其是在近幾年，隨著激光技術(shù)廣泛的應(yīng)用于通訊，關(guān)于大氣聚集粒子在電磁傳輸和輻射輸運(yùn)等過程中對光的散射和吸收作用的相關(guān)研究得到了越來越多的關(guān)注和重視。

今些年，國外快速發(fā)展了多種關(guān)于非球性和非勻質(zhì)聚集粒子的光散射計(jì)算方法，按計(jì)算模型思想的不同它們可以分為以下三類：解析方法、基于表面的數(shù)值方法、基于體積的矩陣方法。本文著重討論聚集粒子的散射特性和極化特性兩個(gè)方面的性質(zhì)。同時(shí)也研究了球形聚集粒子、大氣聚集粒子以及單個(gè)小粒子群的散射特性和極化特性以及其他方面的性質(zhì)。

1. 大氣聚集粒子的散射

極化和散射是電磁波在傳播和輸運(yùn)過程中存在的兩種固有的屬性性質(zhì)，其中極化描述的是以電場強(qiáng)度矢量的端點(diǎn)作為時(shí)間的函數(shù)所形成的空間軌跡的矢量旋進(jìn)方向及形狀，它說明了電場強(qiáng)度的幅度數(shù)值和取向隨時(shí)間的變化規(guī)律特征。電磁散射矩陣是電磁波在與介質(zhì)之間發(fā)生相互作用過程中，使其前后極化狀態(tài)隨機(jī)發(fā)生變化的一個(gè)過程銜接，包括了電磁波的散射和極化的所以信息參量和數(shù)據(jù)模擬值，同時(shí)能夠間接的反應(yīng)介質(zhì)本身物理屬性和特征。

2 大氣聚集粒子電磁散射特性及極化度

2.1 大氣聚集粒子散射特性

在宇宙空間中存在大量的大氣聚集粒子，大到宇宙空間，小到實(shí)驗(yàn)室、家庭、汽車和工業(yè)加工車間都存在著大氣聚集粒子，因此對大氣聚集粒子的特性研究越發(fā)顯得重要。單簇的大氣聚集粒子的研究，可以進(jìn)一步來研究大量的具有隨機(jī)分布的大氣聚集粒子的研究，進(jìn)而研究大氣聚集簇的形成機(jī)理。

我們用計(jì)算機(jī)圖像模擬方法模擬出具有分形特征結(jié)果的大氣聚集粒子，并分析其理論模型，也就是用幾種由特殊球形的粒子以隨機(jī)方式組成的粒子結(jié)構(gòu)來進(jìn)行模擬。由此來討論體現(xiàn)散射特性和極化特性的粒子散射矩陣，并用計(jì)算機(jī)模擬單簇的大氣聚集粒子的散射特性。

單群大氣聚集粒子，由于其入射角的變化而引起的差異相對是比較明顯的，而這種差別還會(huì)伴隨著入射波物理特征的改變，其原因是大氣聚集粒子的折射率，會(huì)隨著入射波的波長的變化而發(fā)生改變，這也就導(dǎo)致大氣聚集粒子對入射波的散射和吸收發(fā)生改變，從而影響了大氣聚集簇的總散射特征。我們知道電磁波在不同的波長下照射大氣聚集粒子時(shí)會(huì)對應(yīng)著不同的復(fù)折射率，而不同的復(fù)折射率又對粒子的尺寸參數(shù)是有一定的相關(guān)度的，電磁波的波長越大對應(yīng)的電磁散射強(qiáng)度就越小，這就意味著大氣聚集粒子吸收的能量越大。

2.2 大氣聚集粒子的電磁輻射特性

我們在研究大氣聚集粒子的光輻射的時(shí)候，都是用以下這幾個(gè)量進(jìn)行討論，而大氣聚集粒子的一般電磁散射特性也是通過這些量來揭示的。

1）幾何反照率參量，該公式中表示反照率方位平均值， G表示散射幾何截面，為介質(zhì)中入射波的波長。反照率與散射光的強(qiáng)度有關(guān)，當(dāng)A<0.05，即小相位角時(shí)，我們以這樣來表示和散射角之間的關(guān)系：。

2）多孔性。，代表包圍聚集體的球的體積，表示聚集體體積。散射和微分散射的不同截面。通過研究發(fā)現(xiàn)，大氣聚集粒子還有熱輻射和光譜能量分布等這些特性。這里需要引入的一個(gè)理論是大氣聚集的光學(xué)厚度，通過其散射特性可以確定大氣聚集粒子的光學(xué)厚度觀察量。通過研究發(fā)現(xiàn)，大氣聚集粒子的散射特性與其尺寸的大小有密切的關(guān)系，我們在研究中構(gòu)造了相似于與隕石狀的星際大氣聚集聚集粒子尺寸的單體粒子，主要采用球形和四面體的粒子形狀。

3）極化度，當(dāng)相位角很小的時(shí)候，極化度為負(fù)數(shù)，當(dāng)相位角等于二十度時(shí)，極化度上升到零，當(dāng)相位角在90度附近時(shí)，極化度達(dá)到最大值。

大量的研究表明，凝聚粒子在入射波作用下不同部位產(chǎn)生的極化是不同的，同時(shí)導(dǎo)致了在遠(yuǎn)處產(chǎn)生的散射場是不同的。散射特性隨大氣聚集粒子的尺寸的變化十分明顯。在計(jì)算中，如果采用離散偶極子近似的方法，所用偶極子的數(shù)目越大計(jì)算的結(jié)果相對越準(zhǔn)確。而且在數(shù)目比較大的情況下，這種方法的計(jì)算結(jié)果更為接近真實(shí)值。

2.3極化度

極化度與散射粒子的形狀、尺寸和折射率密切相關(guān)。因?yàn)榭捎玫挠?jì)算資源是有限的，所以我們需要知道要采樣多少樣品點(diǎn)，才能得到所期望的準(zhǔn)確值。

實(shí)驗(yàn)中我們選擇單個(gè)四面體來研究所必須的樣品點(diǎn)的數(shù)目。計(jì)算中的參數(shù)是，等體積半徑為。以大氣聚集粒子由8096個(gè)偶極子陣列表示，對應(yīng)的。同時(shí)計(jì)算了由球形粒子單體構(gòu)造的聚集粒子的極化度。

研究表明，當(dāng)介質(zhì)折射率虛部較小時(shí)，微分散射截面隨著實(shí)部的增大有較明顯的增加。而當(dāng)介質(zhì)折射率虛部較大時(shí)，微分散射截面隨實(shí)部的增大在整個(gè)散射區(qū)域均無明顯變化。當(dāng)散射角在90度時(shí)，極化度最大，而極化度的角分布也隨著單體形狀的變化而有所不同。聚集粒子的極化度角分布也隨著單體粒子的數(shù)目和單體的形狀，以及聚集形態(tài)的不同而不同。而且，極化度曲線的變化也是隨著單體粒子數(shù)目的增加而出現(xiàn)強(qiáng)烈的起伏變化。

3 總結(jié)

本文初步探討了大氣聚集粒子的電磁散射特性，研究了在不考慮庫侖作用條件下，幾種典型大氣聚集粒子的極化度角分布。對大氣聚集粒子進(jìn)行建模，并通過理論模型進(jìn)行了相關(guān)的探討和研究。然后研究了大氣聚集粒子的光散射特性和極化特性，得出了散射強(qiáng)度和極化度隨散射角的變化的結(jié)論。

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