Анотація до роботи:

Гринько Є. С. Моделювання розсіювання світла планетними реголітами. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеню кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.03.03 – геліофізика та фізика Сонячної системи. Головна астрономічна обсерваторія Національної академії наук України, м. Київ, 2006.

В дисертаційній роботі за допомогою комп’ютерного моделювання вивчаються закономірності розсіювання неполяризованого світла частинками, більшими за довжину хвилі та напівнескінченними середовищами, складеними такими частинками. Розроблено алгоритми та програмні засоби для розрахування оптичних властивостей частинок будь-якої форми та порошкоподібних середовищ у наближенні геометричної оптики. Розглядаються основні механізми розсіювання, які формують оптичні властивості планетних реголітів: тіньовий ефект, одночасткове і багаторазове розсіювання.

Моделювання тіньового ефекту показало, що сильне зворотне розсіювання, типове для поверхонь планет, спостерігається тільки у першому порядку. Існує невеликий вплив форми частинок на відбивну здатність середовища.

За результатами досліджень продемонстровано якісну схожість кутових залежностей елементів матриці розсіювання для деформованих кубів, сфер і сфероїдів, які грубо апроксимовані за допомогою плоских граней. Властивості розсіювання таких частинок наближаються до властивостей частинок випадкової форми.

Побудовано чисельну модель переносу випромінювання в щільному тривимірному порошкоподібному середовищі. За її допомогою перевірено точність одновимірної моделі спектрального альбедо (Shkuratov et al. 1999). За умови нормального падіння світла не виявлено зворотного розсіювання і від’ємної поляризації для середовищ, складених напівпрозорими частинками випадкової форми. Властивості, типові для ізольованих сфер та кубів, виявляються і у випадку щільних середовищ навіть при консервативному розсіюванні. Виявлено відкритий раніше експериментально другий максимум поляризації на великих фазових кутах для середовищ, складених частинками випадкової форми.

У дисертаційній роботі було вирішено поставлену задачу. Використовуючи методи комп’ютерного моделювання, у ній досліджено розсіюючі властивості частинок, більших ніж довжина хвилі, та реголітоподібних середовищ за допомогою комп’ютерного моделювання.

Основні наукові і практичні результати проведеної роботи такі:

1. Моделювання тіньового ефекту для поверхні, яка описується випадковою неоднозначною незв’язною функцією показало, що ефект сильного зворотного розсіювання, типовий для планетних поверхонь, спостерігається тільки в першому порядку. Урахування тільки однократного розсіювання дозволило задовільно описати спостережні дані розподілу яскравості по диску Меркурія. За умови ламбертовської індикатриси елемента поверхні, внески вищих порядків розсіювання швидко зменшуються. Випадкові частинки неправильної форми при багаторазовому розсіюванні дають трохи більший внесок у відбиткову здатність, ніж сфери за умови однакової щільності пакування частинок.

2. Розрахунки розсіювання для ізольованих частинок, більших за довжину хвилі, виявили, що індикатриси частинок неправильної форми на малих відстанях від центру частинки і на нескінченності відрізняються. Продемонстровано якісну схожість кутових залежностей елементів матриці розсіювання для деформованих кубів, сфер і сфероїдів, які грубо апроксимовані за допомогою плоских граней. Оптичні властивості таких частинок наближаються до властивостей частинок випадкової форми. У випадку подвійних сфер властивості окремих сфер домінують у загальному розсіюванні. Частинки випадкової неправильної форми не дають посилення зворотного розсіювання і від’ємної поляризації.

3. В роботі подано комп’ютерну модель розсіювання порошкоподібними поверхнями у наближенні геометричної оптики. За її допомогою перевірено точність одновимірної моделі спектрального альбедо і показано, що остання має досить високу точність для використання у практичних задачах аналізу даних спектрофотометричних вимірювань планетних поверхонь, метеоритів і зразків місячного грунту. Альбедо, яке обчислюється в одновимірній моделі, є найбільш близьким до «тривимірного» коефіцієнту відбиття поверхні на фазовому куті приблизно 60. Інтегральне альбедо порошкоподібнібної поверхні може бути лінійно представлено як функція коефіцієнта відбиття при a = 50. Крім того, за допомогою моделі було знайдено рівняння, яке зв’язує інтегральне альбедо і коефіцієнт відбиття R(30).

4. За умови нормального падіння світла не виявлено зворотного розсіювання та від’ємної поляризації для середовищ, складених частинками випадкової форми. Властивості, характерні для ізольованих сфер і кубів, проявляються і у випадку середовищ навіть при консервативному розсіюванні. Це доводить неадекватність використання частинок правильних форм для моделювання розсіювання планетними поверхнями. Середовища, складені сферами, демонструють здатність до деполяризації, що говорить про значну роль багаторазового розсіювання.

5. Виявлено, відкритий раніше експериментально, другий максимум поляризації на великих фазових кутах для середовищ, складених частинками випадкової форми. Його існування можливо пояснити у рамках геометричної оптики.

6. Для середовищ всіх розглянутих типів спостерігається ефект Умова, відомий також із спостережень Місяця. Показано його залежність від форми частинок, які формують середовище.

Основні результати дисертації опубліковані в роботах:

1. Гринько Е., Станкевич Д. Теневой эффект для поверхностей с неоднозначным рельефом // Тезисы Астрономической школы молодых ученых. – 2000. – Умань.

2. Гринько Е.С., Станкевич Д.Г., Шкуpатов Ю.Г. Теневой эффект для реголитоподобных поверхностей // Астрон. вестник – 2001. – Т. 35. – С. 493-500.

3. Гринько Е.С., Шкуратов Ю.Г. Матрица рассеяния прозрачных частиц случайной формы в приближении геометрической оптики // Оптика и спектроск. – 2002. – T. 93. – C. 960-968.

4. Гринько Е.С., Шкуратов Ю.Г. Оценки альбедо порошкообразных поверхностей в приближении геометрической оптики // Оптика и спектроск. – 2003. – T. 95. – C. 939-943.

5. Grynko Ye., Stankevich D., Shkuratov Yu. Shadowing effect in regolith-like surfaces. // Proc. XXXII-th Vernadsky-Brown Microsymposium on Comparative Planetology. – 2000. – Moscow.

6. Grynko Ye., Stankevich D., Shkuratov Yu. Monte Carlo simulation of multiple scattering in regolith-like media // Meteoritics & Planetary Science. – 2001. – V. 36 (Supplement) – P. A74.

7. Grynko Ye., Stankevich D., Shkuratov Yu. Light scattering by large particles with random shape and applications to cometary dust and planetary regoliths // Abstracts of NATO Advanced Research Workshop On the Optics Of Cosmic Dust. – 2001. – Bratislava.

8. Grynko Ye., Shkuratov Yu. Backscatter Effects of Particles with Perfect and Irregular Shapes: Geometric Optics Approach // Abstracts of scientific symposium "Solar System Remote Sensing”. – 2002. – Pittsburgh.

9. Grynko Ye., Shkuratov Yu. Scattering by particles of different shapes and media consisting of these particles in geometric optics approximation // Abstracts of the 7^th conference on the light scattering by non-spherical particles. – 2003. – Bremen.

10. Grynko Ye., Shkuratov Yu. Scattering matrix calculated in geometric optics approximation for semitrasparent particles faceted with various shapes // J. Quant. Spectrosc. Rad. Trans. – 2003. – V. 78. – P. 319-340.

11. Shkuratov Yu., Grynko, Ye. Light scattering by media composed of semitransparent particles of different shapes in ray optics approximation: consequences for spectroscopy, photometry, and polarimetry of planetary regoliths // Icarus. – 2005. – V. 173. – P. 16-28.

12. Stankevich D., Shkuratov Yu., Grynko Ye., Muinonen K. Computer simulations for multiple scattering of light rays in systems of opaque particles // J. Quant. Spectrosc. Rad. Trans. – 2003. – V. 76. – P. 1-16.

Список літератури, що цитується:

13. Станкевич Д. Г., Шкуратов Ю. Г. Численное моделирование затенения на статистически шероховатой планетной поверхности // Астрон. вестник. – 1992. – Т. 26. – C. 90-101.

14. Шкуратов Ю. Г., Мелкумова Л. Я. О возможной особенности поляризации света, рассеянного Луной при больших углах фазы // Астрономический циркуляр (ГАиШ, Москва). – 1986. – No. 1447. – С. 5-7.

15. Hapke B. Theory of reflectance and emittance spectroscopy. – Cambridge UP. – 1993. – 450 pp.

16. Shkuratov, Yu., Starukhina L., Hoffmann H., Arnold G. A model of spectral albedo of particulate surfaces: implication to optical properties of the Moon // Icarus. – 1999. – V. 137. – P. 235-246.

17. Stankevich D. G. and Shkuratov Yu. G. Multiple scattering of light in regolith-type media: geometric optics approximation // Sol. Syst. Res. – 2000. – V. 34. – P. 285-294.