Рассеяние электромагнитного излучения сферическими полидисперсными частицами - Дейрменджан Д.
Скачать (прямая ссылка):
Тем не менее мы считаем, что подробно исследовать рассеивающие свойства полидисперсных сферических частиц имеет смысл не только в силу красоты и надежности самой теории. Действительно, важный класс атмосферных взвесей, а именно капельно-жидкие туманы и облака, образованы однородными сферическими частицами. Другой важный класс рассеивающих систем — ледяные кристаллические облака — невозможно в точности смоделировать при помощи сферических частиц. Однако случай сферических частиц можно рассматривать в качестве стандартного. Тогда наблюдающиеся при сравнении с ним отклонения можно интерпретировать в рамках этого стандартного случая. Что ка-
Глава I. Введение
21
сается мелких частиц, таких, как атмосферная пыль, в верхних слоях земной атмосферы, то их форма не играет большой роли. Наконец, любой аналитически мыслящий исследователь всегда предпочтет иметь дело с идеализированной, но хорошо разработанной и понятной мо-1 делью, чем с такой моделью, которая стремится воспроизвести каждую деталь явления нестрогим методом. В изящной интерпретации голубого цвета неба, впервые данной Релеем [4], принимался во внимание только объем частиц, а не их форма. Последующее улучшение теории, проведенное Релеем с учетом сферической формы рассеивающих частиц [5, 6], потребовало больших усилий, но дало те же результаты. Поэтому его первоначальная очень простая теория более привлекательна.
, В наши дни при наличии быстродействующих вычислительных машин теория Ми, дающая аналитическое решение одной из классических проблем теории электромагнитного поля, стала в определенном смысле идеальным инструментом экспериментальных исследований. Мы имеем в виду то обстоятельство, что эта теория может быть использована для моделирования рассеивающих сред с такими характеристиками, которые часто невозможно воспроизвести в лабораторных условиях. Однако весьма вероятно, что они существуют, например, в виде космической пыли или частиц, которые можно будет обнаружить на поверхности Луны *). Очень трудно удержаться от желания назвать эти характеристики запрещенными по аналогии с термином запрещенные спектральные линии в верхней атмосфере Земли, употребляемым физиками для описания квантовых переходов, которые нельзя получить в лабораторных условиях.
1.2. КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР
Поскольку наша цель состояла в написании монографии, которую с большим основанием можно было бы рассматривать как справочник, а не как учебное пособие, то в ней не дается полного обзора литературы и не описывается современное состояние рассматриваемой проблемы. Ван де Хюлст в вводной части своей монографии [1] дал довольно полный обзор развития теории рассеяния света отдельными частицами. Великолепный обзор нерешенных проблем теории рассеяния электромагнитных волн, включая задачи рассеяния на несферических и неоднородных частицах, дан Тверским [7].
Автор по предложению Секеры сначала занялся вопросами рассеяния света в полидисперспых средах (в связи с теорией околосолнечного ореола [8—10]). Белый размытый ореол вокруг Солнца нельзя объяснить рассеянием света монодисперсными частицами, как уже отмечали
*) Разумеется, никакая теория не может сравниться с прямым зондированием поверхности планеты или ее атмосферы. В этом отношении показательны успешная работа советской автоматической станции «Луноход-1» и полеты американских космических кораблей «Аполлон-11, 12, 14», в результате которых па Землю были доставлены образцы лунных пород.— Прим. ред.
22
Теория рассеяния света
другие исследователи данной проблемы. При дальнейшем исследовании рассеивающих свойств таких полидисперсных систем, как облака и дымки [11, 12], автор нашел, что даже аналитические аппроксимации и интерполяции значений коэффициентов ослабления сферических частиц не приводят к достаточной точности при оценке величины объемного коэффициента ослабления и альбедо однократного рассеяния в подобных средах. Поэтому возникла необходимость составить программу расчета на ЭВМ,'"использующую полное решение Ми для сферических частиц любого размера и произвольного комплексного показателя преломления. Программа предусматривает последующее интегрирование относительно заранее задаваемых непрерывных функций распределения частиц по размерам. Первоначальные обнадеживающие результаты, полученные в случае таких больших частиц, какими являются реальные облачные капли, продемонстрировали возможности разработанной методики и впервые были доложены автором в 1961 г. на Международной конференции по атмосферной радиации в Вене [13]. В том же году Гизе [14] опубликовал подобную работу по зодиакальному свету. Некоторые результаты автора впервые были опубликованы в трудах различных конференций [15, стр. 171], а таблицы функций рассеяния появились совсем недавно [16].
Тем временем накапливались новые численные данные, относящиеся к различным проблемам рассеяния, которые возникали в процессе исследовательской работы в корпорации «Рэнд». Как известно, полное решение проблемы переноса излучения в планетных атмосферах с произвольными рассеивающими свойствами, допускающее эффективное проведение численных расчетов, еще не получено. Тем не менее истинная цель нашей работы состояла в получении ряда.моделей, пригодных для использования в том случае, когда такое решение будет получено. В случае успеха планировалось объединить две программы в одну и искать решение общей проблемы, дополнительно разработав программу для решения соответствующих обратных задач.
