Механизмы формирования отрицательной поляризации небесных тел: обзор и компьютерное моделирование

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В работе приведен краткий обзор основных механизмов, вызывающих отрицательную степень линейной поляризации излучения, рассеянного реголитовыми поверхностями безатмосферных космических тел и ансамблями частиц в области оппозиции. Приведены результаты компьютерного моделирования, позволившие вычислить степень поляризации света, рассеянного парами неправильных частиц. Расстояние между частицами менялось, что позволило получить наглядное представление о суммарном воздействии механизмов формирования отрицательной поляризации в случае двухчастичного рассеяния (рассеяния, в котором участвуют две частицы). Ранее аналогичное исследование проводилось для случая двух сферических частиц, и показало, что двухчастичное рассеяние сферами лишь меняет степень линейной поляризации по абсолютной величине. В работе показано, что двухчастичное рассеяние неправильными частицами оказывает переменное влияние на степень линейной поляризации, как увеличивая, так и уменьшая ее. Также было показано, что двухчастичное рассеяние неправильными частицами способно сформировать отрицательную поляризацию даже в том случае, если свет, рассеянный одиночной частицей, поляризован положительно. Следовательно, при теоретических исследованиях механизмов возникновения отрицательной поляризации важно учитывать двухчастичное рассеяние.

Об авторах

Д. В. Петров

Крымская астрофизическая обсерватория Российской академии наук (КрАО РАН)

Email: dvp@craocrimea.ru
Россия, пгт. Научный, Бахчисарайский р-н.

Н. Н. Киселев

Крымская астрофизическая обсерватория Российской академии наук (КрАО РАН)

Email: dvp@craocrimea.ru
Россия, пгт. Научный, Бахчисарайский р-н.

А. А. Савушкин

Крымская астрофизическая обсерватория Российской академии наук (КрАО РАН)

Email: dvp@craocrimea.ru
Россия, пгт. Научный, Бахчисарайский р-н.

Е. А. Жужулина

Крымская астрофизическая обсерватория Российской академии наук (КрАО РАН)

Автор, ответственный за переписку.
Email: dvp@craocrimea.ru
Россия, пгт. Научный, Бахчисарайский р-н.

Список литературы

  1. Киселев Н.Н., Чернова Г.П. О возможно новом виде зависимости поляризации-фаза для комет // Астрон. циркуляр. 1976. Т. 931. С. 5–7.
  2. Киселев Н.Н., Чернова Г.П. Поляризация излучения кометы Веста 1975n // Астрон. журн. 1978. Т. 55. № 5. С. 1064–1071.
  3. Овчаренко А.А., Шкуратов Ю.Г. Эффект слабой локализации света при обратном рассеянии поверхностями сложной структуры // Оптика и спектроскопия. 2000. Т. 88. № 2. С. 291–297. https://doi.org/10.1134/1.626788
  4. Петрова Е.В., Тишковец В.П., Йокерс К. Взаимодействие частиц в ближнем поле и оппозиционные эффекты у реголитоподобных поверхностей // Астрон. вестн. 2009. Т. 43. № 2. С. 110–124. (Petrova E.V., Tishkovets V.P., Jockers K. Interaction of particles in the near field and opposition effects in regolith-like surfaces // Sol. Syst. Res. 2009. V. 43. № 2. P. 100–115).https://doi.org/10.1134/S0038094609020026
  5. Уфимцев П.Я. Метод краевых волн в физической теории дифракции. Москва: Советское радио, 1962. 241 с.
  6. Фарафонов В.Г., Ильин В.Б., Прокопьева М.С., Тулегенов А.Р., Устимов В.И. О сфероидальной модели рассеяния света несферическими частицами // Оптика и спектроскопия. 2019. Т. 126. № 4. С. 443–449. https://doi.org/10.1134/S0030400X19040076
  7. Шкуратов Ю.Г. Модель отрицательной поляризации света безатмосферных небесных тел // Астрон. журн. 1982. Т. 59. С. 817–822.
  8. Шкуратов Ю.Г. О природе оппозиционного эффекта яркости и отрицательной поляризации света твердых космических поверхностей // Астрон. циркуляр. 1985. Т. 1400. С. 3–6.
  9. Шкуратов Ю.Г. Дифракционный механизм формирования оппозиционного эффекта яркости поверхностей со сложной структурой // Кинемат. и физ. небесн. тел. 1988а. Т. 4. № 4. С. 33–39.
  10. Шкуратов Ю.Г. О природе поляриметрической неоднородности поверхности астероида 4 Веста // Астрон. вестн. 1988б. Т. 12. № 2. С. 152–158.
  11. Шкуратов Ю.Г., Опанасенко Н.В., Мелкумова Л.Я. Интерференционное усиление обратного рассеяния и отрицательная поляризация света, отраженного поверхностями со сложной структурой // Препринт АН УССР. Ин-т радиофизики и электрон. Харьков. 1989. № 361. 26 с.
  12. Шкуратов Ю.Г. Интерференционная модель отрицательной поляризации света, рассеянного твердыми поверхностями небесных тел // Астрон. вестн. 1991. Т. 25. № 2. С. 152–161. (Shkuratov Y.G. Interference model of negative polarization of light scattered by the solid surfaces of celestial bodies // Sol. Syst. Res. 1991. V. 25. №. 2. P. 110.)
  13. Шкуратов Ю.Г., Креславский М.А., Опанасенко Н.В. Анализ механизма отрицательной поляризации света, рассеянного безатмосферными небесными телами // Астрон. вестн. 1992. Т. 26. С. 46–53. (Shkuratov Y.G., Kreslavskii M.A., Opanasenko N.V. Analysis of a mechanism of negative polarization of light scattered by the surface of atmosphereless celestial bodies // Sol. Syst. Res. 1992. V. 26. № 1. P. 33.)
  14. Akkermans E., Wolf P., Maynard R., Maret G. Theoretical study of the coherent backscattering of light by disordered media // J. de Physique. 1988. V. 49. P. 77–98.
  15. Amic E., Luck J.M., Nieuwenhuizen T.M. Multiple Rayleigh scattering of electromagnetic waves // J. de Physique I. 1997. V. 7. № 3. P. 445–483. https://doi.org/10.1051/jp1:1997170
  16. Barabanenkov Y.N., Kravtsov Y.A., Ozrin V.D., Saichev A.I. II Enhanced Backscattering in Optics // Progress in Optics. 1991. V. 29. P. 65–197. https://doi.org/10.1016/S0079-6638(08)70006-4
  17. Barabashev N.P. Bestimmung der Erdalbedo und des Reflexionsgesetztes fur die Oberflache der Mondmeere. Theorie der Rillen // Astron. Nachr. 1922. V. 217. P. 445–452.
  18. Berrocal E., Churmakov D.Y., Romanov V.P., Jermy M.C., Meglinski I.V. Crossed source-detector geometry for a novel spray diagnostic: Monte Carlo simulation and analytical results // Appl. Optics. 2005. V. 44. № 13. P. 2519–2529. https://doi.org/10.1364/AO.44.002519
  19. Bohren C.F., Huffman D.R. Absorption and Scattering of Light by Small Particles. Wiley-VCH, 1998. 530 p.
  20. Bowell E., Dollfus A., Geake J.E. Polarimetric properties of the lunar surface and its interpretation. Part 5: Apollo 14 and Luna 16 lunar samples // Lunar and Planet. Sci. Conf. Proc. Houston, 1972. V. 3. P. 3103.
  21. Dollfus A., Wolff M. Theory and Application of the Negative Branch of Polarization for Airless Planetary Objects // Lunar and Planet. Sci. Conf. XII. Abstracts. 1981. P. 232–234.
  22. Dollfus A., Wolff M., Geake J.E., Lupishko D.F., Dougherty L.M. Photopolarimetry of asteroids // Asteroids II. Tucson: Univ. Arizona Press, 1989. P. 594–616.
  23. Draine B.T., Flatau P.J. Discrete-dipole approximation for scattering calculations // J. Optical Soc. Am. A. 1994. V. 11. № 4. P. 1491–1499. https://doi.org/10.1364/JOSAA.11.001491
  24. Frattin E., Muñoz O., Moreno F., Nava J., Escobar-Cerezo J., Gomez Martin J.C., Guirado D., Cellino A., Coll P., Raulin F., Bertini I., Cremonese G., Lazzarin M., Naletto G., La Forgia F. Experimental phase function and degree of linear polarization of cometary dust analogues // Mon. Notic. Roy. Astron. Soc. 2019. V. 484. № 2. P. 2198–2211. https://doi.org/10.1093/mnras/stz129
  25. Geake J.E., Geake M., Zellner B.H. Experiments to test theoretical models of the polarization of light by rough surfaces // Mon. Notic. Roy. Astron. Soc. 1984. V. 210. P. 89–112. https://doi.org/10.1093/mnras/210.1.89
  26. Geake J.E., Geake M. A Remote Sensing Method for Sub-Wavelength Grains on Planetary Surfaces by Optical Polarimetry // Mon. Notic. Roy. Astron. Soc. 1990. V. 245, P. 46–55. https://doi.org/10.1093/mnras/245.1.46
  27. Gorodnichev E.E., Kondratiev K.A., Rogozkin D.B. Coherent backscattering of light from a Faraday medium // Phys. Rev. B. 2022. V. 105. № 10. id. 104208. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.105.104208
  28. Hapke B.W. A theoretical photometric function for the lunar surface // J. Geophys. Res. 1963. V. 68. P. 4571–4586. https://doi.org/10.1029/JZ068i015p04571
  29. Hapke B.W. Theory of Reflectance and Emittance Spectroscopy. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1993. 455 p.
  30. Hapke B.W. Bidirectional reflectance spectroscopy. 6. Effects of porosity // Icarus. 2008. V. 195. № 2. P. 918–926. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2008.01.003
  31. Hopfield J.J. Mechanism of lunar polarization // Science. 1966. V. 151. № 3716. P. 1380–1381. https://doi.org/10.1126/science.151.3716.1380
  32. Horton C.W., Watson R.B. On the Diffraction of Radar Waves by a Semi-Infinite Conducting Screen // J. Appl. Phys. 1950. V. 21. № 1. P. 16–21. https://doi.org/10.1063/1.1699412
  33. Hovenier J.W., van der Mee C.V.M. Fundamental relationships relevant to the transfer of polarized light in a scattering atmosphere // Astron. and Astrophys. 1983. V. 128. № 1. P. 1–16.
  34. Jentzsch F. Über die Beugung des Lichtesan Stahlschneiden // Ann. der Physik. 1927. V. 389. № 18. P. 292–312. https://doi.org/10.1002/andp.19273891806
  35. Johnson H.L., Morgan W.W. Fundamental stellar photometry for standards of spectral type on the revised system of the Yerkes spectral atlas // Astrophys. J. 1953. V. 117. № 3. P. 313–352. https://doi.org/10.1086/145697
  36. Kiselev N., Rosenbush V., Muinonen K., Kolokolova L., Savushkin A., Karpov N. New polarimetric data for the Galilean satellites: Europa observations and modeling // Planet. Sci. J. 2022. V. 3. № 6. id. 134 (13 p.). https://doi.org/10.3847/PSJ/ac6bef
  37. Li A., Greenberg J.M. A unified model of interstellar dust // Astron. and Astrophys. 1997. V. 323. № 2. P. 566–584.
  38. Lyot B. Recherches sur la polarisation de la lumiere des planetes et de queldues substances terrestres // Ann. Obs. Meudon. 1929. V. 8. P. 1–161.
  39. Lyot B. Polarisation des petites planètes // Comptes Rendus de l’Académie des Sciences. 1934. V. 199. P. 774.
  40. McCoyd G.C. Polarization properties of simple dielectric rough surface model // J. Optical Soc. Am. 1967. V. 57. № 11. P. 1345–1350.
  41. Mishchenko M.I. Enhanced backscattering of polarized light from discrete random media: calculations in exactly the backscattering direction // J. Optical Soc. Am. A. 1992. V. 9. № 6. P. 978–982. https://doi.org/10.1364/JOSAA.9.000978
  42. Mishchenko M.I. On the nature of the polarization opposition effect exhibited by Saturn’s rings // Astrophys. J. 1993. V. 411. P. 351–361. https://doi.org/10.1086/172835
  43. Mishchenko M.I., Travis L.D., Mackowski D.W. Scattering of light by bispheres with touching and separated components // Appl. Optics. 1995. V. 34. № 21. P. 4589–4599. https://doi.org/10.1364/AO.34.004589
  44. Mishchenko M.I. Diffuse and coherent backscattering by discrete random media. I. Radar reflectivity, polarization ratios, and enhancement factors for a half-space of polydisperse, nonabsorbing and absorbing spherical particles // J. Quant. Spectroscopy and Radiative Transfer. 1996. V. 56. № 5. P. 673–702. https://doi.org/10.1016/S0022-4073(96)00117-3
  45. Mishchenko M.I., Luck J.M., Nieuwenhuizen T.M. Full angular profile of the coherent polarization opposition effect // J. Optical Soc. Am. A. 2000. V. 17. № 5. P. 888–891. https://doi.org/10.1364/JOSAA.17.000888
  46. Mishchenko M.I., Dlugach J.M., Liu L. Azimuthal asymmetry of the coherent backscattering cone: Theoretical results // Phys. Rev. A. 2009. V. 80. № 5. id. 053824. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.80.053824
  47. Mishchenko M.I., Rosenbush V.K., Kiselev N.N., Lupishko D.F., Tishkovets V.P., Kaydash V.G., Belskaya I.N., Efimov Y.S., Shakhovskoy N.M. Polarimetric remote sensing of Solar System objects. K.: Akademperiodyka, 2010. 291 p.
  48. Muinonen K. Electromagnetic scattering by two interacting dipoles // Proc. 1989 URSI Electromagnetic Theory Symp. Stockholm, 1989. P. 428–430.
  49. Muinonen K. Light scattering by inhomogeneous media: Backward enhancement and reversal of linear polarization // Ph. D. Thesis. Report 3/1990. Helsinki: Observatory and Astrophysics Laboratory, Univ. Helsinki, 1990. 24 p.
  50. Muinonen K.O., Sihvola A.H., Lindell I.V., Lumme K.A. Scattering by a small object close to an interface. II. Study of backscattering // J. Optical Soc. Am. A. 1991. V. 8. Iss. 3. P. 477–482. https://doi.org/10.1364/JOSAA.8.000477
  51. Muinonen K. Light scattering by Gaussian random particles // Earth, Moon, and Planets. 1996. V. 72. P. 339–342. https://doi.org/10.1007/BF00117539
  52. Muñoz O., Hovenier J.W. Laboratory measurements of single light scattering by ensembles of randomly oriented small irregular particles in air. A review // J. Quant. Spectroscopy and Radiative Transfer. 2011. V. 112. № 11. P. 1646–1657. https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2011.02.005
  53. Muñoz O., Moreno F., Gómez-Martín J.C., Vargas-Martín F., Guirado D., Ramos J.L., Bustamante I., Bertini I., Frattin E., Markannen J., Tubiana C., Fulle M., Güttler C., Sierks H., Rotundi A., Della Corte V., Ivanovski S., Zakharov V.V., Bockelée-Morvan D., Blum J., Merouane S., Levasseur-Regourd A.C., Kolokolova L., Jardiel T., Caballero A.C. Experimental phase function and degree of linear polarization curves of millimeter-sized cosmic dust analogs // Astrophys. J. Suppl. Ser. 2020. V. 247. № 1. id. 19 (13 p.). https://doi.org/10.3847/1538-4365/ab6851
  54. Öhman Y. A tentative explanation of the polarization in diffuse reflection // Stockholm Obs. Ann. 1955. V. 18. P. 1–10.
  55. Ozrin V.D. Exact solution for coherent backscattering of polarized light from a random medium of Rayleigh scatterers // Waves in Random Media. 1992. V. 2. № 2. P. 141–164. https://doi.org/10.1088/0959-7174/2/2/005
  56. Petrov D., Kiselev N. Computer simulation of position and maximum of linear polarization of asteroids // J. Quant. Spectroscopy and Radiative Transfer. 2018. V. 204. P. 88–93. https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2017.09.003
  57. Petrov D.V., Zhuzhulina E.A. Polarization properties of quasi-fractal porous particles // J. Quant. Spectroscopy and Radiative Transfer. 2022. V. 289. id. 108298. https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2022.108298
  58. Petrova E.V., Tishkovets V.P., Jockers K. Modeling of opposition effects with ensembles of clusters: Interplay of various scattering mechanisms // Icarus. 2007. V. 188. № 1. P. 233–245. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2006.11.011
  59. Quirantes A., Arroyo F., Quirantes-Ros J. Multiple light scattering by spherical particle systems and its dependence on concentration: A T-matrix study // J. Colloid and Interface Sci. 2001. V. 240. № 1. P. 78–82. https://doi.org/10.1006/jcis.2001.7641
  60. Rode O., Ivanov A., Nazarov M., Cimbalnikova A., Jurek K., Hejl V. Atlas of photomicrographs of the surface structures of lunar regolith particles. Prague: Academia, 1979. 242 p.
  61. Savornin J. Étude de la diffraction éloignée // Ann. de Physique. 1939. V. 11. № 11. P. 129–255. https://doi.org/10.1051/anphys/193911110129
  62. Scott A., Duley W.W. Ultraviolet and infrared refractive indices of amorphous silicates // Astrophys. J. Suppl. Ser. 1996. V. 105. P. 401. https://doi.org/10.1086/192321
  63. Shkuratov Y.G., Melkumova L.Y. Diffraction model of the negative polarization of light scattering by atmosphereless cosmic bodies // Abstracts of Lunar and Planet. Sci. Conf. 1991. V. 22. P. 1243.
  64. Shkuratov Y.G., Muinonen K., Bowell E., Lumme K., Peltoniemi J.I., Kreslavsky M.A., Stankevich D.G., Tishkovetz V.P., Opanasenko N.V., Melkumova L.Y. A critical review of theoretical models of negatively polarized light scattered by atmosphereless Solar System bodies // Earth, Moon and Planets. 1994. V. 65. № 3. P. 201–246. https://doi.org/10.1007/BF00579535
  65. Shkuratov Y., Ovcharenko A., Zubko E., Miloslavskaya O., Muinonen K., Piironen J., Nelson R., Smythe W., Rosenbush V., Helfenstein P. The opposition effect and negative polarization // Icarus. 2002. V. 159. P. 396–416. https://doi.org/10.1006/icar.2002.6923
  66. Shkuratov Yu., Videen G., Kreslavsky M., Belskaya I., Kaydash V., Ovcharenko A., Omelchenko V., Opanasenko N., Zubko E. Scattering properties of planetary regoliths near opposition // Photopolarimetry in remote sensing: NATO Science Series / Eds: Videen G., Yatskiv Y., Mishchenko M. London: Kluwer Acad. Publ., 2004. P. 191–208. https://doi.org/10.1007/1-4020-2368-5_8.
  67. Steigmann G.A. A polarimetric model for a dust-covered planetary surface // Mon. Notic. Roy. Astron. Soc. 1978. V. 185. P. 877–888. https://doi.org/10.1093/mnras/185.4.877
  68. Steigmann G.A. Application of a polarimetric model to the surface microstructure of particles in the B-ring of Saturn // Mon. Notic. Roy. Astron. Soc. 1984. V. 209. P. 359–371. https://doi.org/10.1093/mnras/209.2.359
  69. Steigmann G.A. Optical polarimetry of sulphur and the surface microstructure of Io // Mon. Notic. Roy. Astron. Soc. 1986. V. 219. P. 823–833. https://doi.org/10.1093/mnras/219.4.823
  70. Steigmann G.A., Dodsworth M.B. Surface microstructure of the nucleus of Comet P/Halley // Observatory. 1987. V. 107. P. 263–267.
  71. Tishkovets V.P. Backscattering of light by close-packed systems of particles // Optics and Spectroscopy. 1998. V. 85. № 2. P. 212–217.
  72. Tishkovets V., Litvinov P., Petrova E., Jockers K., Mishchenko M. Backscattering effects for discrete random media: Theoretical results // Photopolarimetry in Remote Sensing. Dordrecht, Netherlands: Kluwer Acad., 2004. P. 221–242. https://doi.org/10.1007/1-4020-2368-5_10.
  73. Tishkovets V.P. Light scattering by closely packed clusters: Shielding of particles by each other in the near field // J. Quant. Spectroscopy and Radiative Transfer. 2008. V. 109. № 16. P. 2665–2672. https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2008.05.008
  74. Veverka J. Polarimetry of Satellite Surfaces // Planetary Satellites / Ed.: Burns J.A. Tucson: Univ. Arizona Press, 1977. P. 210.
  75. Warren S.G., Brandt R.E. Optical constants of ice from the ultraviolet to the microwave: A revised compilation // J. Geophys. Res.: Atmospheres. 2008. V. 113. id. D14220. https://doi.org/10.1029/2007JD009744
  76. Watson K.M. Multiple scattering of electromagnetic waves in an underdense plasma // J. Mathemat. Physics. 1969. V. 10. P. 688–702. https://doi.org/10.1063/1.1664895
  77. Weinberg, J.L. Polarization of the zodiacal light // In Gehrels T., ed., Planets, Stars, and Nebulae: Studied with Photopolarimetry / Tucson AZ: University of Arizona Press, 1974. p. 781.
  78. Wolff M. Polarization of light reflected from rough planetary surface // Appl. Optics. 1975. V. 14. № 6. P. 1395–1405. https://doi.org/10.1364/AO.14.001395
  79. Wolff M. Theory and application of the polarization-albedo rules // Icarus. 1980. V. 44. № 3. P. 780–792. https://doi.org/10.1016/0019-1035(80)90144-X
  80. Wolff M. Computing diffuse reflection from particulate planetary surface with a new function // Appl. Optics. 1981. V. 20. P. 2493–2498. https://doi.org/10.1364/AO.20.002493
  81. Wolfsohn G. Strenge theorie der interferenz und beugung // Handbuch der Physik / Eds: Geiger H., Scheel K. Berlin: Springer Verlag, 1928. P. 263–316. https://doi.org/10.1007/978-3-642-90780-7_7.
  82. Zhou C. Coherent backscatter enhancement in single scattering // Optics Express. 2018. V. 26. № 10. id. A508. https://doi.org/10.1364/OE.26.00A508
  83. Zhuzhulina E., Petrov D., Kiselev N., Karpov N., Savushkin A. Aperture polarimetry of selected comets in 2018–2020: Observations and computer simulation // J. Quant. Spectroscopy and Radiative Transfer. 2022. V. 290. id. 108321. https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2022.108321
  84. Zubko E., Petrov D., Shkuratov Y., Videen G. Discrete dipole approximation simulations of scattering by particles with hierarchical structure // Appl. Optics. 2005. V. 44. № 30. P. 6479–6485. https://doi.org/10.1364/AO.44.006479

© Д.В. Петров, Н.Н. Киселев, А.А. Савушкин, Е.А. Жужулина, 2023

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах