风沙静电场作用下带电沙尘暴对电磁波传播过程的影响

The sandstorm has drawn close attenuation of the researchers owing to its important effects on reginal climate environment, the people's daily life, extraterrestrial exploration.Some researchers have used the remote sensing technology and some optical instruments to obtain the particle size and the sandstorm's macro structure parameters,but the accuracy based on the precise understanding of particle's optical properties. The moving sand/dust particle carries some charges, and then result in an strong electric field which up to 200kV/m in sand/dust storm. Many researches have indicated the surface charge distributed on particle surface can enhance the scattering, absorbing, and the depolarization of the incident electromagnetic wave, but they all do not consider the effect of the wind-blown sand static electric field on the optical properties of sand/dust particle whose main constituent is quartz, and then do not accurately understanding the electromagnetic wave propagation characteristics on sandstorm. This project will be dedicated to the analysis and study of this problem. The research contents of this project are briefly listed as following: (1) the influences of wind-blown sand static electric field on the optical properties of sand/dust particle and its mechanism are studied based on the experimental measurements and the theoretical modeling; (2) establish a theoretical model to analyze the electromagnetic scattering properties of partially charged non-spherical particles in a strong electrostatic environment; (3) through a numerical simulation to predict the attenuation of electromagnetic waves of different frequency in strong dust storm with various particle concentration and wind-blown sand static electric field.

沙尘暴因其对区域气候与环境、人类日常生活、地外星球探测活动的重要影响而受到科研人员的广泛关注，并被采用遥感技术或光学仪器以获取其颗粒粒径及宏观结构参数，但其精度建立在对颗粒光学性质的准确认识基础之上。运动沙粒表面携带大量静电荷，并使得沙尘暴内部形成强度高达200kV/m的静电场。已有文献就沙粒表面电荷增强入射电磁波传播过程中的衰减程度的重要影响进行研究，但没有考虑风沙静电场的作用，更没有考虑强风沙静电场作用下主要成分是石英的沙尘颗粒光学性质的变化，从而无法准确预测沙尘暴中电磁波传播特性。本项目将致力于这一问题的分析和研究。项目研究内容安排如下：1）基于试验测量和理论建模的方法讨论沙尘暴中强静电场对沙尘颗粒物光学性质的影响规律及其机制；2）建立相关理论模型分析强静电环境下局部带电非球形颗粒物电磁散射性质；3）通过数值模拟手段预测不同强度沙尘暴过程（不同静电场强度）中不同频段电磁波的衰减程度。

沙尘暴因其对区域气候与环境、人类健康、无线通讯等领域的重要影响受到广泛关注，并被采用遥感或光学手段来获取其相关结构、物理参数，进而对相关的数值预报模式进行校正。在此过程中，对沙粒光学性质的准确预测直接决定了相关遥感反演结果的可靠性。为此，针对很少有学者关注沙粒带电对电磁波传播过程影响这一问题，项目针对不同结构、表面带电沙粒的电磁散射性质的求解开展理论研究。主要研究内容及结果如下：.1、针对局部带电、分层结构颗粒电磁散射求解问题，给出基于核壳颗粒Mie解法的迭代求解算法。这种处理，有效规避了随着颗粒层数的增加导致数值计算过程变的复杂的问题。同时，这种算法适用于介质物理性质沿径向连续变化的非均质颗粒电磁散射性质的求解。.2、讨论了环境风沙电场对沙粒光学性质的影响。主要分别讨论了强电场作用下沙粒表面极化电荷的影响以及强电场作用下沙粒折射指数的变化。结果表明：一方面，强电场作用下沙粒表面极化电荷可能与其净电荷量值相当，从而对沙粒电磁散射性质产生明显影响；另一方面，在强电场作用下，主要成分为石英的沙粒其折射指数会由各向同性变为各向异性，从而导致沙粒对电磁波的影响变的复杂。.3、给出求解各向异性结构颗粒电磁散射性质的等效介质理论，这一方法同样适用于带电沙粒电磁散射性质的求解。.4、讨论了表面电荷均匀分布和非均匀分布时，局部带电沙尘颗粒系统对电磁波传播过程的影响，并进行了比较。结果表明：电荷非均匀分布时沙尘颗粒系统（沙尘暴）对电磁波的衰减明显弱与电荷均匀分布情形的对应值。.5、讨论了现有场磨式大气电势测量仪器用于风沙电场测量的适用性问题。结果表明：当沙尘浓度超过10%时测量误差超过15%，且随着沙尘浓度的增加测量误差线性增加。.6、考虑到沙粒形貌、地表沙丘形貌等因素对特殊环境下电磁波传播过程的影响，给出了基于计算机图像处理技术，获取沙粒形貌几何、沙波纹尺度的方法，同时也可以实现对地表沙丘形貌重构。这一成果，对于沙漠环境地表目标物遥感监测具有重要意义。