Новая количественная теория радуги как альтернатива теории Ми при исследовании рассеяния излучения атмосферными частицами

В различных статьях [1-4] авторами были показаны методические ошибки и несостоятельность традиционных решений задач дифракции плоской волны на бесконечном цилиндре и шаре. Из чего следует, что результаты расчетов рассеяния излучения сферическими частицами по теории Ми могут быть неверными. Поэтому необходимо сделать выбор: или искать альтернативный метод оценки рассеяния излучения на шаре или получать после сложных расчетов сомнительные данные, твердо веря при этом, что это правильные результаты.
В качестве альтернативного способа оценки индикатрис рассеяния света (по теории Ми) можно рекомендовать метод геометрической оптики, который не является новым и широко используется на практике. 10 лет назад была разработана программа RADUGA, которая хорошо подтверхдает предложенную теорию радуги. Алгоритм расчета такой. Падающий плоско- параллельный поток света (в секторе 0-90) разбивается на 91 пучок лучей (лучевые трубки). Для каждой трубки строятся основная линия пути и несколько дополнительных линий пути с микро отклонениями по выбранному входному углу. Далее каждая лучевая трубка отслеживается программой вплоть до 11 выхода из частицы (запоминаются углы входа, углы каждого выхода, амплитудно- фазовые соотношения на каждом отрезке пути, строятся нормированные зависимости интенсивности на каждом выходе лучевых трубок
Внутри капли образуется два симметричных потока энергии, один из которых движется по часовой стрелке, а именно, падающий на верхнюю часть освещенной полусферы. Второй поток, падающий на нижнюю часть полусферы, движется против часовой стрелки. При каждом преломлении энергия делится, например, пополам (половина потока энергии рассеивается вне капли, а вторая половина остается в трубке), тогда после десяти преломлений величина потока в трубке (и рассеянного потока тоже) уменьшается по сравнению с первоначальным потоком в 1024 раза. Поэтому из образующихся бесконечного числа радуг мы видим не более 6. Изменение интенсивности Е- поля в каждой точке преломления рассчитывается путем учета затухания за счет тепловых потерь, за счет геометрического фактора (изменения сечения лучевой трубки из-за формы поверхности), с учетом величины модуля коэффициента преломления Френеля. Изменение фазы рассчитывается с учетом набега фазы на данном отрезке и фазы коэффициентов Френеля.
Из статьи [5] профессора Х. Нуссенцвейга «Широко распространено мнение, что научная сторона дела целиком и полностью сводится к простой геометрической оптике и давно уже выявлена. В действительности последовательная количественная теория радуги была разработана лишь в самое последнее время. Некоторые из самых мощных методов были разработаны специально для решения вопросов, относящихся к радуге. Описание радуги послужило пробным камнем для проверки теоретических построений». Х. Нуссенцвейг [ 5 ] о теории Ми, которая лежит в основе современной количественной теории радуги, говорит : «Ирония судьбы состоит в том, что полностью корректное решение проблемы радуги стало надолго недоступно именно после того, как около ста лет тому назад Джеймсом Клерком Максвеллом была создана теория электромагнитного поля. Эта теория позволила, в частности, дать четкую математическую формулировку для описания свойств оптической радуги. … Все, что для этого было нужно, - это решить задачу рассеяния плоской электромагнитной волны однородной сферой…». «…Казалось бы, имея перед глазами точное решение задачи рассеяния, можно легко выяснить все его свойства, в частности получить точную математическую картину радуги. … Проблема, однако, состояла в том, что для этого нужно было просуммировать ряд парциальных волн, каждый член которого представлял собой довольно сложную математическую функцию. Для получения хорошей аппроксимации в этом ряду необходимо оставить такое число членов, которое по порядку равно упоминавшемуся выше параметру… Но результаты оказались быстро изменяющими функциями угла рассеяния и размера капли…. Компьютер позволяет в лучшем случае получить лишь численное решение, из которого еще далеко не просто извлечь общие физические закономерности. …Итак, возникла парадоксальная ситуация: мы знаем вид точного решения, но не в состоянии извлечь из него конструктивной информации о явлении, которое оно заведомо описывает.»
Разработанный авторами метод лучевых трубок позволяет легко и просто оценить угловые и количественные характеристики радуг для сфер любого диаметра и коэффициента преломления. Подробности можно найти на сайте авторов: http://diffraction-research.ru/ (Проблемы дифракции).
Литература
1. Козеев В.А., Козеев Д.В. «К вопросу о правомерности применения теории Ми при проведении атмосферной коррекции спутниковых многозональных изображений», ИКИ РАН //Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов. Сборник научных статей. Выпуск 5. Том 1. – М.: ООО «Азбука-2000», 2008 – 575 с.
2. Козеев В.А., Козеев Д.В. «Неправомерность формул теории Ми при малых параметрах дифракции», ИКИ РАН //Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов. Сборник научных статей. Том 7. Номер 4 – М.: ООО «ДоМира», 2010 – 575 с. (117-126 с).
3. Тезисы доклада в ИКИ РАН Козеев В.А., Козеев Д.В. Алгоритм и программа расчетной оценки рассеяния излучения частицами. Ноябрь 2008 г.
4. Сайт авторов: http://diffraction-research.ru/ (Проблемы дифракции).
5. Х. Нуссенцвейг. Теория радуги. Успехи физических наук. Том 125 вып. 3 , июль 1978 г . Физика наших дней.