Рассеяние электромагнитного излучения сферическими полидисперсными частицами - Дейрменджан Д.
Скачать (прямая ссылка):
Автор не пытается давать здесь всесторонний обзор или проводить сравнение различных существующих схем. Краткая характеристика некоторых из них дана в 139]. В следующих разделах мы используем с незначительными изменениями вектор-нараметрическое описание Стокса и соответствующий ему матричный оператор. Это сделано согласно Чандрасекару [401, ван де Хюлсту [11, Секере [41, 42] и другим авторам, основные работы которых посвящены проблемам рассеяния света и атмосферной оптики. Данный выбор позволяет избежать малоэффективных и часто излишних изменений систем основных понятий, единиц и обозначений; он также удобен для теоретического и экспериментального описания не'когерентного и частично поляризованного света, возникающего в результате взаимодействия солнечного излучения с рассеивающей атмосферой планеты.
Тесная связь между параметрами Стокса и экспериментальными величинами, с одной стороны, и соответствующими значениями, определяемыми теориями однократного и многократного рассеяний,— с другой, является очевидной и вполне однозначной. Использование параметров Стокса имеет еще и то дополнительное преимущество, что эти параметры (или эквивалентные им величины) имеют одинаковую физическую размерность. Поэтому параметры для соответствующих потоков обычно являются аддитивными. Естественно, что использование параметров Стокса имеет и некоторые недостатки: например, амплитуды и фазы рассеянных волн описываются неявно, в противоположность так называемому векторному и матричному представлению Джонса [см. 39, стр. 25; 1, стр. 491. Однако в экспериментах по рассеянию света
72
Теория рассеяния света
можно определять только энергии, а не амплитуды и фазы рассеянных волн. Даже если это было бы и возможно осуществить в задачах а т-мосферной оптики при использовании лазера в качестве источника излучения, то все-таки сомнительно, можно ли успешно интерпретировать амплитуды и фазы световых волн, рассеянных элементом объема порядка нескольких кубических метров.
3.2. ПАРАМЕТРЫ СТОКСА ДЛЯ ОТДЕЛЬНОЙ ЧАСТИЦЫ
Особые формы вектор-параметров Стокса и матрицы рассеяния, принятые в настоящей монографии, использовались автором ранее [9] и представляют собой некоторую модификацию, основанную на анализе Перрена [43], а также Перрена и Абрагама [441. Она великолепно соответствует хорошо известной модели атмосферного рассеяния, согласно которой атмосфера состоит из смеси идеальных релеевских рассеивателей и более крупных сферически-симметричных частиц, образованных из оптически однородного и изотропного материала. При этих предположениях элементарный процесс рассеяния математически можно описать с помощью почти диагонального матричного преобразования вектора падающего излучения, поляризованного произвольным образом. Запишем
где 10 и 1(0) — векторы вида {/1; /2, U, К} соответственно для падающего и рассеянного излучений, а а (0) — матричный оператор вида
Величины 10 и I имеют размерности потока энергии и интенсивности рассеянного излучения, рассчитанных соответственно на единицу площади и единичный телесный угол в произвольно выбранных физических единицах. В соотношении (40) Дсо0 — элемент телесного угла вокруг источника излучения, который, как считается, находится достаточно далеко, так что его энергия практически распространяется в определенном направлении в форме «параллельных лучей» или плоских волн; Дсо — элемент телесного угла, в котором распространяется рассеянное излучение (рис. 19, а). В дальнейшем мы будем предполагать, что имеем дело с квазимонохроматическим излучением в интервале длин волн АХ. Элементы ст; (0) матрицы (41) имеют размерности дифференциального коэффициента рассеяния в единичном телесном угле, определяемого выражением (3).
Рассматриваемый рассеивающий элемент, помещенный в точке О
I (0) Дсо а (0) 10Д(о0Д(о,
(40)
(41)
Глава 3. Однократное рассеяние системой частиц
73
на рис. 19, а, может быть отдельной сферической однородной частицей, обладающей идеальными оптическими свойствами, о которых говорилось выше. Это может быть также элементарный сферический объем, в котором находится некоторое число рассеивающих частиц различного размера и оптических свойств. Положения этих частиц не фиксированы в пространстве и меняются случайным образом во время эксперимента *). Соображения физической строгости требуют, чтобы этот рассеивающий элемент обладал двумя довольно несовместимыми свойствами. Именно, этот объем пространства должен быть достаточно большим,
Рис. 19. Графическое изображение элементарного процесса рассеяния и определение используемой системы координат, а — правосторонняя ортогональная система координат для падающего и рассеянного излучений, определение угла рассеяния 0 и элемента телесного угла; б — эллипс поляризации, правосторонняя система координат, оси и другие параметры.
чтобы можно было считать, что в нем представлен полный набор всех частиц, характерных для данной среды. В то же время он должен быть достаточно малым, чтобы излучение источника, входящее из одной полусферы, освещало бы частицы в другой полусфере таким образом, чтобы интенсивность и состояние поляризации падающего излучения существенно не изменились. Частицы, находящиеся внутри объема в беспорядочном движении, должны быть достаточно удалены друг от друга, чтобы не наблюдалось эффекта самоосвещения после процесса первичного рассеяния. Наконец, каждая частица должна быть абсолютно
