局部带电球形沙粒系统的微分散射截面和相移

作     者：汪亚龙 

作者单位：兰州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：谢莉

授予年度：2014年

学科分类：07[理学] 070601[理学-气象学] 0706[理学-大气科学] 

主      题：形颗粒系统 电荷层介质 双层散射介质 局部带电 微分散射截面 面电荷密度 电导率 空间相位 

摘      要：已有理论和实验研究表明沙尘暴由于沙粒局部带电对入射电磁波造成不同程度的影响。本论文围绕沙粒局部带电对电磁波散射的过程及其局部带电沙尘系统的微分散射截面和相移开展研究,主要工作如下： 首先基于电磁波在介质中的传播性质,我们将沙粒表面电荷层和沙粒看作是一种分层散射介质,提出电磁波在局部带电沙粒中分层传播,即：当电磁波照射在不带电区域时,电磁波可穿越沙粒介质,部分电磁波发生散射之后再通过带电区域;当电磁波直接照射在带电区域时,电磁波只在带电区域内传播,发生散射等,因此电磁波通过局部带电沙粒时的散射特性与电磁波是否首先入射到电荷区域相关。通过Mie散射理论计算消光截面和散射截面,尝试解释电磁波通过局部带电沙尘颗粒的散射机理。 然后利用Lorenz-Mie理论求解出局部带电球形颗粒系统的微分散射截面及电磁波散射的空间相位,首次给出局部带电球形颗粒系统对电磁波微分散射截面和相位的影响。考虑沙粒面电荷密度、电荷分布角、颗粒间距、荷质比、沙粒粒径等因素对沙粒微分散射截面和相移的影响。结果发现：沙粒带电对微分散射截面有着显著的影响,随着沙粒表面带电量的增加微分散射截面明显变大,说明沙粒表面多余电荷增强了电磁波的散射;并且在考虑多次散射时的微分散射截面明显大于独立散射的微分散射截面,当颗粒间距达到3.5倍粒径以上时多次散射效应可以忽略,此外随着颗粒粒径的增加微分散射截面明显变大,说明颗粒粒径越大对电磁波的散射越强。电磁波入射到球形沙粒表面会导致电磁波传播相位的变化,沙粒带电对相位变化有着显著的影响,当沙粒表面局部带电时,相位随着带电量的增加而增大,并且相位会出现明显的跳跃式变化,其跳跃点与沙粒的面电荷分布角相关;在相同条件下,考虑多次散射效应比单次散射近似得到的空间相位值要大,此外,沙粒带电会影响多次散射效应的临界距离。另外,在对沙尘暴对电磁散射相位数值模拟中发现：沙尘暴的能见度越大对电磁波的相位影响越小,并且随着沙尘暴中沙粒荷质比的增大,电磁波的空间相位也不断变大。