随机取向椭球粒子的吸收特性

用Ｔ矩阵方法计算了折射率虚部的范围在０．００１至０．１的几种椭球粒子随机取向时在几种等效尺度参数下的光散射与吸收特性，并与等效的球形粒子的光散射结果进行了比较。分析结果表明：椭球粒子的吸收特性与等效的球形粒子的吸收特性存在着差别，这种差别随粒子的形状、尺度和折射率而改变，考虑到目前气溶胶粒子复折射率虚部的测量精度，以等效的球体粒子处理非球形粒子的吸收不会带来显著的误差。     

随机取向非球形沙尘气溶胶粒子的光学特性

利用离散偶极子近似法分析了一种随机取向旋转椭球体沙尘气溶胶粒子模型在尺度参数变化范围为0.1~23时(波长0.55!m对应有效半径为0.01~2!m)的光学特性,研究了沙尘粒子非球形性程度对其光学特性的影响,并考察了非球形粒子的随机取向能否用等体积球体来代替。就随机取向单分散和多分散旋转椭球体沙尘气溶胶而言,粒子非球形特征越明显,消光效率因子、不对称因子和单次散射反照率基本上偏离其等体积球体越大;对于相同的非球形,不对称因子偏离其等体积球体的相对偏差要比消光效率因子和单次散射反照率要大。非球形粒子的随机取向并不能使其光学特性严格等效为其等体积球体的光学特性。如果粒子形状偏离球体较小,则非球形粒子的随机取向的平均效果能使其消光效率因子、不对称因子和单次散射反照率近似用等体积球体的对应光学参量来等效;而如果粒子形状偏离球形较大,仅有单次散射反照率可以近似用等体积球体的单次散射反照率来等效,例如,轴半径比为16的旋转椭球体沙尘粒子的单次散射反照率偏离其等体积球体仅在3%以内。     

随机取向群聚椭球粒子光散射特性研究

利用离散偶极子近似方法,考虑单元粒子之间的电磁相互作用,数值计算了随机取向的不同尺度参数、不同纵横比的群聚椭球粒子的缪勒矩阵元素,给出了各个缪勒矩阵元素的角分布曲线,探讨了随机取向的群聚椭球粒子的尺度参数、纵横比、基本粒子相对位置对其缪勒矩阵元素的影响。并将随机取向群聚椭球粒子的光散射特性与单个等效球形粒子的数值结果进行了比较。结果表明,随机取向群聚椭球粒子的光散射特性与等效球形粒子的光散射特性存在很大差别,基本粒子的形状越偏离球形,这种差别就越大; 随机取向群聚椭球粒子中椭球粒子的纵横比和相对位置对整个群聚粒子的缪勒矩阵元素存在不同程度的影响,并且此影响随着粒子尺度参数的增大而变得更加显著。     

随机取向群聚椭球粒子光散射特性研究

利用离散偶极子近似方法,考虑单元粒子之间的电磁相互作用,数值计算了随机取向的不同尺度参数、不同纵横比的群聚椭球粒子的缪勒矩阵元素,给出了各个缪勒矩阵元素的角分布曲线,探讨了随机取向的群聚椭球粒子的尺度参数、纵横比、基本粒子相对位置对其缪勒矩阵元素的影响。并将随机取向群聚椭球粒子的光散射特性与单个等效球形粒子的数值结果进行了比较。结果表明,随机取向群聚椭球粒子的光散射特性与等效球形粒子的光散射特性存在很大差别,基本粒子的形状越偏离球形,这种差别就越大; 随机取向群聚椭球粒子中椭球粒子的纵横比和相对位置对整个群聚粒子的缪勒矩阵元素存在不同程度的影响,并且此影响随着粒子尺度参数的增大而变得更加显著。     

随机取向烟尘团簇粒子激光散射特性研究

利用蒙特卡罗方法根据团簇-团簇凝聚(CCA)模型对由球形原始粒子凝聚而成的烟尘团簇粒子进行了模拟,用离散偶极子近似(DDA)方法研究了烟尘团簇粒子随机取向时的激光散射特性,并与等效球形粒子的激光散射特性进行了比较。结果表明,等效球形粒子的激光散射特性与随机取向烟尘团簇粒子的激光散射特性存在着明显差别,不能用等效球形粒子来代替随机取向的团簇粒子;随机取向的烟尘团簇粒子的激光散射特性受基本粒子数量和粒径的影响比较大。该结果将为进一步研究随机取向团簇粒子的形成机理、形态特性以及激光在其中的传输特性提供了一种理论方法。     

非球形粒子的散射特性分析

本文首先利用T矩阵方法计算了复折射率吸收指数和折射指数变化时的椭球粒子和Chebyshev粒子在不同等效尺度参数下的光散射特性,并与等效的球形粒子的光散射结果进行了比较;然后分析以上两种类型非球形粒子散射特性之间的关系.结果表明:椭球粒子和Chebyshev粒子的散射特性与等效球形粒子的散射特性存在着差别,粒子的形状越偏离球形,这种差别就越大;复折射率折射指数的变化对非球形散射效率因子的影响要比吸收指数的影响更大一些;当等效尺度参数相同时,椭球粒子与等效球形粒子的散射效率因子的差别要远远大于Chebyshev粒子与等效球形粒子散射效率因子之间的差别.     

取向比对椭球气溶胶粒子散射特性的影响

利用T矩阵和离散坐标法研究了取向比对椭球粒子散射特性的影响, 计算了小尺度范围内椭球粒子的散射特征参量, 包括消光效率因子、不对称因子、单次散射反照率、散射相矩阵及双向反射函数(BRDF). 结果表明, 椭球粒子的散射特性与取向比密切相关, 粒子取向比会影响散射参量的振荡频率和振幅, 与球形粒子散射参量的相对差异也呈周期振荡趋势. 研究还发现, 某些特殊粒子尺寸的散射参量与粒子取向比基本无关. 在多次散射条件下, 分析不同取向比粒子群的BRDF随反射角和光学厚度的变化特性. 结果显示: 不同取向比粒子群的BRDF随反射角的变化趋势基本一致, 球形粒子群比非球形粒子群的BRDF曲线波动振幅更大; 球形-非球形粒子的BRDF相对差异随光学厚度和取向比的增大而减小, 随入射角的增大而增大.     

分形结构对随机取向烟尘团簇粒子光散射特性的影响

利用蒙特卡罗方法对不同分形维数和分形前向因子的随机取向烟尘团簇粒子的分形结构进行了仿真,采用离散偶极子近似（DDA）方法对随机取向烟尘团簇粒子的缪勒矩阵元进行了数值计算,并与球形粒子模型进行了比较,深入探讨了烟尘团簇粒子的分形维数和分形前因子对其散射特性的影响。研究表明,等效球形粒子的光散射特性与随机取向烟尘团簇粒子的光散射特性存在很大差别,并且此差别随着团簇粒子的分形维数以及分形前向因子的增大而减小;分形维数对表征团簇粒子散射特性的缪勒矩阵元的影响在一定散射角范围内均比较明显,分形前向因子对团簇粒子的缪勒矩阵元角分布的影响与分形维数的影响类似,不过其影响相对分形维数较弱。     

取向比对圆柱状冰晶粒子光散射特性的影响

利用T矩阵方法研究卷云中圆柱状粒子取向比对散射特性的影响,计算了在小尺度范围内圆柱状冰晶粒子的散射特征量如散射相函数、消光效率因子、不对称因子及单次散射反照率,并将计算结果与等表面积、等体积及等效体积与投影面积比三种情况下的球形粒子的相应值进行了对比.结果表明:体积与投影面积比等效最接近真实值;取向比对不同尺度柱状粒子散射特性的影响存在相似性且有必要加以考虑;此外,发现等表面积、不同取向比粒子的散射相函数有一交点.     

取向数对非球形沙尘气溶胶光学特性的影响

利用离散偶极子近似法研究了旋转椭球体沙尘气溶胶粒子在尺度参数变化范围为0.1~23时(波长0.55!m对应有效半径为0.01~2!m)的光学特性,并通过分析比较不同取向数下光学特性的差别,研究取向数对非球形沙尘粒子光学特性的影响。对单分散系,较少的取向数使旋转椭球体沙尘气溶胶粒子的各光学参量对于取向的选取敏感,但随着取向数的增多,沙尘粒子的各光学量逐步趋于一致。对多分散系,受粒子谱分布积分效果的影响,旋转椭球体沙尘气溶胶粒子对取向的敏感度,相比单分散系要稍低一些。粒子的非球形程度对获得随机取向光学特性取向数的选取也有影响,粒子非球形特征越明显,获得随机取向光学特性所需要的取向数越多。以多分散的旋转椭球体沙尘粒子为例,要获得随机取向沙尘粒子的消光效率因子、单次散射反照率和不对称因子(相对偏差在1%以内),轴半径比为16的非球形程度所需的取向数超过500,而轴半径比为2的非球形程度所需的取向数则仅超过100。     

Simulation of light scattering by large particles with randomly distributed spherical or cubic inclusions

An algorithm for simulation of light scattering by large spherical or cubic particles containing large spherical or cubic inclusions is developed. The computational procedure is based on ray tracing and a direct simulation Monte Carlo method. The proposed technique is capable of calculating scattering and polarization phase functions produced by an ensemble of randomly oriented particles containing large sized randomly distributed inclusions. In order to demonstrate the capacity of the computational procedure, the influence of the size of the inclusion on the scattering and polarization phase functions is examined in two configurations: spherical host with a concentric cubic inclusion and a cubic host with randomly distributed spherical inclusions.     

Monte Carlo simulation of light scattering from size distributed sub-micron spherical CdS particles in a volume element

Simulation of polarized light scattering by spherical particles having modal radius of 180 nm is presented in this paper. A Monte Carlo method which is based on the Stokes-Mueller formalism developed in ANSI Standard C-language is used for simulation. Single scattering is considered in our program with monodispersed sub-micron sized spherical CdS particles. We have considered only θ dependent scattering as described by Mie theory for spherical CdS particles. The experiments for studying light scattering properties of these particles were conducted in a designed and developed laser based light scattering studies setup. The simulation results were compared with experimental results and theoretical results obtained purely from Mie theory. The closeness of agreement or disagreement between these results is discussed in this paper.     

Three-Body Physics in a Finite Volume

Three particles with large two-body scattering lengths display universal properties including a spectrum of three-body bound states called “Efimov trimers”. I calculate the spectrum of three identical bosons inside a finite cubic box below the three-body breakup threshold. The dependence of the spectrum on the box size and the effects of the breakdown of spherical symmetry are investigated using effective field theory. The renormalization of the effective field theory in the finite volume is explicitly verified. The study of the three-nucleon system inside a finite cubic volume provides a tool for the understanding of Lattice QCD results. I study the triton in a finite volume at physical and unphysical pion masses.     

Light scattering properties of sea-salt aerosol particles inferred from modeling studies and ground-based measurements

Direct climate radiative forcing depends on the aerosol optical depth τ, the single scattering albedo ?, and the up-scatter fraction β; these quantities are functions of the refractive index of the particles, their size relative to the incident wavelength, and their shape. Sea-salt aerosols crystallize into cubic shapes or in agglomerates of cubic particles under low relative humidity conditions. The present study investigates the effects of the shape of dried sea-salt particles on the detection of light scattering from the particles. Ground-based measurements of scattering and backscattering coefficients have been performed with an integrating nephelometer instrument for a wavelength . The measurements are compared to two models: the Mie theory assuming a spherical shape for the particles and the Discrete Dipole Approximation (DDA) model for the hypothesis of cubic shape of the sea-salt aerosols. The comparison is made accurately by taking into account the actual range of the scattering angles measured by the nephelometer in both models that is from 7° to 170° for the scattering coefficient and from 90° to 170° for the backscattering coefficient. Modeled scattering and backscattering coefficients increase for nonspherical particles compared to spherical shape of particles with diameter larger than about 1 μm. However, the comparison of the modeling results with the measurements gives best agreement for particles diameter less than about 1 μm. The size distribution of the particles is measured with two instruments with different size bins: an electrical low-pressure impactor (ELPI) and an aerodynamic particle sizer (APS). It is found that the size of the bins of the instruments to determine the number concentration of the particles in accordance with their diameter is critical in the comparison of measurements with modeling.     

随机取向烟尘团簇粒子的光学截面的数值计算

采用蒙特卡罗方法根据团簇—团簇凝聚（CCA）模型对由球形原始微粒凝聚而成的烟尘团簇粒子进行了模拟,利用离散偶极子近似（DDA）方法数值计算了不同原始微粒粒径和数目组成的随机取向的烟尘团簇粒子的总消光截面、吸收截面及散射截面等光学特性参数,研究了原始微粒粒径及数目对随机取向烟尘团簇粒子光学特性的影响。结果表明：当入射波长一定时,随机取向烟尘団簇粒子的光学特性主要取决于原始微粒的粒径和数目;烟尘团簇粒子对不同波段激光的吸收和散射存在差别,这种差别随原始微粒粒径及数目变化而变化。这一工作为研究电磁波在烟尘中的传输特性提供重要参考数据。     

球形雾霾粒子的紫外光散射偏振特性研究

在我国经济社会快速发展的同时,雾霾天气成为了突出的环境问题,雾霾粒子的测量非常重要。偏振紫外光与大气雾霾粒子发生散射后,散射光偏振状态(Stokes矢量以及偏振度)的改变能反映雾霾粒子的相关物理特性(粒径、复杂折射率等)。基于Mie散射理论建立了紫外光雾霾球形粒子直视和非直视单次散射模型,研究了单个球形粒子和链状结构球形粒子物理特性的改变对散射光偏振状态的影响,并用蒙特卡洛仿真分析已知粒径分布的雾霾粒子浓度对散射光偏振状态的影响。结果表明：针对单个球形粒子,随着粒子粒径的增大Stokes矢量中散射光光强(I_s)随之增强,粒子复折射率虚部为先增大后较小,偏振度也是在不断增大,且复折射率虚部较小时,偏振度增加趋势快;对于粒径分布不变的雾霾粒子,随着粒子的浓度增加,雾霾粒子的散射系数、消光系数和吸收系数均呈线性增加,但是I_s先增大后减小。针对链状球形粒子,随着粒子个数的增加,I_s均呈现增大的趋势,且偏振度可用于区分链状球形粒子是否由相同球形粒子组成; 相同球形粒子组成链状结构中,I_s随着粒子数量的增加而线性增大,偏振度不改变;不同球形粒子组成的链状结构,I_s以及偏振度的变化趋势可以区分粒子物理特性。