單次散射法制備單分散球形氣溶膠粒子的理論研究

單次散射法制備單分散球形氣溶膠粒子的理論研究

1小粒子光散射特性單次散射的基本理論采用顆粒分散值計(jì)算方法具有重要的實(shí)際意義。自然界中的很多粒子都具有復(fù)雜的形狀,如大氣中的氣溶膠、雨滴以及冰晶粒子等。研究這些粒子的光散射特性可以更好地解釋大氣遙感過(guò)程中的一些重要現(xiàn)象;另外在目標(biāo)識(shí)別與成像、遙測(cè)遙感、地下目標(biāo)探測(cè)、生物體皮下組織的無(wú)創(chuàng)傷診斷、環(huán)境監(jiān)測(cè)方面都需要研究粒子的光散射特性,對(duì)于小粒子光散射特性的研究已經(jīng)非常系統(tǒng),從球形到非球形,從無(wú)耗到有耗,從各向同性到各向異性,從平面波入射到波束入射,以及波束的離軸、在軸入射等,并且研究成果已被廣泛應(yīng)用于各種光學(xué)測(cè)量中當(dāng)光波在離散隨機(jī)介質(zhì)中傳輸時(shí)如果介質(zhì)的光學(xué)厚度較小散射光強(qiáng)及其極化特性可直接由單次散射參數(shù)獲得;如果介質(zhì)的光學(xué)厚度較大,則需要考慮多次散射,散射光的特性可以通過(guò)求解矢量輻射傳輸方程得到。要求解矢量輻射傳輸方程,首先需求得離散隨機(jī)介質(zhì)的單次散射相矩陣和單次散射反照率,因此計(jì)算離散隨機(jī)介質(zhì)的單次散射參數(shù)具有重要的意義。大氣中的云層對(duì)大氣中的輻射傳輸有重要的影響,作為大氣成分常年覆蓋著地球,它是地氣系統(tǒng)的主要調(diào)制者,可以造成能見(jiàn)度減小,也可以減弱探測(cè)器、遙感裝置的探測(cè)能力。研究水云的光學(xué)特性對(duì)低層大氣的輻射傳輸和遙感、氣候模式計(jì)算等方面具有重要的意義對(duì)于大氣中的云、霧以及氣溶膠粒子其單次散射特性可以通過(guò)各種測(cè)試設(shè)備進(jìn)行間接的測(cè)量反演得到,比如應(yīng)用MODIS衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)反演云、霧的反照率等2不對(duì)稱因子法在研究中假設(shè)離散隨機(jī)介質(zhì)中的粒子為球形粒子。當(dāng)平面波入射到單個(gè)球形粒子時(shí),設(shè)垂直和平行于散射面的電場(chǎng)分量分別為E式中θ為散射角,S式中a由此可以得到散射的斯托克斯參量,即對(duì)于球形粒子來(lái)說(shuō),非零的元素只有8個(gè),而獨(dú)立的只有4個(gè),即式中*表示共軛。散射和消光截面分別表示為單次散射反照率定義為粒子的散射相矩陣P(θ)正比于轉(zhuǎn)換矩陣T(θ)離散隨機(jī)介質(zhì)中的粒子通常是多分散的即具有一定尺寸分布而且都可以通過(guò)一些典型的分布來(lái)表示,如伽瑪分布、修正的伽瑪分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布、指數(shù)分布等;消光系數(shù)β式中f(r)為粒子的尺寸分布,粒子總數(shù)為由于散射相矩陣是表示粒子群在半徑范圍(a式中mP相函數(shù)的一階矩為稱為不對(duì)稱因子,是輻射傳輸中的一個(gè)重要參數(shù)。對(duì)各向同性散射而言,g=0。當(dāng)相函數(shù)的衍射峰變尖銳時(shí),不對(duì)稱因子變大;如果相函數(shù)峰值出現(xiàn)在朝后的方向(90°～180°),則不對(duì)稱因子可為負(fù)值。對(duì)洛倫茲米類型的粒子,它的相函數(shù)在0°散射角普遍有尖峰,所以不對(duì)稱因子一般在0～1之間。3單次散射反照率和不對(duì)稱因子由于隨機(jī)介質(zhì)中的粒子為多分散的,假設(shè)隨機(jī)介質(zhì)中粒子尺寸分布為伽馬分布式中C為歸一化常數(shù),a=rHansen等圖給出了平均消光系數(shù)隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系假設(shè)隨機(jī)介質(zhì)中的粒子構(gòu)成為水粒子粒子的有效半徑r式中ρ=1g/cm在可見(jiàn)光范圍內(nèi),大粒子的消光效率因子近似為2,因此C可知β圖2給出了單次散射反照率的譜分布。從圖中可以看出,單次散射反照率隨波長(zhǎng)的變化和水滴折射率虛部隨波長(zhǎng)的變化曲線正好相反,這說(shuō)明影響其大小的主要因素為粒子的折射率,即虛部越大則反照率越小。在可見(jiàn)光波段,所有云層的單次散射反照率接近于1,在3,6,和10μm處有3個(gè)極小值,這3處位于水的吸收線上,且單次散射反照率總特點(diǎn)為隨著波長(zhǎng)的增大而減小。圖3給出了不對(duì)稱因子隨波長(zhǎng)變化的曲線。對(duì)于小于10μm的波長(zhǎng),不對(duì)稱因子幾乎不變,約為0.82～0.85。因此在云層散射的計(jì)算中經(jīng)常假設(shè)g=0.85是可行的圖4給出了根據(jù)米氏理論計(jì)算的不同有效半徑水滴相矩陣元素,P圖5給出了4種衛(wèi)星遙感典型波長(zhǎng)情況下有效半徑為6μm,尺寸分布為伽馬分布的水云相函數(shù)和線極化度4單次散射反照率和正反演分析利用米氏理論計(jì)算了具有一定尺寸分布隨機(jī)介質(zhì)的單次散射特性,分析