【摘 要】本文初步研究了大氣聚集粒子的電磁散射特性，研究了在忽略庫侖相互作用影響的情況下，幾種典型大氣聚集粒子極化度的角分布。討論了聚集粒子的散射特性和極化特性兩個方面的性質(zhì)。

【關(guān)鍵詞】大氣聚集粒子 電磁散射特性 極化度

近年來，很多科學(xué)領(lǐng)域的學(xué)者對大氣聚集粒子的電磁輻射都產(chǎn)生了濃厚的研究興趣。因為大氣聚集粒子的散射相關(guān)理論應(yīng)用是十分廣泛的，在大氣物理學(xué)和地球物理學(xué)領(lǐng)域，還有氣象學(xué)、膠體化學(xué)，以及云中粒子的研究中都有涉及。大氣聚集粒子組成等方面的性質(zhì)多樣性，使得關(guān)于大氣輻射和輸運等方面很難實現(xiàn)精確計算。然而大氣聚集粒子的多元性，無規(guī)則粒子的電磁輻射等相關(guān)的難題，也一直是國際上關(guān)于散射理論研究的難點和焦點。尤其是在近幾年，隨著激光技術(shù)廣泛的應(yīng)用于通訊，關(guān)于大氣聚集粒子在電磁傳輸和輻射輸運等過程中對光的散射和吸收作用的相關(guān)研究得到了越來越多的關(guān)注和重視。

今些年，國外快速發(fā)展了多種關(guān)于非球性和非勻質(zhì)聚集粒子的光散射計算方法，按計算模型思想的不同它們可以分為以下三類：解析方法、基于表面的數(shù)值方法、基于體積的矩陣方法。本文著重討論聚集粒子的散射特性和極化特性兩個方面的性質(zhì)。同時也研究了球形聚集粒子、大氣聚集粒子以及單個小粒子群的散射特性和極化特性以及其他方面的性質(zhì)。

1. 大氣聚集粒子的散射

極化和散射是電磁波在傳播和輸運過程中存在的兩種固有的屬性性質(zhì)，其中極化描述的是以電場強(qiáng)度矢量的端點作為時間的函數(shù)所形成的空間軌跡的矢量旋進(jìn)方向及形狀，它說明了電場強(qiáng)度的幅度數(shù)值和取向隨時間的變化規(guī)律特征。電磁散射矩陣是電磁波在與介質(zhì)之間發(fā)生相互作用過程中，使其前后極化狀態(tài)隨機(jī)發(fā)生變化的一個過程銜接，包括了電磁波的散射和極化的所以信息參量和數(shù)據(jù)模擬值，同時能夠間接的反應(yīng)介質(zhì)本身物理屬性和特征。

2 大氣聚集粒子電磁散射特性及極化度

2.1 大氣聚集粒子散射特性

在宇宙空間中存在大量的大氣聚集粒子，大到宇宙空間，小到實驗室、家庭、汽車和工業(yè)加工車間都存在著大氣聚集粒子，因此對大氣聚集粒子的特性研究越發(fā)顯得重要。單簇的大氣聚集粒子的研究，可以進(jìn)一步來研究大量的具有隨機(jī)分布的大氣聚集粒子的研究，進(jìn)而研究大氣聚集簇的形成機(jī)理。

我們用計算機(jī)圖像模擬方法模擬出具有分形特征結(jié)果的大氣聚集粒子，并分析其理論模型，也就是用幾種由特殊球形的粒子以隨機(jī)方式組成的粒子結(jié)構(gòu)來進(jìn)行模擬。由此來討論體現(xiàn)散射特性和極化特性的粒子散射矩陣，并用計算機(jī)模擬單簇的大氣聚集粒子的散射特性。

單群大氣聚集粒子，由于其入射角的變化而引起的差異相對是比較明顯的，而這種差別還會伴隨著入射波物理特征的改變，其原因是大氣聚集粒子的折射率，會隨著入射波的波長的變化而發(fā)生改變，這也就導(dǎo)致大氣聚集粒子對入射波的散射和吸收發(fā)生改變，從而影響了大氣聚集簇的總散射特征。我們知道電磁波在不同的波長下照射大氣聚集粒子時會對應(yīng)著不同的復(fù)折射率，而不同的復(fù)折射率又對粒子的尺寸參數(shù)是有一定的相關(guān)度的，電磁波的波長越大對應(yīng)的電磁散射強(qiáng)度就越小，這就意味著大氣聚集粒子吸收的能量越大。

2.2 大氣聚集粒子的電磁輻射特性

我們在研究大氣聚集粒子的光輻射的時候，都是用以下這幾個量進(jìn)行討論，而大氣聚集粒子的一般電磁散射特性也是通過這些量來揭示的。

1）幾何反照率參量，該公式中表示反照率方位平均值， G表示散射幾何截面，為介質(zhì)中入射波的波長。反照率與散射光的強(qiáng)度有關(guān)，當(dāng)A<0.05，即小相位角時，我們以這樣來表示和散射角之間的關(guān)系：。

2）多孔性。，代表包圍聚集體的球的體積，表示聚集體體積。散射和微分散射的不同截面。通過研究發(fā)現(xiàn)，大氣聚集粒子還有熱輻射和光譜能量分布等這些特性。這里需要引入的一個理論是大氣聚集的光學(xué)厚度，通過其散射特性可以確定大氣聚集粒子的光學(xué)厚度觀察量。通過研究發(fā)現(xiàn)，大氣聚集粒子的散射特性與其尺寸的大小有密切的關(guān)系，我們在研究中構(gòu)造了相似于與隕石狀的星際大氣聚集聚集粒子尺寸的單體粒子，主要采用球形和四面體的粒子形狀。

3）極化度，當(dāng)相位角很小的時候，極化度為負(fù)數(shù)，當(dāng)相位角等于二十度時，極化度上升到零，當(dāng)相位角在90度附近時，極化度達(dá)到最大值。

大量的研究表明，凝聚粒子在入射波作用下不同部位產(chǎn)生的極化是不同的，同時導(dǎo)致了在遠(yuǎn)處產(chǎn)生的散射場是不同的。散射特性隨大氣聚集粒子的尺寸的變化十分明顯。在計算中，如果采用離散偶極子近似的方法，所用偶極子的數(shù)目越大計算的結(jié)果相對越準(zhǔn)確。而且在數(shù)目比較大的情況下，這種方法的計算結(jié)果更為接近真實值。

2.3極化度

極化度與散射粒子的形狀、尺寸和折射率密切相關(guān)。因為可用的計算資源是有限的，所以我們需要知道要采樣多少樣品點，才能得到所期望的準(zhǔn)確值。

實驗中我們選擇單個四面體來研究所必須的樣品點的數(shù)目。計算中的參數(shù)是，等體積半徑為。以大氣聚集粒子由8096個偶極子陣列表示，對應(yīng)的。同時計算了由球形粒子單體構(gòu)造的聚集粒子的極化度。

研究表明，當(dāng)介質(zhì)折射率虛部較小時，微分散射截面隨著實部的增大有較明顯的增加。而當(dāng)介質(zhì)折射率虛部較大時，微分散射截面隨實部的增大在整個散射區(qū)域均無明顯變化。當(dāng)散射角在90度時，極化度最大，而極化度的角分布也隨著單體形狀的變化而有所不同。聚集粒子的極化度角分布也隨著單體粒子的數(shù)目和單體的形狀，以及聚集形態(tài)的不同而不同。而且，極化度曲線的變化也是隨著單體粒子數(shù)目的增加而出現(xiàn)強(qiáng)烈的起伏變化。

3 總結(jié)

本文初步探討了大氣聚集粒子的電磁散射特性，研究了在不考慮庫侖作用條件下，幾種典型大氣聚集粒子的極化度角分布。對大氣聚集粒子進(jìn)行建模，并通過理論模型進(jìn)行了相關(guān)的探討和研究。然后研究了大氣聚集粒子的光散射特性和極化特性，得出了散射強(qiáng)度和極化度隨散射角的變化的結(jié)論。

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