Новое представление о рассеянии электромагнитного излучения крупными частицами

1. Особенность результатов расчетов по теории Ми (дифракция плоской электромагнитной волны на шаре), которая является основой изучения рассеяния излучения в атмосфере сферическими частицами, заключается в вытянутости индикатрисы рассеяния (диаграммы направленности) «вперед» по направлению падающего поля для больших параметров дифракции х (крупной частицы). Оценка конуса угла рассеяния для капли воды радиусом 1 мм и Луны, как крупной непрозрачной частицы (радиус Луны 1438 км), на длине волны зеленого цвета λ = 0,55 мкм. дает следующие результаты: - для капли воды: х = 1,14 104; угол » 0,1 град; для Луны: х = 1,99 1014; угол » 5,73 10-12 град. Вся энергия Солнца, падающая на геометрическое сечение Луны (в небольшой полосе длин волн вблизи зеленой линии) сосредоточилась бы на поверхности Земли в пятне диаметром 3,8 10-2 мм. Это противоречит здравому смыслу.
2. Причину неправомерности применения решения Ми для изучения рассеяния излучения крупными частицами можно показать на другом случае аналитического решения задачи дифракции электромагнитного поля на каком-либо теле – дифракции на цилиндре для самого простого случая, когда плоская электромагнитная волна падает на бесконечный идеальный цилиндрический проводник так, что вектор напряженности электрического поля параллелен оси цилиндра. Расчеты, сделанные в соответствии с традиционным решением также приводят к вытянутым вперед диаграммам направленности рассеянного поля «…вместо тени наблюдается максимум излучении».
3. Ключевым моментом в полученных аналитических решениях дифракции плоской волны на бесконечном цилиндре и на шаре (и только этих двух задач вообще) явилась возможность разложения плоской волны по гармоникам, содержащим функции Бесселя (сферическим функциям Бесселя). Эти известные разложения являются своеобразной ловушкой, так как отраженное поле также представляется в виде ряда Фурье, где коэффициенты Фурье от расстояния описываются цилиндрическими функциями соответствующих индексов, но не произвольными, а теми, которые удовлетворяют условиям излучения на бесконечности – функциями Ханкеля второго рода.
4. Ошибка кроется в том, что неправильно выбрана область существования падающего поля (без учета области тени). В новом случае получаются коэффициенты Фурье, которые зависят от расстояния, но не как цилиндрические функции.
5. Отметим, что для задачи дифракции на цилиндре кроме «рассеяния вперед» возникает еще одна «беда»: при малых параметрах дифракции х << 1 (такая задача возникает при оценке наводок на протяженные проводники под действием электромагнитного поля грозы) отраженное магнитное поле во много раз превышает (вплоть до бесконечности) падающее. Соответственно в результате расчетов оказываются завышенными плотность тока и возникающий ток на проводнике.
6. Изучение процессов рассеяния в атмосфере излучения крупными частицами можно проводить на основе метода геометрической оптики. Была разработана численная программа расчета RADUGA, в которой прослеживался каждый узкий луч на выбранной сетке узлов с учетом отражений, преломлений, переотражений и затухания в среде (до десяти его выходов из сферической частицы). Получены интересные результаты.