内混合强吸收气溶胶粒子光散射的等效性

以黑碳和水两种成分组成的内混合单分散气溶胶粒子为例,根据其各消光效率因子、吸收效率因子和散射相函数,分析了用等效折射率来描述含有不同成分的内混合气溶胶系统的适用性。结果表明：在瑞利散射区和几何光学区内,内核（碳粒）体积比为0.01,0.1,0.5,0.9时,消光效率在大多数尺度参数下等效性都很好,但在米散射区内相对较差;当体积比大于0.3时,其吸收效率、消光效率等效性较好;除瑞利散射区外,散射相函数在各体积比下的等效性都很差。当考虑内混合气溶胶粒子系统的散射和吸收特性时,一般不难找到等效折射率,但在光散射技术中,应用相函数反演等效折射率的可靠性还有待商榷。     

一种内混合气溶胶粒子模型光散射的等效性

以包含灰尘、黑碳和水三种成分的单分散内混合初次气溶胶为例,利用消光、吸收、散射效率因子和不对称因子,探讨了以等效折射率描述具有不同成分的内混合气溶胶粒子系统的适用性.结果表明,在尺度参数为0.1～25时不同半径比下,消光、吸收和散射效率因子的等效性较好,相对误差分别在3％、3％和4％以内;不对称因子的等效性相对稍差,相对误差在13％以内.当半径比a/b小于1/5,即内混合体中所含灰尘和黑碳较少时,等效折射率实部和虚部值基本可以确定,而不必考虑尺度参数的影响.用除散射相函数之外的其他光学量来等效时,较为容易找到等效的气溶胶粒子.     

外混合气溶胶粒子光散射的等效性

以两种典型的气溶胶粒子组成的单分散和多分散处理混合气溶胶粒子系统的光散射的各效率因子，各散射截面和散射相函数分析了以等效折射率描述由具有不同折射率的各种粒子组成的混合气溶胶粒子系统的适用性，结果表明，对单分散系统，本不同的混合比下对于许多尺度参数吸收效率因子和散射相函数的等效性很差，对多分散系统，在不同的混合比下等效性较稳定但各散射光学量的余差很大，因而对多分散系外混合气溶胶粒子系统如使用等效折射     

吸湿性均匀混合气溶胶粒子等效吸收系数计算分析

以两种典型的吸湿性气溶胶组分(氯化钠和硫酸铵)为例,采用米氏散射程序,计算了粒子的吸收效率因子等光学参量,并分析了吸湿性气溶胶粒子加热的等效吸收系数随时间的变化规律,着重分析了忽略粒子自身吸收对等效吸收系数的影响,常规计算值与等效吸收系数在1μs时相对误差可达到234.7%和255.2%。同时,就不同相对湿度、不同波长对等效吸收系数含时变化规律的影响进行了对比分析,并讨论了采用均匀混合模型计算结果的相对误差,在1μs时实际值与计算值相对误差最大,分别小于3.62%和7.07%。     

内混合气溶胶粒子体系有效吸收系数的计算

分析了以黑碳和水组成的内混合强吸收气溶胶粒子体系有效吸收系数随时间变化的规律,并讨论了不同波长、不同半径比等对有效吸收系数的影响。结果表明：波长越短,内混合气溶胶粒子体系有效吸收系数越大,在1~100 s内随时间增大的速度也越快,1~100 s内的增幅比100~1000 s内的大,最大增幅达到132.65%;不同的内外半径比对内混合气溶胶粒子体系的有效吸收系数有较大影响,内外半径比越大,有效吸收系数越大,在1~100 s有效吸收系数增加速度越快,1~100 s内增幅较大,最大增幅达到138.66%。     

复杂成分内混合体光散射等效性分析的判据选取

使用离散偶极子近似算法DDSCAT7.1与米散射理论算法MIEV0研究复杂成分混合体等效性时, 由于两者为不同的原理和实现算法, 考察DDSCAT7.1和MIEV0所计算出的相同光学量的相对偏差将非常必要。通过比较两种算法所计算出的球形散射型粒子海盐和吸收型粒子含碳气溶胶的光学量的相对偏差, 结果表明: 两种算法所计算的非散射角函数光学量的相对偏差较小; 在瑞利散射区, 散射相矩阵分量M1和S21的相对偏差较小, 而M2和D21只在一定的散射角范围内相对偏差较小; 在米散射区, M1、M2、S21在有限的散射角范围内相对偏差较小, 而D21的相对偏差则普遍较大。在光散射等效性判据选取时, 非散射角函数光学量适合用来研究内混合体的等效性, 而散射相函数则不太适合用来研究内混合体等效性, 除非综合考虑粒子尺度参数以及选择合适的散射角等因素。在光散射技术中对粒子谱分布和折射率相当敏感的D21, 比较难以用在以两种方法为基础的内混合体等效性研究中。     

气溶胶粒子散射和吸收特性对复折射率依赖性的数值研究

利用米散射理论数值计算分析了尺度参数为0.1~100时球形典型气溶胶粒子的散射和吸收特性对复折射率的依赖性关系。气溶胶粒子复折射率的实部和虚部是一个有机的整体,粒子复折射率的实部和虚部可以分别影响其散射和吸收特性。若实际大气气溶胶粒子大多是成核模态和积聚模态的小粒子,基于气溶胶的散射和吸收特性可以获得其复折射率的唯一解。但是,如果大气中存在大量的粗模态粒子时,气溶胶散射和吸收特性对其复折射率的依赖性较为复杂,只有选择有限的合适复折射率库区间,才有可能获得更合适的有效复折射率。     

长柱状气溶胶粒子的光散射特性

以中纬度卷云中常见的长柱状冰晶为例,利用长柱状粒子光散射理论,探讨了入射光为线偏振时,电矢量平行和垂直于入射面情况下,单个长柱状粒子的散射光强度分布和偏振特性随入射角、尺度参数与偏振态的转化关系:随着入射角的增大,散射强度、偏振总体趋于对称且数值振荡频率降低,散射强度总体减小,偏振的改变程度总体增大;随着尺度参数的增大,散射强度、偏振的数值振荡频率增大,散射强度数值振荡峰的幅度整体减小,电矢量平行于粒子长轴时主偏振的数量、强度和位置皆有变迁,电矢量垂直于粒子长轴时前后主偏振位置相对固定;随着偏振度的减小,散射强度、偏振趋向于一致,两者的数值改变程度减小,当偏振度减小到0时,散射强度、偏振变得完全相同。选取火山尘埃和烟灰与冰晶对比,阐述了粒子散射光的强度分布和偏振特性随折射率的变化规律:折射率虚部不改变散射强度的整体趋势,但使散射强度和偏振的振荡峰幅度增大,当其数值较大时,使得偏振的数值振荡峰覆盖范围拓宽。     

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。     

随机取向立方粒子光散射的数值分析

用离散偶极子近似法,计算了立方粒子随机取向时在几种等效尺度参数下的光散射特性,并与等效球形粒子的光散射特性进行了比较．结果表明：立方粒子和其他非球形粒子与其等效球形粒子光散射特性之间的差别大致相同,说明对于随机取向的非球形粒子的光散射问题,粒子的内在对称性和表面的突变不会带来明显的效果．关键词：     

Limitations on retrieval of complex refractive index of spherical particles from scattering measurements

On the base of a lookup table approach we performed sensitivity tests of dual-polarization polar nephelometer (D2PN) data to optical and microphysical parameters of ensembles of spherical particles. Measurement errors were modeled as Gaussian random variables. It is shown that D2PN data enable to retrieve some microphysical parameters (depending on the case) along with the assessment of the complex refractive index. In the case of the low absorbing particles, measurement errors substantially reduce the sensitivity to the imaginary part of the refractive index and only the range of the imaginary part can be estimated, whereas the real part of the refractive index and the microphysical parameters can be retrieved. When the absorption of spherical particles is moderate, i.e., 10⁻⁴?χ?0.5, the real n and imaginary χ parts of the refractive index can be deduced along with the microphysical parameters. In the case when the absorption of spherical particles is high, only the microphysical characteristics and the imaginary part can be retrieved. These limitations on retrieval should be valid for data of other instruments measuring the same magnitudes as D2PN with the same errors, at least for aerosols made of spherical particles.     

Optical characterization of metallic aerosols

Airborne metallic particulates from industry and urban sources are highly conducting aerosols. The characterization of these pollutant particles is important for environment monitoring and protection. Because these metallic particulates are highly reflective, their effect on local weather or regional radiation budget may also need to be studied. In this work, light scattering characteristics of these metallic aerosols are studied using exact solutions on perfectly conducting spherical and cylindrical particles. It is found that for perfectly conducting spheres and cylinders, when scattering angle is larger than 90° the linear polarization degree of the scattered light is very close to zero. This light scattering characteristics of perfectly conducting particles is significantly different from that of other aerosols. When these perfectly conducting particles are immersed in an absorbing medium, this light scattering characteristics does not show significant change. Therefore, measuring the linear polarization of scattered lights at backward scattering angles can detect and distinguish metallic particulates from other aerosols. This result provides a great potential of metallic aerosol detection and monitoring for environmental protection.     

SiO2单层膜的反常色散研究

利用等效折射率概念分析了SiO2单层膜反常色散出现的原因,并在1.1 m镀膜机上证明了理论分析的合理性.结果表明,理论分析与实验结果一致,沿薄膜厚度方向折射率的对称周期变化使薄膜的等效折射率变化在可见光波段与致密膜层的变化不一致,表现出反常色散的现象.膜厚方向折射率变化周期越大,等效折射率随波长增加的趋势就越大,薄膜表现出的反常色散特性越明显.沿膜厚方向折射率变化幅度的对色散特性影响次之.     

测量气溶胶单粒子折射率方法研究

设计了一种粒子计数器,它可以测量粒子的动力学粒径和两个散射角下的散射光强度,而粒子的散射强度可以根据Mie散射理论从光学等效粒径和粒子折射率出发计算出来。当可以近似认为动力学粒径与光学等效粒径相同时,利用上述测量结果可以反演计算单个粒子的折射率。     

Correction factors for a total scatter/backscatter nephelometer

Total aerosol scattering and backscattering atmospheric values are typically obtained with an integrating nephelometer. Due to design limitations, measurements do not cover the full (0°–180°) angular range, and correction factors are necessary. The effect of angle cutoff is examined for a number of particle size distributions and refractive indices. Scattering data for sub-micron particles can be corrected by the use of a modified Anderson approximation, while data for larger particle distributions can be approximated by a function of the effective size parameter. Correction factors for the hemispheric backscatter ratio are found to be small if nonsphericity is assumed. Such approximations will help more accurate corrections for angle range, particularly at large size parameter values.     

基于光学厚度光谱特征改进北京地区气溶胶积聚模态比例估计

积聚模态比例(AMF)是细模态气溶胶光学厚度占总光学厚度的比例,是估算直接辐射强迫和评估细颗粒物污染的重要参数。利用2011年北京地区AERONET网站提供的气溶胶光学厚度(AOD)和粒子体积谱分布等微观参数,计算极值修正后的细模态Angstrom指数(α_f)并进行气溶胶光学厚度光谱退卷积计算,改进AMF估算精度。AMF估算误差主要是由于α_f的误差估计偏小造成的。通过统计模拟的α_f极大值与极小值范围获取约束条件,建立极值修正方法。通过敏感性试验可知,极值修正可将α_f约束在合理范围内,且α_f和AMF对气溶胶归一化体积谱分布敏感,不同谱分布可使α_f从0.662变化到2.849,AMF从0.08变化到0.84。经过极值修正后,AMF的平均误差从0.072减小到0.044,减小了38.89%,尤其在冬夏两季,误差减小明显。AMF精度的提高可直接提高细模态及人为气溶胶光学厚度的估算精度,对人为气溶胶的直接辐射强迫估算、气候变化评估和环境质量评价有着重要意义。     

改变溶液折射率方法研究Fermi共振

Fermi共振现象在光谱分析中的谱线认证、归属有重要应用,然而,它蕴含的丰富物理规律、内容及研究方法亟待开发和研究.本文提出了一种改变溶液折射率研究Fermi共振的方法,该方法以Onsager电介质极化理论为依据,利用分子在溶液中的Raman散射强度(散射系数)随溶液折射率的变化来研究Fermi共振规律.该方法不仅能给出Fermi共振各参数间及与溶液折射率之间的关系,而且发现了Fermi共振双峰的非对称移动、倍频的基频也受Fermi共振调谐等现象.为全面认识Fermi共振规律提供了一种研究方法.     

Pressure dependence of the refractive index and of the sound velocity of methanol-ethanol solution: A Brillouin scattering study

Abstract

The pressure dependence of the refractive index n(P) and of the longitudinal acoustic velocities of 4.1 methanol-ethanol solution have been measured in a diamond anvil cell up to 8.1 GPa. We utilize Brillouin scattering methods for this determination and detect, in the same back scattering configuration, acoustic wave propagation parallel to the faces of the diamond anvils as well as along the incident laser radiation direction. We also deduce that the polarizability of the fluid is reduced by about 15% over the pressure range studied.