Диалоги (август 2003 г.) - Александр Гордон

А.Г. Но, кроме того, рис ведь требует ещё большего оводнения. Вода забирается…

В.Ф. Да, это правильно. Но мы куда её сбрасываем? Туда же. Там ещё дренажные воды, сливы с полей идут, которые содержат пестициды, они содержат ещё и вымываемые биогенные вещества. Поэтому здесь палка о двух концах. С одной стороны, стимулируется процесс первичного включения фотосинтеза, а с другой стороны, получается как бы накопитель и привносятся как раз пестициды, которые, нас уверяют, теперь всё меньше и меньше якобы потребляются. Но в общем, практика говорит немножко об обратном.

А.Г. А кто-то из эндемичных видов ещё остался в Арале, или уже всё, там совсем мёртвое море?

В.Ф. Нет, в Амударье осталось несколько эндемичных видов. Сейчас как раз ихтиологи спорят: на Балхаше как будто бы тоже есть такие виды, но генетики должны показать – это оставшиеся старые популяции или это возникшие параллельно популяции, и тогда это не имеет смысла. Тогда ничего не осталось. Это как раз генетика популяций рыб, это ихтиологи должны решить.

А.Г. Интродукция новых видов: если будет достигнута солёность около 30 промилле, то это могут быть и океанические рыбы?

В.Х. Одно время в Хаджибее была солёность около 30 промилле. И туда для акклиматизации привозились дальневосточные креветки. Дальше опыт был прекращён, но довольно долгое время эксперимент проходил успешно. Фактически, создание новых…

Перенос излучения

Участник:

Юрий Николаевич Барабаненков – доктор физико-математических наук

Александр Гордон: Для меня «фотоника» – это неологизм. В моей жизни впервые встречается это слово, хотя слово «фотон» мне известно и я понимаю, что это производное. Но всё-таки чем занимается эта наука?

Юрий Барабаненков: Вы знаете, мне бы не хотелось начинать с фотоники, потому что эту тему я оставляю для завершения разговора.

А.Г. Хорошо, начните с того, с чего вам удобно.

Ю.Б. Я хотел бы начать с того, что тема нашей беседы формулируется как «Перенос излучения в рассеивающих средах». И в рамках этой темы я хотел бы обсудить следующие 4 вопроса. Первый вопрос. В чём заключаются основные представления о переносе излучения в рассеивающих средах и как эти представления изменялись с годами по мере изучения новых явлений, новых сред. Первый вопрос. Он касается феноменологического и микроскопического подходов при рассмотрении вопросов переноса излучения в рассеивающей среде. Третий вопрос. Как изменились феноменологические представления о переносе излучения в рассеивающих средах после предсказания явления локализации излучения в рассеивающих средах. И четвёртый вопрос касается того, насколько феноменологические представления в состоянии оказать какую-то заметную помощь при исследовании оптических свойств так называемых фотонных кристаллов.

Замечу, что большой интерес к явлениям переноса излучения в рассеивающих средах связан с тем, что эти явления весьма часто встречаются в природе. Поэтому такие области науки и техники как связь, зондирование сред, обнаружение объектов, передача изображений, биооптика, молекулярная оптика постоянно сталкиваются с проблемами распространения и рассеивания электромагнитного излучения, радиоизлучения, СВЧ и оптических частот в средах со случайными неоднородностями, в рассеивающих средах. Примерами таких сред могут быть турбулентная атмосфера и турбулентный океан. Это такие геофизические явления как ураган, дождь, град, снег, как песчаные бури. Это такие объекты как лесные покровы, листья и такие объекты как фотографические слои, люминесцентные экраны, бумага, биологические объекты с клетками и так далее. Все это примеры переноса электромагнитного излучения в рассеивающих средах. Можно было бы ещё назвать такие примеры как перенос акустического излучения в турбулентной атмосфере или же перенос тепловых нейтронов в жидкости и другие. Примеров очень много.

При рассмотрении вопросов распространения излучения в рассеивающих средах применяются два подхода: феноменологический и микроскопический подходы. Феноменологический подход более старый. Он исходит непосредственно от самого явления («феноменон» – явление и «логос» – просто логика). В этом случае никаких особенных гипотез о строении рассеивающей среды не делается, и главный упор делается на соблюдении закона сохранения энергии, который применяется к узким по направлению распространения лучам. Вот, собственно говоря, на этой первой картинке, которая показывается, и иллюстрируются основные представления фенологического подхода.

Согласно этому подходу, рассеивающая среда рассматривается как набор эффективных рассеивающих неоднородностей или элементарных объёмов, которые как-то разбросаны в пространстве. На каждой такой неоднородности излучение испытывает элементарный акт рассеивания с каким-то угловым распределением и далее происходит свободный пробег этого излучения до следующей неоднородности, на которой оно опять рассеивается. Вот, собственно говоря, основа феноменологических представлений. В основе аналитических представлений здесь лежит так называемое «уравнение переноса», которое формулирует энергетический баланс при таком рассеянии излучения и где главная величина – это лучевая интенсивность. Это поток энергии в заданные точки и в заданном направлении.

Микроскопический же подход исходит уже из некоторой модели рассеивающей среды и пользуется волновыми уравнениями. Кроме того, при микроскопическом подходе учитывается, что частицы среды случайно распределены в пространстве, то есть их распределение флуктуирует. И, кроме того, само волновое поле при этом тоже становится флюктуирующим.

Феноменологические представления появились в конце позапрошлого столетия и начале прошлого в трудах Хвольсона, Шварцшильда и Шустера при изучении распространения света в молочных стёклах, солнечной атмосфере и туманной атмосфере Земли. Далее эти представления были усовершенствованы в работах Соболева, Чандрасекара, Розенберга. Усовершенствованы по форме, но не по содержанию – для учёта эффектов поляризации излучения. И вот в таком виде эти феноменологические представления успешно разрабатывались до 60-х годов прошлого столетия, после чего возникла необходимость эти представления критически переосмыслить.

Такая необходимость возникла в связи с предсказанием явления локализации излучения, которое с феноменологическими представлениями не согласовывалось. Однако для большинства задач эти представления успешно применялись, и было установлено существование трех основных режимов распространения излучения через рассеивающую среду: баллистический, промежуточный и диффузионный режимы. При баллистическом режиме излучение в основном идёт вперёд и несколько ослабевает вследствие того, что отдельные лучи выбывают из первоначального потока вследствие рассеяния. Этот баллистический режим действует где-то около поверхности среды, на которую падает излучение, или недалеко от источника. При промежуточном режиме уже произошло заметное число актов рассеяния на отдельных неоднородностях, и траектория движения излучения представляет из себя некую ломаную, узлы которой расположены на этих неоднородностях. И наконец, диффузионный режим действует в глубоких слоях рассеивающей среды, когда произошло много актов рассеяния. В области диффузионного режима поле излучения является почти изотропным.

Конечно, самым сложным является промежуточный режим. Я буду благодарен, если покажут картинку №2. Для исследования переноса излучения в области промежуточного режима до 60-х годов прошлого столетия было разработано много эффективных подходов, но особенно интересным оказался подход, предложенный Амбарцумяном в 1943 году. Этот подход получил название «метод сложения слоёв». Согласно этому подходу, рассеивающая среда мысленно расслаивалась на параллельные срезы с небольшими зазорами между ними. И далее рассматривались потоки излучения в зазорах между срезами, а также отражённые всей средой излучения и прошедшие через весь слой среды излучения. Важнейшим достоинством метода сложения слоёв Амбарцумяна является то, что он позволяет рассчитывать коэффициент отражения последовательно, начиная от нижнего среза и передвигаясь к верхнему срезу. То есть при этом коэффициент отражения рассчитывается примерно так же, как рассчитывается траектория движения частиц в заданном силовом поле, согласно механике Ньютона. В этом проявляется некоторый вариант так называемой оптико-механической аналогии – аналогии между оптикой и механикой.

Конечно, это изобретение Амбарцумяна было замечательно в том смысле, что, с одной стороны, оно позволяло в рамках феноменологических представлений получать точные результаты, а с другой стороны, обладало аналогией с механикой Ньютона. Можно было коэффициент отражения среды рассчитывать так же, как рассчитывается движение частицы в заданном силовом поле.