Рассеяние света частицами – это процесс, посредством которого мелкие частицы (например, кристаллы льда , пыль , атмосферные частицы , космическая пыль и клетки крови ) рассеивают свет , вызывая оптические явления, такие как синий цвет неба и ореолы .
Уравнения Максвелла являются основой теоретических и вычислительных методов, описывающих рассеяние света , но поскольку точные решения уравнений Максвелла известны только для выбранной геометрии частиц (например, сферической), рассеяние света частицами является разделом вычислительной электромагнетики , занимающимся рассеянием электромагнитного излучения и поглощение частицами.
В случае геометрий, для которых известны аналитические решения (например, сферы , кластер сфер, бесконечные цилиндры ), решения обычно рассчитываются в терминах бесконечных рядов . В случае более сложной геометрии и неоднородных частиц исходные уравнения Максвелла дискретизируются и решаются . Эффекты многократного рассеяния света частицами рассматриваются с помощью методов переноса излучения (см., например, коды переноса излучения в атмосфере ).
Относительный размер рассеивающей частицы определяется ее размерным параметром x , который представляет собой отношение ее характерного размера к длине волны :
Метод FDTD принадлежит к общему классу методов дифференциального численного моделирования во временной области на основе сетки. Зависящие от времени уравнения Максвелла (в форме частных производных) дискретизируются с использованием центрально-разностных приближений к частным производным по пространству и времени. Полученные конечно-разностные уравнения решаются программно или аппаратно скачкообразно: компоненты вектора электрического поля в объеме пространства решаются в данный момент времени; затем компоненты вектора магнитного поля в том же пространственном объеме решаются в следующий момент времени; и этот процесс повторяется снова и снова, пока желаемое переходное или установившееся поведение электромагнитного поля не будет полностью развито.
Этот метод также известен как метод нулевого поля и метод расширенных границ (EBCM). Элементы матрицы получаются путем сопоставления граничных условий для решений уравнений Максвелла. Падающее, прошедшее и рассеянное поле разлагаются на сферические векторные волновые функции.
Рассеяние на любых сферических частицах с произвольным параметром размера объясняется теорией Ми . Теория Ми, также называемая теорией Лоренца-Ми или теорией Лоренца-Ми-Дебая, представляет собой полное аналитическое решение уравнений Максвелла рассеяния электромагнитного излучения сферическими частицами (Борен и Хаффман, 1998).
Для более сложных форм, таких как сферы с покрытием, мультисферы, сфероиды и бесконечные цилиндры, существуют расширения, которые выражают решение в терминах бесконечных рядов. Существуют программы для изучения рассеяния света в приближении Ми для сфер, слоистых сфер, а также нескольких сфер и цилиндров .
Существует несколько методов расчета рассеяния излучения частицами произвольной формы. Приближение дискретного диполя представляет собой аппроксимацию непрерывной цели конечным набором поляризуемых точек. Точки приобретают дипольные моменты в ответ на локальное электрическое поле. Диполи этих точек взаимодействуют друг с другом посредством своих электрических полей. Существуют коды DDA для расчета свойств светорассеяния в приближении DDA.
Режим рэлеевского рассеяния — это рассеяние света или другого электромагнитного излучения частицами, размер которых намного меньше длины волны света. Рэлеевское рассеяние можно определить как рассеяние в режиме малых размерных параметров .
Методы трассировки лучей могут аппроксимировать рассеяние света не только сферическими частицами, но и частицами любой заданной формы (и ориентации), если размер и критические размеры частицы намного превышают длину волны света. Свет можно рассматривать как совокупность лучей, ширина которых намного больше длины волны, но мала по сравнению с самой частицей. Каждый луч, падающий на частицу, может претерпеть (частичное) отражение и/или преломление. Эти лучи выходят в направлениях, рассчитанных таким образом, с их полной мощностью или (если задействовано частичное отражение) с падающей мощностью, разделенной между двумя (или более) выходящими лучами. Как и в случае с линзами и другими оптическими компонентами, трассировка лучей определяет свет, исходящий от одного рассеивателя, и статистически комбинируя этот результат для большого количества случайно ориентированных и расположенных рассеивателей, можно описать атмосферные оптические явления, такие как радуга, вызванная каплями воды и ореолы из-за кристаллов льда. Доступны коды трассировки лучей атмосферной оптики .
