非球形例子光散射研究

《非球形例子光散射研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、非球形粒子光散射计算研究的进展综述1粒子光散射的重要性、复杂性和困难性所有介质都对光或电磁辐射产生散射。散射可分为2种类型:一类为脉动(fluctuations)散射，另一类为粒子(particles)散射。本文只讨论后一种类型，且只考虑具有散射光频率与入射光频率相同的弹性散射。在许多科学和工程领域中，如光学、电磁学、光和电了工程、大气辐射和遥感、雷达气彖、行星物理学、海洋学和天体物理学等，光散射都是一个需要很好地考虑和解决的核心问题。需要特别指出的是，在全球气候变化研究中，云一气溶胶一辐射及其相互作用是现代气候研究中一个最具挑战性的难题。

2、地球大气中的粒了主要是气溶胶、水滴和冰晶粒子等，它们与辐射会产生复杂的相互作用。最近召开的壯界气候研究大会将云、气溶胶和降水之间的相互作用问题，确认为未來10年气候研究血临的重大挑战乙一。为了很好地理解辐射与地球一大气系统的相互作用，发展地球大气的辐射传输模式，从而发展更为真实适用的气候模式，首先，必须要了解人气屮的粒了，特别是气溶胶和卷云中冰晶粒子的光散射、偏振和吸收等特性。其次，目前航空航天遥感正在向高空间分辨率、高光谱分辨率、高时间分辨率、多极化、多角度的方向迅猛发展。而人气气溶胶和高空卷云对卫星遥感，特别是高光谱遥感，会产生非常重要

3、的影响。为了发展遥感的正演和反演模式以及遥感技术，辐射在气溶胶和云(特别是卷云)大气中的单次散射和多次散射的辐射传输就是一个迫切需要解决的关键基木问题。由于其重要性、复杂性和困难性，非球形粒子光散射理论及其计算己成为国际上光散射理论研究的焦点和前沿课题。近30多年来，国际上许多学者进行了大最研究，发展了相当多的算法，取得了不少重要进展;国内也进行了相应的研究〔if］。为了解决上述一系列重大科学问题，特别是与大气中辐射传输有关的领域，需耍对大气中的粒子，特别是气溶胶粒子和卷云中冰品粒子的化学和物理特性、下垫而特性以及非球形粒子光散射理论及其计

4、算筹一系列关键问题进行深入研究。本文拟就非球形粒子光散射的一些基本理论和重要的计算方法等关键问题进行扼要综述。1.1Lorenz-Mie散射理论的局限性粒子光散射是粒子与光发牛作用所产牛的一种物理过程。电磁场理论是处理粒子光散射理论的物理基础，所有经典光学现象的数学描述都是基于介质内部某一点宏观电磁场的Maxwell方程组「“1。1908年，徳国物理学家GustavMie第一次利用Maxwell电磁散射理论计算球形粒子光散射，同时，丹麦物理学家LudvigLorenz在那段时期也独立地对球体辐射散射的计算做出了本质上相同的贡献，因此，均匀各

5、向同性球体的平而电磁波散射，亦简称为Mie散射,或Lorenz-Mie散射E15^173。图1尘埃气溶胶粒了的扫描电了显微镜图像［18图2冰晶粒了图像:准球形、柱状、盘状、和子弹玫瑰花状如图1和2所示，自然界中人工产生的绝大多数粒子都是非球形的，或缺乏球对称的内部结构。由于缺乏一般性的分析理论处理任意形状粒子的光散射，过去，通常都是使用等效球模型，并用Mie散射理论进行计算;从20世纪50年代以来，经典Mie散射理论在很多领域小得到了广泛的应用〔15-17但是，如何选择合适的等效球模型，在理论光学屮则缺乏系统的分析和研究，因而没有-建立一

6、般性的规则和严格的标准。而Lorenz-Mie散射理论只适合于求解均匀各向同性球体的电磁波散射问题皿’15因此，在许多领域的应用中，用等效球形的Lorenz-Mie散射理论处理各种粒子的光散射,只是一种半经验理论近似。近年来越来越多的观测和研究证明，非球形粒了的光散射特性可大人区别于等效球形粒子的散射特性，尤其是散射矩阵差异更人。在20世纪50年代，著名的天体物理学家和散射理论大师vandeHulst在传播和推广Mie散射理论方面曾起过很大的作川。后來他也指出:大多数科学家在他们的研究中采川球形粒子模型是希望问题易于处理，而且结果离真实情

7、况不太远。但是，球形粒子的模型是很不真实的，Mie散射计算结果的止确性是没有保证的［14］。现在，经过半个多世纪,在光散射计算中应该考虑更为真实的粒子形状模型.