Рассеяние электромагнитного излучения сферическими полидисперсными частицами - Дейрменджан Д.
Скачать (прямая ссылка):
Кроме аномальных сумерек, извержение Кракатау привело к образованию так называемых «колец Бишопа». Наблюдались также эффекты «синего» и «зеленого» Солнца. В табл. Т. 104, Т. 105, Т. 110, Т. 111, Т. 124 и Т. 125 представлены модели, позволяющие теоретически воспроизвести некоторые из этих явлений. На рис. 26 приведены графики функции (/31-}-/32)/8л для ненолярнзованного излучения, построенные на основе числовых данных табл. Т. 104 и Т. 105 (силикатные сферические частицы при >.-=0,45 и >.—0,70 мкм соответственно). Видно, что эффект колец Бишопа действительно существует, как показывают кривые интенсивности в области ореола. Аномалии в градиентах яркости должны привести к цветовой дифференциации в пределах хорошо очерченной области ореола, а суммарный эффект может объяснить «красновато-коричневое» кольцо Бишопа с радиусом от 10 до 12° [80]. Для задней полусферы, согласно рис. 26, кольцо Бишопа более слабое и имеет радиус около 10 ’ вокруг противосолнечной точки. Это также согласуется с данными наблюдений, проведенных во время извержения Кракатау.
Кривые интенсивностей для более непрозрачных материалов, /л -2,2 (табл. Т. 110 и Т. 111), указывают на существование очень похожих эффектов при рассеянии вперед и назад. Однако данные для металлических сферических частиц (табл. Т. 124 и Т. 125) не обнаруживают максимума вокруг противосолнечной точки. Из этого можно сделать вывод, что вулканическая пыль при извержении Кракатау состояла главным образом из диэлектрических частиц с радиусами от 1 до 3 мкм, распределенными около модального значения 2 мкм. Ясно, что данное явление нужно еще тщательно исследовать, прежде чем можно будет сделать более определенные заключения. Например, используемая модель должна объяснять явление «зеленого» Солнца и аномальные эффекты поляризации, о которых говорилось выше. Весьма вероятно, что в нее
120
Теория рассеяния света
необходимо включить также поглощающие частицы. Кроме того, следует учитывать несферическую или неправильную форму частиц, хотя скорее всего эти частицы не должны играть заметной роли, по крайней мере в области рассеяния вперед 0°<0<90* (см. Ходкинсои [15, стр. 87; 81]). Мы не можем рассматривать здесь эти вопросы подробно. Тем не менее ясно, что использование моделей полидисперсных сферических частиц должно приводить к лучшим результатам, чем дифракционная теория для монодисперсиого непрозрачного диска, которая применялась ранее [77, 80] *).
Рис. 26. Нормированная интенсивность излучения, рассеянного полидисперсным облаком силикатных частиц в случае неполяризовапного падающего излучения. Модель С.З. —•— А—0,45 мкм, табл. Т.104; —О— А=0,70 мкм, табл. Т.105.
Подобные замечания относятся также к случаю дыма при лесных пожарах и к другим возмущениям в оптическом состоянии безоблачной атмосферы. При исследовании этих явлений необходимо помнить, что их детали редко бывают одинаковыми. Каждое из них имеет совершенно индивидуальные характеристики, которые зависят от природы источника возмущения, местных метеорологических условий, географического положения и т. д.
*) Анализ имеющихся результатов показывает, что оптические характеристики несферических частиц существенно зависят от степени асимметрии последних, их ориентации по отношению к освещающему потоку излучения и степени поляризации падающего света. См., например, Р. Кинг, У Тай-цзунь, Рассеяние и дифракция электромагнитных волн, ИЛ, М., 1962, и Реферативные доклады 111 Всесоюзного симпозиума по дифракции волн, изд-во «Наука», М., 1969.— Прим. перев.
Глава 4. Анализ и применение полученных результатов
121
4.3.2. ЕСТЕСТВЕННЫЕ ВОДЯНЫЕ ОБЛАКА
Поскольку в большинстве случаев естественные облака представляют собой плотные образования, состоящие из довольно крупных водяных капель и кристаллов льда, то высота облачного слоя в несколько сот метров вполне достаточна для обеспечения большой оптической толщины. Это приводит к значительному влиянию многократного рассеяния. Естественно, что диффузное излучение будет подавлять такие эффекты, связанные с однократным рассеянием, как венцы, радуги и глории с их различными картинами поляризации. На это обстоятельство уже указывалось ранее [15, стр, 171; 16]. Поэтому элементы матриц рассеяния, представленные в таблицах, будут наиболее полезны при интерпретации явлений, обусловленных однократным рассеянием солнечного или какого-либо другого излучения в оптически тонком облачном слое.
В этом отношении хорошим примером являются перламутровые облака. Хестведт [82, 83] опубликовал подробные описания их многочисленных появлений в Норвегии, уделив главное внимание механизму их образования. Однако всестороннего анализа сопутствующих оптических явлений на основе теории рассеяния все еще не произведено. Хотя мы не собирались заниматься подобным анализом, тем не менее выскажем несколько соображений по этому поводу, основанных на результатах настоящей работы. Для моделирования перламутровых облаков можно использовать распределение С.З (табл. 5 и рис. 21) с модальным радиусом 2 мкм в согласии с имеющимися определениями [82]. Функции интенсивности для водяных капель такого распределения (табл. Т.59 и Т.60) весьма похожи на те, которые представлены на рис. 26. В данном случае наблюдается только один слабый венец, образующийся при каждой длине волны в интервале углов от 0=8 до 0^14°. Вероятно, даже такое узкое распределение не может объяснить ярких, сменяющих друг друга цветов, о которых неоднократно сообщалось в литературе [2, 82]. Как указывалось в разд. 2.3.5 (см. также рис. 17), образование многочисленных венцов возможно только при наличии строго монодисперсных частиц. Аналогичные явления могут наблюдаться и в перламутровых облаках, для которых характерен чрезвычайно однородный механизм образования облачных частиц. Как указывает Хестведт [831, размер этих частиц зависит от их положения внутри облачного слоя. Все это могло бы объяснить, почему цветные полосы часто повторяют очертания перламутровых облаков, а не дуги сегмента соответствующего угла рассеяния. Во всяком случае, можно полагать, что частицы, вызывающие эти явления, имеют сферическую форму независимо от того, состоят ли они из кристаллического льда или переохлажденной жидкой воды.
