Аэрозольное рассеяние

Рассеяние на аэрозольных частицах происходит не так, как молекулярное, и подчиняется другим закономерностям. За некоторую условную границу, разделяющую оба вида рассеяния, принимают следующую. Если размер рассеивающих частиц начинает превышать примерно ¹/₁₀ длины падающей волны, рассеяние считают аэрозольным. Его называют также рассеянием Ми или рассеянием на крупных частицах. Название дано в честь немецкого ученого Г. Ми, первым создавшего, еще в 1908 г., стройную математическую теорию рассеяния электромагнитных волн на изотропных сферических частицах любого размера и свойств (показателя преломления). Сам Ми назвал свою работу необычайно скромно - "К вопросу оптики мутных сред, особенно коллоидных растворов металлов". В действительности решенная им математическая задача рассеяния на крупных частицах имела громадное значение для развития атмосферной оптики. Во времена Ми и в течение нескольких последующих десятилетий трудно было применять его теорию к решению практических задач ввиду необычайной громоздкости вычислений. С созданием и совершенствованием электронно- вычислительных машин эта трудность была преодолена.

В дальнейшем теория аэрозольного рассеяния получила развитие в работах большого числа как советских, так и зарубежных ученых. Назовем только несколько имен: В. В. Шулейкин, К. С. Шифрин, Ван де Хюлст, Дейрменджан и многие другие. Фундамент же теории рассеяния на крупных частицах был заложен Ми. Завидная судьба у этой его работы: вот уже на протяжении 80 лет основы теории Ми используются во многих работах по теории рассеяния.

Как же происходит аэрозольное рассеяние? В чем состоит его отличие от рассеяния молекулярного?

Когда крупная частица попадает в переменное электромагнитное поле падающей волны, каждая ее молекула или атом, как и в случае молекулярного рассеяния, становится дипольным излучателем. Но процесс рассеяния теперь происходит значительно сложнее. Под влиянием поля падающей волны частица поляризуется. На нее действует не только поле падающей волны, но и многочисленные поля элементов, составляющих частицу. Молекулы и атомы крупной частицы "упакованы" плотно, т. е. находятся близко друг от друга, и их нельзя считать независимыми излучателями рассеянного света, как это принималось при молекулярном рассеянии. Теперь необходимо учитывать интерференцию волн, рассеянных отдельными излучателями, имея в виду при этом, что свет, рассеянный каждой молекулой, отличается по фазе, состоянию поляризации и месту возникновения. Например, световая волна длиной 0,5 мкм (зеленый свет) падает на каплю облака радиусом 10 мкм. На диаметре такой капли "уложится" около 40 длин волн зеленого света. Поэтому при рассеянии на крупной частице возбуждается бесконечно много вторичных волн рассеянного света. Амплитуды этих волн зависят от размера рассеивающих частиц.

В окончательной форме теории Ми свет, рассеянный крупной частицей, представляется суммой бесконечного медленно сходящегося ряда. Каждое слагаемое ряда представляет собой сложного вида функцию. Чем меньше размер частицы, тем меньше слагаемых можно учитывать при суммировании ряда. Если размер частицы становится менее ¹/₁₀ длины волны, теория Ми переходит в теорию Рэлея. Таким образом, теория молекулярного рассеяния является частным случаем теории рассеяния Ми.