Рассеяние электромагнитного излучения сферическими полидисперсными частицами - Дейрменджан Д.
Скачать (прямая ссылка):
На рис. 17, б изображен ряд дифракционных максимумов и минимумов в синей и красной областях спектра, полученных соответственно для двух водяных капель почти одинакового размера (г^;6,5 мкм). Оптически тонкое облако, состоящее целиком из таких капель, будет давать два одинаково ярких и узких голубовато-белых кольца с угловыми радиусами 5 и 3° соответственно, с красноватой внутренней каймой и значительно более ярким голубым ореолом вокруг источника света с угловым радиусом около 2°. Естественные венцы вокруг Солнца и Луны обычно имеют именно такие угловые размеры или меньшие. Однако цвет их редко бывает такой чистый и определенный, поскольку обычно облако не является строго монодисперсным. Тем не менее, как будет видно из дальнейшего (разд. 4.3.2), размеры облачных капель
5*
68
Теория рассеяния света
должны располагаться в узком интервале около наиболее вероятного размера, определяемого функцией распределения. В противном случае дифракционные кольца полностью «размываются». Кстати, заметим, что в противоположность рис. 16, а расчетные дифракционные минимумы в этом случае совпадают значительно точнее с действительными минимумами рассеянного излучения, поскольку в данном случае рассматриваются более крупные сферические частицы.
в в
Рис. 17. То же, что на рис. 16, но для больших диэлектрических частиц, а — две водяные капли с одинаковыми относительными размерами. Показан эффект изменения геометрического размера (или длины волны) в зависимости от небольшого изменения показателя преломления т. 6 — водяная капля с радиусом ^6,5 мкм.. Показан сдвиг в положении и числе дифракционных минимумов в зависимости от длины волны (или относительного размера).
На рис. 18 представлены графики интенсивности (i'i+i2)/2 в логарифмическом масштабе для радуги и глории (параметры водяных капель те же, что на рис. 17, б). Расчетные точки через интервалы 0,25° соединены гладкими непрерывными кривыми. Ясно, что угловое разрешение порядка 1° явно недостаточно для детального исследования вариаций интенсивности в случае таких изолированных сферических частиц, особенно в области углов глории. Гипотетический тонкий монодисперс-ный облачный слой, о котором говорилось выше, приводил бы к четко выраженным глориям синего цвета с угловым радиусом 2° и красного
Г лава 2. Рассеяние света отдельными частицами
69
цвета с угловым радиусом ~3,5°, а также к яркой радуге голубого цвета с угловым радиусом «37,5°.
На кривых рис. 18 указаны также несколько значений степени линейной поляризации (г,—i^Kii-rii) в случае рассеяния неполяризованного излучения. Отметим типично высокие поляризации для углов глории. В этом случае колебания электрического вектора происходят главным образом параллельно плоскости рассеяния в противоположность явлению венцов, когда рассеянное излучение практически не поляризовано. Результаты теории Ми подтверждают тот факт, что явления радуги и глории нельзя достаточно полно описать, пользуясь
в
Рис. 18. Интенсивность излучения, рассеянного назад в области радуги (слева) и глории (справа). Случай водяной капли с радиусом, равным 6,5 мкм, и двух длин волн 0,45 и 0,70 мкм. Типичные значения степени поляризации в случае неполяризованного падающего излучения указаны при соответствующих углах рассеяния стрелками.
только геометрической оптикой. Из теории Ми также следует, что относительный размер сферических частиц является решающим для определения положения и величины максимумов и минимумов в угловом распределении рассеянного излучеиия. Только очень крупные водяные капли с диаметром порядка 1 мм приводят к классическому явлению радуги (ср. 1251).
Как средство исследования явление глории, вероятно, является более важным для определения природы неизвестных частиц, например в атмосфере Венеры (разд. 4.4.1) и в кольцах Сатурна (разд. 4.4.3).
70
Теория рассеяния света
Это обусловлено устойчивостью картины глории при изменении функции распределения рассеивающих частиц по размерам. Заметим также, что в данном случае (рис. 18) интенсивность рассеяния в направлении точно назад имеет абсолютный максимум в красной, но не синей области спектра. Это соотношение может изменяться для сферических частиц других размеров. Таким образом, эффекты, зависящие от функции распределения частиц по размерам, должны определяться при помощи точной теории, поскольку методы физической и геометрической оптики, по-видимому, не в состоянии предсказать явление глории с достаточной точностью [1, стр. 249—2581.
Глава 3
ОДНОКРАТНОЕ РАССЕЯНИЕ СВЕТА СИСТЕМОЙ ЧАСТИЦ
3.1. ВЫБОР ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
Для количественного описания параметров произвольного потока электромагнитной энергии можно выбрать различные методики и схемы из существующих в настоящее время в зависимости от характера рассматриваемой проблемы. Некоторые из них имеют вполне определенное историческое происхождение или как-то связаны с наблюдениями. Выбор других, наоборот, продиктован математическим формализмом какой-либо конкретной теории или требованиями экспериментальной методики. Классическая терминология и обозначения со времени создания электромагнитной теории изменились. Они продолжают изменяться по мере того, как предпринимаются попытки дать наиболее общее описание электромагнитного поля, часто даже в ущерб пониманию физики какой-либо из рассматриваемых проблем.
