基于Mie散射的带电粒子散射特性的研究

王金虎

大气中除了空气分子，还有大量较大的颗粒，如云粒、雨滴、冰晶、沙粒等。在某些天气条件下，它们会携带一定数量的电荷。中性粒子散射电磁波，其散射强度与电磁波的波长、粒子大小和介电常数有关。当大气中性粒子如云粒子携带一定的电荷时，直接表现为雷电的形成。由于带电，这些带电粒子会产生额外的电磁波散射。带电云的电磁散射特性可以提供雷电的早期预警。在自然界和人类活动中，如火山喷发、暴风雪颗粒的飘落、火山灰粒子颗粒的运动、海洋喷雾的水滴、雷暴中的冰晶和尘埃以及沙尘暴天气下沙尘颗粒运动，颗粒之间的摩擦在运动的过程中，碰撞使带电粒子表面。带电粒子的现象已经被广泛认可，并成为近年来日益活跃的研究领域。研究带电粒子散射波的整体能量分布对雷暴云遥感探测具有重要意义。

王金虎教授团队基于Mie散射理论推导分析了带电球形粒子的散射特性，给出散射系数与表面电导率的关系，计算了不同面电导率粒子与非带电粒子的散射角，计算表明：对金属类粒子，带电后的散射影响不大；但带电介质类粒子如水球、冰球粒子，面电荷使面电导率达到一定量级时，对散射特性有明显的影响。与水球相比，冰球的散射系数振荡现象处于粒子尺度参数更大值，振幅更强，而当面电导率很大时，即携带更多电荷量时，两者散射效率近似相等，与同大小的金属球形粒子的散射效率接近。随着面电导率的增加，散射系数发生较大变化，但当电导率达到一定值时，散射系数趋于恒定。相对非带电粒子的散射，带电后粒子的散射系数减小，散射能量沿不同方向重新分布，后向散射强度增强，其他方向的散射强度减小。当冰球粒子与水球粒子面电导率大到一定程度时，其散射特性都接近等大金属粒子的散射特性。

论文信息：

王金虎，蔡嘉晗，谢槟泽，王宇豪，陈江，朱颉.基于Mie散射的带电粒子散射特性的研究[J].光散射学报，2021,33（1）:65-71.