Vielfachstreueffekte in ungeordneten Medien

Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen - insbesondere Licht, in ungeordneten Medien, wie etwa Aerosolen - kann bei geringen optischen Tiefen des streuenden Mediums mittels der Mie-Theorie der Lichtstreuung beschrieben werden (Einfachstreuung). Zahlreiche Experimente bestätigten die Gültigkeit der Theorie. In vielen praktischen Situationen, etwa bei optischen Messungen von atmosphärischen Aerosolen, wie auch bei der optischen Informationsübertragung, tritt die Vielfachstreuung, wegen der hohen optischen Tiefe des Mediums, in Erscheinung. Die vorhandenen Kenntnisse dieser Effekte, insbesondere in Verbindung mit mikrophysikalischen Aerosolparametern sind unvollständig: einerseits existiert kein einheitliches theoretisches Modell, andererseits liegt eine beschränkte Anzahl experimenteller Daten vor. Um zu einer Klärung dieser Prozesse beizutragen, schlagen wir experimentelle Untersuchung der Vielfachstreuprozesse vor, wobei eine neuartige, optische Meßmethode beruhend auf der simultanen Messung mehrerer gestreuten und transmittierten Streulichtflüsse in einer Expansionsnebelkammer eingesetzt werden soll. Diese Methode erlaubt eine quantitative Bestimmung der Vielfachstreueffekte in Aerosolen als Funktion der wesentlichen physikalischen Parametern wie etwa Aerosolteilchengröße, deren Größenverteilung, Brechungsindex, Konzentration, sowie die Geometrie der gewählten Messanordnung. Wir planen den Einsatz und Weiterentwicklung eines speziellen Meßsystems mit dem Messungen an definierten Partikeln mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften über mehrere Größenordnungen der Aerosolkonzentration durchführbar sind. Damit würde auch eine Beurteilung verschiedener theoretischer Modelle ermöglicht. Die gewonnenen Resultate würden Aufschluß über die bisher noch relativ wenig in wohl definierten Systemen untersuchte Vielfachstreuung geben. Da die erwähnte Anordnung auch eine präzise und absolute Messung von hohen Partikelkonzentrationen, auch im Nanometerbereich, erlaubt und sich als Kalibrierungsstandard für Aerosolmessungen eignen würde, sind Vergleichmessungen mit anderen Methoden, sowie eine Weiterentwicklung zum portablen Meßsystem, vorgesehen.

In den letzten Jahren haben sich immer neue Anwendungen, welche Lichtwellen als Träger von Information und als Grundlage zur Messung und Diagnostik von ungeordneten Medien ausnützen, herauskristallisiert. Ein typisches Beispiel ist die Atmosphäre mit ihrer Vielzahl an Aerosolen (Aerosol - Mehrphasenmedium aus flüssigen und/oder festen in Gas suspendierten Teilchen) wie z.B. Wolken, Nebel, Rauch oder partikelförmige Luftverunreinigungen. Maßgeblich vorangetrieben wurden die Anwendungen durch die Entwicklung von passenden Laserlichtquellen, sowie durch die Notwendigkeit die mikrophysikalischen Eigenschaften des Mediums zu verstehen, um etwa den Informationsfluss optimieren zu können oder um das Medium zu beschreiben und dadurch seine Zusammensetzung und somit seine Einwirkung auf die Umwelt zu verstehen. Die experimentelle Datenbasis auf diesem Gebiet ist noch immer unvollständig, obwohl dringend zur Verifizierung verschiedener theoretischer Modelle nötig. Feldexperimente unterliegen der inhärenten Schwierigkeit die natürlichen Aerosoleigenschaften zu kontrollieren, deshalb kommt der Forschung im Zusammenhang mit der Vielfachstreuung unter wohldefinierten Laborbedingungen eine besonders wichtige Rolle zu. Mikrophysikalische Parameter die wesentlich die Lichtausbreitung und Vielfachstreuung in ungeordneten Medien wie Aerosole beeinflussen sind: Aerosolteilchengröße und ihre komplexen Brechungsindices, Teilchenstreueigenschaften und Konzentration zusammen mit physikalischen Dimensionen des Systems - Laborbedingungen oder Außenmessungen - und die Wellenlänge der Lichtquelle. Wir haben erfolgreich eine Expansionskammer entwickelt, welche den Expansionsprozess mit einer simultanen optischen Beobachtung der sich bildenden Modell-Wolke vereint. Die besondere Stärke dieser Methode liegt darin, dass es eine Möglichkeit bietet gleichzeitig aber vollkommen voneinander unabhängig Teilchenkonzentration und Größe bzw. Größenverteilung des Tröpfchenaerosols zusammen mit seinen optischen Eigenschaften zu erfassen. Darüber hinaus haben wir das experimentelle System derart konstruiert, dass die Systemgeometrie zwecks Simulation verschiedener Messbedingungen variiert werden kann. Des weiteren wurden numerische Prozeduren entwickelt um verschiedene Messkonstellationen unter Vielfachstreubedingungen zu untersuchen. Dies führte unter anderem zur Verbesserung von Designparametern für optische Systeme zur Messung von transmittierter Strahlung in ungeordneten Medien. Dieses Projekt trägt zum besseren Verständnis von Lichtausbreitung und Vielfachstreuung in ungeordneten Medien bei und verschafft neue experimentelle Mittel zur Bestimmung des Einflusses von verschiedenen Aerosolparametern auf den Strahlungstransfer, der von großen Interesse unter anderem für die Fernmessung der atmosphärischen Verunreinigungen, für den optischen Informationstransfer in trüben Medien und dem Strahlungshaushalt der Erde ist. Die experimentelle Verifizierung der verschiedenen theoretischen Ansätze zur Beschreibung von Lichtausbreitung in ungeordneten Medien unter Vielfachstreubedingungen zeigt, dass die sogenannte paraxiale Approximation der Strahlungstransfergleichung Vielfachstreueffekte in Aerosolsystemen wie man sie unter regelmäßig beobachteten Umweltbedingungen antrifft, genau zu beschreibt vermag. Darüber hinaus haben wir eine Basis erhalten, die es uns ermöglicht ein portables optisches System, basierend auf Laserlichtstreuung zur Messung von Konzentrationen von nanometergroßen Teilchen aufwärts, zu entwickeln. Solche Messtechnik ist für eine Vielzahl von metrologischen Anwendungen sowohl auf dem Gebiet der atmosphärischen Forschung, als auch für verschiedene industrielle und biotechnologische Messaufgaben von Interesse.