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我院周晨副教授在大气粒子散射的理论研究中取得进展
阅读:387次 发布时间:2018-05-28 02:35

最近,南京大学大气科学学院周晨副教授提出了单粒子的后向散射相干增强理论,论证了在很多情况下单粒子的后向散射强度会在光的干涉作用下变得更强。该研究工作以《Coherent backscatter enhancement in single scattering》为题发表在杂志《Optics Express》上。大气科学学院副教授周晨为论文的唯一作者,南京大学为论文的通讯单位。

大气粒子的后向散射对于激光雷达等遥感手段有着非常重要的影响,因此单粒子的后向散射的定量化研究对于主动式遥感有着重要的意义。过去的研究表明,很多弱吸收大粒子的后向散射强度(散射角180)要比侧后向散射(散射角170-179度)的强度要高出60%左右,但产生这个效应的原理还没有定论。有学者曾经提出这个过程和多粒子的相干后向散射过程相似,但是用来推导多粒子相干后向散射的方程并不适用于单个粒子,因此这个现象需要新的理论推导来进行解释。

为了明确后向散射增强效应的原因,研究人员从单频波形式的麦克斯韦方程组出发,将粒子散射场展开为代表不同空间路径的无穷级数,并论证了任意两个所代表空间路径相同、方向相反的展开项会在后向散射的方向上发生建设性干涉(图1),从而使得后向散射的强度增加。理论推导表明,粒子散射的相函数可能会由于这个干涉作用而在后向散射的位置产生一个峰值,这个峰的宽度与粒子的尺寸成反比,与波长成正比。为了验证理论推导,研究人员使用多种半解析数值模式计算了球、椭球、形状规则的六棱柱冰晶、表面粗糙的六棱柱冰晶的相函数,并发现这些粒子的相函数中都存在后向散射的峰值,而且峰的宽度也都与粒子的尺寸成反比,与波长成正比,这与理论预测是相符的(图2)。该研究从物理上解释了观测和数值模拟中出现的后向散射增强现象,为几何光学散射模式中的后向散射修正提供了理论基础,有助于推动大气粒子主动式遥感的发展。

论文链接:

http://proxy.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-26-10-A508

1. 空间路径相同、方向相反的展开项的路径示意图。这两个展开项的相位相同,所以叠加时会产生建设性干涉。

    2. 四种粒子的相函数(第一列)、侧后向相函数与后向相函数的比值(第二列)、后向散射峰值的宽度与粒子尺度参数的关系(第三列)。第一行代表形状规则的六棱柱冰晶、第二行代表表面粗糙的六棱柱冰晶,第三行代表球状水滴,第四行代表椭球状水滴。