Конкурс научных работ 2016 года

First-principles modeling of electromagnetic scattering
by discrete and discretely heterogeneous random media
обзор в журнале «Physics Reports»

Юркин М.А.
Mishchenko M.I.,¹ Dlugach J.M.,² Bi L.,³ Cairns B.,¹ Liu L.,^1,4 Panetta R.L.,³
Travis L.D.,¹ Yang P.,³ and Zakharova N.T.⁵

¹ NASA Goddard Institute for Space Studies, USA
² Main Astronomical Observatory of the National Academy of Sciences of Ukraine, Ukraine
³ Texas A&M University, USA
⁴ Columbia University, USA
⁵ Trinnovim LLC, USA

Аннотация

Дискретная случайная среда представляет собой объект в виде конечного объема вакуума или однородной среды, заполненный квази-случайно или квази-равномерно распределенными дискретными макроскопическими неоднородностями, называемыми малыми частицами. Такие объекты широко распространены в природных и искусственных условиях. Для их характеризации часто используют теоретический анализ результатов измерений в лабораторных или естественных условиях, а также результатов дистанционного зондирования на основе рассеяния света и другого электромагнитного излучений. Электромагнитное рассеяние и поглощение частицами также может влиять на энергетический бюджет дискретной случайной среды и, следовательно, на различные связанные физические и химические процессы.

Во всех этих случаях необходимо моделировать электромагнитное рассеяние в терминах подходящих наблюдаемых оптических величин, т.е. квадратичных или билинейных форм по полю, которые количественно описывают показания соответствующего оптического прибора или баланс электромагнитной энергии. Принято считать, что уравнения Максвелла в частотной области могут точно описать упругое электромагнитное рассеяние макроскопическими средами, состоящими из частиц, которые изменяются во времени гораздо медленнее, чем падающее электромагнитное поле. Тем не менее, прямые решения этих уравнений для дискретных случайных сред были неосуществимы до недавнего времени. Это привело к широкому использованию различных феноменологических подходов в ситуациях, когда сама их применимость может быть поставлена под сомнение.

Однако в последнее время возникла новая отрасль физической оптики, в которой электромагнитное рассеяние дискретными и дискретно-неоднородными случайными средами моделируется напрямую с помощью аналитических или численно-точных решений уравнений Максвелла. Таким образом, основной целью данного обзора является описание общей теоретической основы электромагнитного рассеяния дискретными случайными средами, исходя из электромагнетизма Максвелла-Лоренца, и обсуждение ее непосредственных аналитических и численных следствий.

Исходя из микроскопических уравнений Максвелла-Лоренца, описано развитие строгого формализма, который делает возможным точные расчеты монохроматического и квазимонохроматического рассеяния статическими и случайно изменяющимися группами частиц. Демонстрируется, как эта общая основа может быть соединена с современными компьютерными программами для решения уравнений Максвелла и применена к прямому моделированию электромагнитного рассеяния представительными случайными группами частиц с произвольной плотностью упаковки. Это моделирование из первых принципов приводит к общему физическому пониманию, недоступному для феноменологических подходов. Также обсуждается, как приближение однократного рассеяния, теория переноса излучения, и теория слабой локализации электромагнитных волн могут быть получены в качестве непосредственных следствий из уравнений Максвелла для конкретных и четко определенных видов сред, состоящих из частиц. Эти недавние результаты подтверждают мезоскопическое происхождение режимов переноса излучения, слабой локализации и эффективной однородной среды и помогают оценить численную точность широко используемых методик приближенного моделирования.

Хотя работы авторов обзора внесли значительный вклад в развитие этого нового научного направления, данный обзор не ограничивается этими работами, а подробно описывает все публикации, имеющие отношение к этой области. Обзор имеет размер 75 журнальных страниц, список литературы насчитывает 393 источника.

Вклад авторского коллектива

Основной вклад Юркина М.А. состоял в описании объемного интегрального уравнения для электрического поля и единственности его решения (главы 4.2, 4.3), а также моделирование светорассеяния тестовым объектом с помощью метода дискретных диполей и обсуждение этих результатов (глава 7). Также Юркин М.А. обсуждал и редактировал весь текст обзора.

Список публикаций

Mishchenko M.I., Dlugach J.M., Yurkin M.A., Bi L., Cairns B., Liu L., Panetta R.L., Travis L.D., Yang P., and Zakharova N.T. First-principles modeling of electromagnetic scattering by discrete and discretely heterogeneous random media, Phys. Rep. 632, 1–75 (2016).