Рассеяние волн. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Рассеяние волн - возмущения волновых полей, вызываемые неоднородностями среды и помещёнными в эту среду рассеивающими объектами. Допустимо различать три осн. вида рассеяния.

1. Р. в. на одиночных объектах в однородной среде. Это могут быть одиночные частицы (электроны, атомы, молекулы) в вакууме. Др. тип таких объектов - мак-роскопич. тела, отличающиеся от окружающей среды показателем преломления и импедансом, плазменные сгустки, газовые пузырьки в жидкости и т. д. (см. Рассеяние света, Рассеяние звука). Фактически в этих случаях рассеяние волн отличается от дифракции волн только терминологически.

2. В случае множеств. объектов или регулярных непрерывно распределённых возмущений среды особое значение имеют коллективные эффекты, обусловленные суперпозицией полей рассеяния и взаимным перераспределением (многократным рассеянием). Так формируются диаграммы рассеяния от периодич. решёток, многослойных структур (см. Дифракционная решётка, Брэг-говское отражение). В нелинейных средах такие (как правило, периодические) структуры образуются как отклики среды на интенсивные поля накачки или на разл. суперпозиции поля в многоволновых комбинациях. Эти случаи относятся к явлениям вынужденного Р. в. (см., напр., Мандельштама - Бриллюэна рассеяние).

3. Рассеяние волн на стохастических (случайно распределённых) возмущениях сред или границ раздела. Иногда под Р. в. понимается именно такой тип рассеяния. Если облако дискретных хаотически расположенных рассеивателей достаточно разрежено, при расчёте рассеянных полей можно пользоваться приближением однократного рассеяния, т. е. первым приближением метода возмущений (см. Борцовское приближение, Возмущений теория). Это приближение справедливо в условиях, когда ослабление падающей волны из-за перехода части её энергии в рассеянное поле незначительно. В этом случае диаграмма направленности рассеяния плоской волны от всего облака рассеивателей совпадает с индикатрисой рассеяния отд. частицы. При наличии движения рассеивателей частотный спектр рассеяния первоначально монохроматической волны изменяется: ср. скорость движения рассеивателей определяет сдвиг максимума спектра, а дисперсия её флуктуации - уширение спектра рассеянного излучения в соответствии с Доплера эффектом .При рассеянии эл--магн. волны происходит также изменение поляризации.

При большой концентрации рассеивателей в среде происходит многократное Р.в.на частицах. В этом случае падающая волна сильно затухает из-за рассеяния даже в отсутствие истинной диссипации, а угловой и частотный спектры рассеянного излучения изменяются по мере проникновения в глубь рассеивающей среды. При анализе используются теория переноса излучения, имеющая дело с интенсивностями распространяющихся волн, и теория многократного рассеяния, основанная на решении волнового ур-ния с учётом эффектов взаимодействия мн. частиц.

В реальных хаотически неоднородных сплошных средах флуктуации их параметров (концентрации, температуры, скорости движения и т. д.), как правило, являются достаточно слабыми. Это позволяет при расчёте Р. в. на неоднородностях, находящихся в достаточно малом объёме, использовать приближение однократного рассеяния. В этом случае угл. спектр рассеянного излучения повторяет пространственный спектр неоднороднос-тей среды, поскольку процесс рассеяния под данным углом можно представить как брэгговское отражение от одной из пространственных гармоник среды (трёхмерных решёток), определяемой разностью волновых векторов падающей и рассеянной волн. В турбулентных потоках частотный спектр рассеяния определяется, как и для дискретных рассеивателей, ср. и флуктуац. скоростями макроскопич. движения среды.

Теория многократного рассеяния в сплошных средах наиб. хорошо развита для случая одномерных неодно-родностей, а в трёхмерно-неоднородных средах - в приближении малоуглового рассеяния "вперёд". Для анализа используются схема марковских случайных процессов в диффузионном приближении, теория переноса излучения, метод суммирования ряда теории возмущений по кратности рассеяния при помощи фейнма-новских диаграмм (решения Дайсона уравнения и Бете - Солпитера уравнения), метод геом. оптики, плавных возмущений метод и параболического уравнения приближение .Одним из наиб. ярких эффектов многократного рассеяния в одномерной среде является полное отражение волны от полубесконечной среды со слабыми флуктуациями показателя преломления. При малоугловом многократном рассеянии в среде с трёхмерными неоднородностями происходит накопление флуктуации параметров волны с ростом дистанции. В частности, накопление с расстоянием флуктуации направления нормали к поверхности пост. фазы волны приводит к росту ширины угл. спектра излучения. В среде с пространственно-временными неоднородностями аналогичным образом растёт с расстоянием ширина частотного спектра. Дисперсия флуктуации интенсивности на нек-рой глубине выходит на стационарный уровень. Совместное влияние диссипации и рассеяния приводит к существованию "глубинного режима", когда угл. спектр излучения перестаёт зависеть от диаграммы направленности падающей волны.

Важную в прикладном аспекте роль играет Р. в. в равновесной и неравновесной плазме, где наряду с эл--магн. волнами могут распространяться и др. типы волн (плазменные в изотермич. плазме, ионно-звуковые в неизотермической, альвеновские, магн--звуковые и свистовые в магнитоактивной плазме и т. п., см. Волны в плазме ).Это приводит к очень сложной картине рассеяния, существенному изменению как углового, так и частотного спектров, трансформации волны одного типа в другие и т. п.

Р. в. на шероховатых и неоднородных поверхностях раздела сред приводит к тому, что волна не только отражается в зеркальном направлении, но и рассеивается в др. направлениях. Если шероховатая поверхность движется, то спектр рассеянной волны отличен от спектра падающей волны. Такие характеристики, как интенсивность и поляризация рассеянных волн, индикатриса рассеяния, существенно зависят от соотношения между длиной волны, масштабом и высотой шероховатостей. Осн. методами для расчёта поля рассеяния на шероховатых поверхностях являются метод возмущений и Кирхгофа метод .Метод возмущений справедлив, когда высота неровностей мала по сравнению с длиной волны, а метод Кирхгофа пригоден для сколь угодно высоких, но плавных неровностей. Дальнейшая разработка теории велась по линии развития приближений малых возмущений и метода Кирхгофа. Вводились нелокальные граничные условия, учитывались затенения в методе Кирхгофа, развивалась концепция резонансного рассеяния, разрабатывалась теория рассеяния на поверхности с двумя типами неровностей и т. д.

Теория рассеяния волн имеет важное прикладное значение. Напр., ещё Дж. Рэлей (J. Rayleigh) в развитой им теории рассеяния света на тепловых флуктуациях показателя преломления воздуха установил, что интенсивность рассеянных волн растёт пропорционально 4-й степени частоты. Это позволило ему объяснить голубой цвет неба. Дисперсией света и рассеянием на водяных капельках воздуха после дождя объясняется явление радуги. Рассеяние радиоволн на шероховатых поверхностях привлекается для определения параметров неровностей морской поверхности, поверхности Луны и планет и т. д. Р. в. и связанные с ним флуктуации параметров волн широко используются для создания дистанц. методов измерения характеристик турбулентных потоков, атмосферной турбулентности, лабораторной и ионосферной плазмы. Изменение направления волн при рассеянии в тропосфере и ионосфере используется для создания систем заго-ризонтной радиосвязи на УКВ (см. Загоризонтное распространение радиоволн).

Литература по рассеянию волн

Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.