Введение к работе
Актуальность проблеми. Рассеяние света биологическими дисперсными средами - один из важнейших разделов физической оптики. В центре, этого раздела - исследование оптических свойств взвесей "мягких" частиц в связи с формирующими их факторами: формой, структурой, полидисперсностью и т.д. Такие задачи возникают в оптике океана, биофизике, физической химии, биологии, медицине. Светорассеяние биологическими взвесями является составной частью более общей проблемы взаимодействия электромагнитного излучения со случайными облаками дискретных рассеивателей. Это состояние материн является основним для вселенной, определяет многие важные процессы в земных условиях. Неудивительно, что специалисты разных научных направлений, среди которых оптика атмосферы, теплофизика, астрофизика, физика твердого тела и другие, говорят на едином "оп-ическом" языке, ключевыми словами которого являются, коэффициенты рассеяния, ослабления, поглощения, элементы матрицы рассеяния света. В 'бщем- случае, аналитическая теория распространения и рассеяния волн в таких средах строится на базе решения волнового уравнения для «.гдельных частиц и учета эф^«к-тов их взаимодействия. При низкой плотности частиц, когда эффектами многократного рассеяния можно пренебречь, применима теория, однократного рассеяния. Наличие изначально общих формул не гарантирует,однако, общности подходов и выводов. Как правило, необходим детальный численный анализ строгих решений уравнений Максвелла. Взаимодействие биологических взвесей с зондирующим потоком специфично и с точки зрения возможности использования соответствующих аппроксимационных решений.
Различные аспекты проблемы светорассеяния отражены в монографиях Зуева В.Е., Кабанова М.В., Нааца И.Э., Шифрина К.С., Иванова А.П., Пришивалко А.П., Волковицкого О.А., Розенберга Г.В., Дейрменджана Д., Ван де Хюлста, Керкера М., Борена К.. Хафме-на Д., Исимару А. и др., а также в многочисленных научных статьях. Однако одни из них не учитывают специфику "мягких" частиц, другие освещают лишь отдельные стороны проблемы. Между тем потребности в теории рассеяния "мягких" частиц, богатый экспериментальный материал создали основу для различного рода исследований и обобщений, связанных с выяснением влияния ормы, ориентацион-ной и внутренней структуры, полидисперсности компонентов взвеси на ее оптические характеристики.
Приведенные выше обстоятельства в значительной степени определили основные направления настоящей работы.
Тема диссертационной работы соответствует основной проблематике лаборатории биоспоктрофотометрии Института биофизики СО АН СССР: "Разработка дистанциоших оптических методов изучения сутпи и водоемов для экспрессной оценки биологической продуктивности и загрязнений" (per. № 8I0079I2) и "Анализ природных экосистем биофизическими методами" (per. # 860C4804I).
Цель л задачи работы. Ц-лыо работы является развитие теории, создание алгоритмов и методов строгого и приближенного анализа интегральных и поляризационных оптических характеристик подидисперсных взвесей структурированных и асферичных частиц, изучение основных механизмов светорассеяния, установление обцих. связей оптических свойств биологических взвесей с формирующими их факторами.
Для достижения цели исследования были сформулированы следующие основные задачи:
-
Развитие теории, создание алгоритмов и программ строгого решечия задачи взаимодействия электромагнитного.излучения с учетом поляризации с частицами осесимметричной формы, в частности, сфероидов - наиболее обобщенной модели клеток и микроорганизмов, а также структурированных шаров.
-
Развитие аппроксимаций Релея-Ганса-Дебая (РГД), аномальной дифракции (АД) для взвесей асферичных, структурированных и полидисперсных частиц.
-
Определение облрстей корректного применения аппроксимаций РГД, АД, Вентцеля-Крамерса-Брлллюэна (ВКВ), геометрической оптики, Релея, Ми с коррекцией, АД с коррекцией и связанных с ними основных механизмов рассеяния и поглощения взвесей 'мягких" частиц.
-
Установление аналитических зависимостей, проведение численных экспериментов для определения оптически доминирующих факторов, обобщенных параметров общего светорассеяния, поглощения, элементов матрицы рассеяния света (ПРО моделей реальных взвесей "мягких" частиц.
На зь-диту выносятся следующие основные положения: I. Метод расширенных граничных условий (ЕВСШ, используя схему реализации задачи светорассеяния, при которой ось симметрии частицы совпадает с осыз апликат, а интегральные элементы матриц,
связывающих коэффициенты разложения электромагнитных полей, вычисляются э корнях полиномов Лежандра, оптимизирует по времени реализации и используемой памяти ЭВМ имеющиеся алгоритмы решения, позволяет в реальное время с контролируемой точностью оценивать оптические характеристики моделируемых взвесей.
-
Для интегральных оптических характеристик рассеяния или поглощения "мягких" дисперсных сред существуют классы оптической эквивалентности; взвеси, имеющие равные средние площади сечения частиц по ансамблю, а также фазовые сдвиги или оптические толщи соответственно (эффективный размер 2"ij=v/j , V - объем частицы), в первом приближении оптически эквивалентны.
-
Существующие аппроксимации для "мягких" частиц непригодны для описания "тонких" оптических эффектов асферичности и структуры (экстремальное просветление двуслойных паров, зависимость поглощения от угла зондирования,-первый экстремум светорассеяния, поляризационные эффекты).
4.Информация об ориентационной структуре взвеси горизонтально ориентированных частиц (модель пленки) содержится в матрице пропускания и выражается в виде первого и второго центральных моментов косинусов двойного угла ориентации частиц относительно выделенного направления.
5. Наиболее информативным злзментогі МРС по асферичностп является степень эллиптичности. В области средних углов рассеяния на его основе колено "визуально" разделить сжатые и вытянутые частицы.
Научная новизна работы. На основе метода распиренных граничных условий развита строгая теория, разработан алгоритм и эффективные методы репения на ЭВМ задачи (в реальное время с автоматическим контролем точности) взаимодействия электромагнитного излучения с учетом поляризации со взвесями осесишетричных частиц произвольной ориентации.
На основе метода потенциалов Дебая разработан алгоритм и методы строгого решения проблемы рассеяния на трехслойном шаре.
Впервые строго оценены матричные элементы поляризационных характеристик взвесей хаотично ориентированных з плоскости, пространстве, а также полидисперсных строго ориентированных гидрозольных биологических асферичных частиц; выявлены наиболее информативные элементы МРС, в частности, показано, что по степени эллиптичности можно визуально "разделить" сжатые и вытянутые частицы, по степени линейности поляризации следить за развитием
ядра клетки.
В приближении АД получены аналитические выражения для интегральных оптических характеристик двуслойных шаров (концентрической и неконцентрической структуры), а таксе однородных элип-соидов, что позволило обобщить ішевдиеся выражения дія сфероидов и шаров, а также получить швые сседония о влиянии асферичности во втором измерении. Найдены обобщенные параметры, в координатах которых интегралыше оптические характеристики полидисперсных взвесей шаровых, а также асферичных произвольной ори-ентационной структуры "мягких" частиц в первом приближении имеют универсальный хюлстовский вид. Ка базе этих зависимостей оценки эффектов дисперсности на нативные спектры поглощения вещества и характеристики свзторассеяния сводятся к известным формулам для шара.
В области РГД обнаружен эффект эктремального просветления взвесей однородных частиц. Получены его аналитические оценки в зависимости от асферичности компонентов взнеси. Доказано, что в области эффекта эктремального просветления взвеси двуслойных частиц применение метода РГД для предсказания характеристик светорассеяния становится некорректным. Даны количественные оценки понятию большие и малые "мягкие" частицы. Получены аналитические оценки влияния асферичности на общее светорассеяние взвесей хаотично- и строго ориентировакных больших частиц. Описан механизм структурообразования индикатрис светорассеяния, в частности, обнаружено существование единственной эктремальной точки на индикатрисе, положение которой в угловой развертке зависит только от асферичности частиц и, следовательно, является ее характеристикой. Получены выражения для оценки искажения спектров поглощения.
На базе численной реализации строгой теории оценены возможности имеющихся оптических аппроксимаций: Релея, РГД, ВКБ, АД, &\: с коррекцией, АД с коррекцией, геометрической оптики. Это позволило выделить основные механизмы формирования оптических явлений во взвесях "мягких" частиц, в ряде случаев заметно упрс-стигь расчетные схемы и сократить время их реализации на ЭВМ, Для взвесей "мягких" хаотично ориентированных сСюроидов выявлены и аналитически описаны основные уровни общего светорассеяния, амплитуды и периоды их переходных осцилляции.
В целом, на основе проведенного исследования выявлены наиболее информативные оптнчесігие области и параметры, установлены аналитические и количественное зависимости оптических характеристик взвесей "мягких" частиц от формирующих ;к факторов.
Научная значимость результатов работы состоит в том, что проведенные теоретические я экспериментальные исследования существенно углубляет и расширяют знания о процессах взаимодействия электромагнитного излучения с дисперсными средами, что имеет важное значение для фундаментальных теорий климата, видения, переноса излучения; является основой для разработки оптических экспрессных методов мониторинга состояния окружающей среды.
Практический значимость работы. Созданные пакеты прикладных програм.! (наиболее эффективные з настоящее время), выявленные связи оптических характеристик взвесей "мягких" частиц с формирусщи-15И их факторами позволяет значительно упростить процедуры контроля и продвинуть возможности планирования оптического эксперимента, прогноза и дешифрирования оптических данных, диагностики состояния популяций развивающихся клеток, выявить узкие места и неопределенности, связанные с этим. В частности, определение основных уровней и структуры общего светорассеяния представляет большой практический интерес в связи с решением задач контроля нативных характеристик микроорганизмов: например, сморщивания и разбухания клеток из-за изменения скоростей их физиологических процессов, изменения их формы при активации различными препаратами, а также ориентации при наложении соответствующих полей, развития внутриклеточных кеоднородностей, децентрализации и мигрирования оргзнелл.
Полученные теоретические результаты являются основой для разработки экспрессных бесконтактных методов контроля физиологических и морфологических изменений в клетках, обусловленных температурными, химическими и другими воздействиями, методов сортировки клеток по оптическим признакам, диагностики заражений.
На основе теоретических результатов разработан оптический способ оценки качества кровезаменителей.
На примере полимерных дисперсных пленок показана возможность и предложен способ определения оркентационкой структуры частиц в слое.
На базе найденных обобщенных оптических параметров взвесей "мягких" частиц предложен способ определения спектральных показателей поглощения их вещества.
На основе изучения влияния структуры частиц на их поляризационные характеристтки продажен способ визуального каблодзния за развитием ядра клеток по сдвигу экстремальных точгк кривых степени линейной поляризации.
Теоретические выводы и программы использованы для оценки поглощательной способности зольных выбросов в топках ТЭЦ с цоеьв оптимизации конструкций топок, повышения теплоотдачи сжигаемых углей КАТЭК1, для оптической сортировки материалов с целью создания игкусстБенных дисперсных сред с наибольшим уровнем электромагнитной энергии, рассеянной назад, при выборе оптических параметров для определения аирности молока.
Внедрение результатов в практику. Полученные s работе результаты использовались при решении прикладных задач з Инстчтуте гз-матологик и переливания крови Сг. Ленинград), Ленинградском политехническом институте им. М.И.Калинина, Институте прикладной физика (г. Новосибирск), Институте цветных металлов им. М.К.Кадини-на Сг, Красноярск), Институте физики АН БССР (г. Минск), Институте океанологии им. П.П.Щиркова АН СССР Сг. Москва) и его Ленинградском отделении, Институте автоматики и электрометрии (г. Новосибирск); при подготовке и чтении курса лекций по оптике мутных сред в Красноярском государственном университете.
Предложения по практическому использовании материалов лисзер-тации. Подученные результаты могу* бьчь использованы при разработке гидрооптической аппаратуры, для различного рода расчетов, связанных с оценкой оптических характеристик дисперсных сред, для решения обратных оптических задач, планирования и интерпретации оптического эксперимента.
Метод; исследования. Для решения поставленных задач использовались иетодн макроскопической теории олоктромагнзтгама, теории функций Грина, теории спецфункций, методы линейной алгебры и вычислительной математики, аналитической геометрии, векторного и тензорного анализа.
Достоверность полученных в диссертации результатов основывается на выборе адекватной физической модели, применимой в широком диапазоне практически важных условий-и обосновании сделанных допущений, обеспечивается использованием стандартных приемов контроля точности расчеюв, а гакже соответствием расчетных.и эк-слериыентальньп данных, совпадением с данными независимых методов.
Личный вклад артоса. Все приведенные в диссертации теоретические рззультаты получены лігчно автором или при непосредственном участии ні под эг-о научным рукозодсгвоь1. В экспериментальной: нссле-дсгздаях автор принимая непосредственное участие в постановке эп-опзріїщкта, обработке и интерпретации подученных результатов»
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и сб-гуздсдись на Всесоюзної! совещании по оптике аэрозоля (Звенигород, 1974),, I Всесоюзном совещании по атмосферной оптике (Томск, 1976), У,У1,УШ,1Х,Х Пленумах рабочей группы по оптике океана Ко-:-i:ccsi по проблемам Мирового океана АН СССР (Калининград, 1973; Баку, 1979; Яста, 19812; Батуми, 1934; Ростов-на-Дону, 1988), У -УІ Всесскзнах симпозиумах по распространения лазерного излучения з атмосферо (їсмси, 1979, 1981), Ї Всесоюзное биофизическом съезда Шосяга, 1932), II, III съездах советских океанологов (Ялта, 1982; Ленинград, 1987\ зкездной сессии Научного соЕета" по бхофгзпке All СССР "Биофрзпка и охрана окупающей среды" (Красноярск, 1983), III научной сессии Научно-координационного соге?а по апрохосмическхм иссладосаиглм природных ресурсов (Новосибирск, І9С2), У,У1 Всассвзных конференциях по спектроскопии биополимеров (ларьков, 1984, 1983), III Всесоюзной конференции по спектроскопии рассеивающих сред' (Батуїяи, 1985), Всесоюзных семинарах по колзкуляр;:ой фэдг'ль я бнсф::зшсе водных систем (Ленинград, 1983, ІГ83, ISG7), Пссссззкон скипозиуме "Инструментальные исследования в г.пзї'ологлїз и биохимии" (Ленинград, 1985), УІ Всесоюзной кпуч-нз-тогшчэской конфзрекцл? "Радиационный теплообмен в технике и технологии'' (Каунас, 1987), X Всесоюзном симпозиуме по лазерному :- акустическому зондировании атмосферы (Томск, 1988), ІУ Всесспз-иом совещании по распространению лазерного излучения з дисперсной среде (Барнаул,- 1988), 'іетдукароднои семинаре СКОПЕ/ШЕП "Реки, озера, водохранилища: их вклад в глсба-ьный круговорот элементов" (Иркутск, І9Б8), семинарах лабораторий оптической диагностики дисперсных сред И5 All БССР (г. Минск), оптики океана я атмосферы над океаном ЛО Института океанологии им„ П.П.Ширшова Art СССР (г. Ленинград), отдела оптики рассеивающих сред Института оптики атмосферы СО АН СССР (г. Томск), отдела оптики и спектроскопии Сибирского физико-технического институтат (г. Томск).
ІМїШйеїЕШ» Основные результаты диссертации представлены в 65 публикациях, включенных в прилогеникЯ перечень.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Общий объем работы в 415 страниц (основной текст - 274 стр.) включает 88 рисунков и 12 таблиц. Список цитируемой литературы насчитывает 323 наименования (170 русских и 153 иностранных).
