大气带电粒子对电磁波的散射研究

《大气带电粒子对电磁波的散射研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、文章编号１００５－０３８８（２０１１）０４－０７５８－０７大气带电粒子对电磁波的散射研究张自嘉１，２其１，２孙亚杰１，２陈海秀１，２杨长松１，２王（１．南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室，江苏南京２１００４４；２．南京信息工程大学信息与控制学院，江苏南京２１００４４）摘要研究大气中带电粒子对电磁波的散射特性，对利用遥感方法雷达探测云层、雷电预警、分析沙尘对电磁波传播的影响等具有重要意义。从宏观和微观两个方面分析了瑞利散射条件下大气粒子带电对电磁波散射的影响。宏观和微观分别反映了电磁波散射的两种机制，分别对

2、应的是受电场作用后电荷运动形成宏观电流对电磁波的散射，以及单个电荷（电子）受电场作用后在平衡位置附近振动而引起的电磁散射。通过对比中性粒子和所带电荷对电磁波的散射截面量级，分析了大气粒子带电后对电磁波散射的影响。研究表明：宏观上粒子所带电荷对电磁波的散射没有影响，而微观上，在某些频率附近，粒子所带电荷会对电磁波的散射产生较大影响。关键词大气带电粒子；电磁波散射；瑞利散射中图分类号文献标志码Ｐ４０１Ａ为雷电预警提供一种方法。在雷暴发生前后，雷达反射率有较大变化，一般认为，在－１０℃高度，雷达１．引言大气中除了空气分子外还

3、存在大量较大的粒子如云雾粒子、雨滴、冰晶、沙尘等，在一些天气条件下，它们会带上一定的电荷。中性粒子对电磁波具有散射作用，散射的强弱与电磁波的波长、粒子的大小及介电常数等有关。当中性大气粒子如云雾粒子带上一定的电荷后，直接的表现就是形成雷电。这些带电粒子会因带电而对电磁波产生额外散射，通过带电云层特有的电磁散射特点，可以对雷电的产生给出预警［１－５］。此外，大气粒子带电对电磁波的散射会影响雷达反射率，进而影响对中性粒子（云层）的探测。若带电后电磁波散射率有显著增大，而实际的云层在其它方面并没有变化，那么就会认为云层在其它

4、方面如厚度或含水量等方面发生了改变。因此，研究大气粒子带电对电磁波的散射，有助于更准确获得大气的各项信息。如同样的大气云层，在带电前后对电磁波的散射有较大差别，将会影响对天气现象的判断。研究大气带电粒子对电磁波的散射规律，可以获取大气中带电粒子对电磁波传播的影响，也可以反射率在达到４０ｄＢｚ时，发生雷电的概率较大［１－５］，雷暴的雷达回波与闪电的位置相关联。不同地区雷达回波与闪电的关联会有一些差别，但这些是通过大量观测得到的一种经验总结，不能从本质和量的方面反映大气带电粒子分布状态。对大气中粒子带电对电磁波散射的分析，

5、主要有两种类型，即瑞利散射和米（Ｍｉｅ）散射。前一种是电磁波的波长远大于粒子的尺度，可以将粒子看作是处于均匀电场中，利用静电学的方法分析所带电荷对电磁波的影响，后一种是电磁波的波长与粒子尺度相当，或小于粒子尺度，利用电磁场及其边界条件来分析所带电荷对电磁波散射的影响，这种方法理论较为复杂，这里主要研究符合瑞利散射的粒子带电后对电磁波的散射影响。大气粒子对电磁波的散射已有很多文献进行了研究［６－１１］，但对大气粒子带电对电磁波的散射研究较少，一些文献主要研究带电沙尘对电磁波的散射［１２－１７］。利用宏观和微观两种方法分析

6、了大气带电粒子对电磁波的散射特性，实质上这两种方法反映收稿日期：２０１０－０９－１１基金项目：江苏省高等学校优势学科建设工程资助项目；南京信息工程大学科研基金资助（２００８０２５８）联系人：张自嘉Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈｚｉｊｉａ＠１２６．ｃｏｍ了两种不同的带电粒子的散射本质，也反映在研究方法上的不同。宏观方法研究的是所带电荷受到交变电场作用时，电荷重新分布而形成交变电流，从而产生电磁辐射，微观方法则是研究电荷受约束在平衡位置附近振动而产生电磁辐射。分析表明：宏观方面带电粒子所带电荷（自由电荷）对电磁波散射没有影响，而微观方

7、面在共振频率附近对电磁散射有较大影响，这和已有文献的分析方法和研究结果不同。２．基于宏观方法的不均匀带电粒子的电磁波散射场分析大气中的带电粒子主要有沙尘、云雾粒子和雨滴等几种，沙尘的形状较为复杂，云雾粒子和雨滴则较规则，通常在理论分析时，都作一简化，较多的是简化为球形粒子和椭球粒子。从电学性质来说，沙尘与云雾、雨滴粒子的差别主要在介电常数上。在气象雷达和一般的通信中，电磁波的波长都远大于粒子的尺度，因此主要研究符合瑞利散射的带电粒子。设大气带电粒子为球形，半径为ａ，介电常数为ε１，外部大气环境的介电常数为ε２．通常大气

8、中存一定的大气电场，设这一电场沿竖直方向，用Ｅ０表示。球形粒子处于大气中，带有电荷Ｑ，电荷在球体上不均匀分布，设电荷密度σ＝ｆ（θ，φ）。由于电荷分布的不均匀性，需要考虑电磁波的入射方向和偏振方向，如图１（ａ）所示，ｚ轴沿竖直向上，电磁波的入射方向为ｋ，不失一般性，取ｘｙｚ坐标系，使ｋ位于ｘｚ平面内，ｋ与ｙ轴的夹角为。图１（ｂ）