La dispersión de la luz por partículas es el proceso mediante el cual partículas pequeñas (p. ej. , cristales de hielo , polvo , partículas atmosféricas , polvo cósmico y células sanguíneas ) dispersan la luz provocando fenómenos ópticos como el color azul del cielo y los halos .
Las ecuaciones de Maxwell son la base de los métodos teóricos y computacionales que describen la dispersión de la luz , pero dado que las soluciones exactas de las ecuaciones de Maxwell solo se conocen para geometrías de partículas seleccionadas (como las esféricas), la dispersión de la luz por partículas es una rama del electromagnetismo computacional que se ocupa de la dispersión de la radiación electromagnética y absorción por partículas.
En el caso de geometrías para las cuales se conocen soluciones analíticas (como esferas , grupos de esferas, cilindros infinitos ), las soluciones generalmente se calculan en términos de series infinitas . En el caso de geometrías más complejas y para partículas no homogéneas, las ecuaciones originales de Maxwell se discretizan y resuelven . Los efectos de dispersión múltiple de la luz dispersada por partículas se tratan mediante técnicas de transferencia radiativa (ver, por ejemplo, códigos de transferencia radiativa atmosférica ).
El tamaño relativo de una partícula en dispersión se define por su parámetro de tamaño x , que es la relación entre su dimensión característica y su longitud de onda :
El método FDTD pertenece a la clase general de métodos de modelado numérico en el dominio del tiempo diferencial basados en cuadrículas. Las ecuaciones de Maxwell dependientes del tiempo (en forma diferencial parcial) se discretizan utilizando aproximaciones en diferencia central a las derivadas parciales de espacio y tiempo. Las ecuaciones en diferencias finitas resultantes se resuelven mediante software o hardware de forma muy rápida: los componentes del vector del campo eléctrico en un volumen de espacio se resuelven en un instante dado en el tiempo; luego, los componentes del vector del campo magnético en el mismo volumen espacial se resuelven en el siguiente instante en el tiempo; y el proceso se repite una y otra vez hasta que se desarrolla completamente el comportamiento deseado del campo electromagnético transitorio o en estado estacionario.
La técnica también se conoce como método de campo nulo y método de técnica de límites extendidos (EBCM). Los elementos de la matriz se obtienen haciendo coincidir las condiciones de contorno para las soluciones de las ecuaciones de Maxwell. El campo incidente, transmitido y disperso se expande en funciones de onda vectoriales esféricas.
La dispersión de cualquier partícula esférica con un parámetro de tamaño arbitrario se explica mediante la teoría de Mie . La teoría de Mie, también llamada teoría de Lorenz-Mie o teoría de Lorenz-Mie-Debye, es una solución analítica completa de las ecuaciones de Maxwell para la dispersión de la radiación electromagnética por partículas esféricas (Bohren y Huffman, 1998).
Para formas más complejas, como esferas revestidas, multiesferas, esferoides y cilindros infinitos, existen extensiones que expresan la solución en términos de series infinitas. Hay códigos disponibles para estudiar la dispersión de la luz en la aproximación de Mie para esferas, esferas en capas y múltiples esferas y cilindros .
Existen varias técnicas para calcular la dispersión de la radiación por partículas de forma arbitraria. La aproximación dipolo discreta es una aproximación del objetivo continuo mediante una matriz finita de puntos polarizables. Los puntos adquieren momentos dipolares en respuesta al campo eléctrico local. Los dipolos de estos puntos interactúan entre sí a través de sus campos eléctricos. Hay códigos DDA disponibles para calcular las propiedades de dispersión de la luz en la aproximación DDA.
El régimen de dispersión de Rayleigh es la dispersión de la luz, u otra radiación electromagnética, por partículas mucho más pequeñas que la longitud de onda de la luz. La dispersión de Rayleigh se puede definir como dispersión en un régimen de parámetros de tamaño pequeño .
Las técnicas de trazado de rayos pueden aproximarse a la dispersión de la luz no sólo por partículas esféricas sino también por partículas de cualquier forma (y orientación) especificadas, siempre que el tamaño y las dimensiones críticas de una partícula sean mucho mayores que la longitud de onda de la luz. La luz puede considerarse como un conjunto de rayos cuyos anchos son mucho mayores que la longitud de onda pero pequeños en comparación con la propia partícula. Cada rayo que incide sobre la partícula puede sufrir reflexión y/o refracción (parcial). Estos rayos salen en direcciones así calculadas con su potencia total o (cuando se trata de una reflexión parcial) con la potencia incidente dividida entre dos (o más) rayos salientes. Al igual que con las lentes y otros componentes ópticos, el trazado de rayos determina la luz que emana de un único dispersor, y combinando ese resultado estadísticamente para un gran número de dispersores orientados y colocados aleatoriamente, se pueden describir fenómenos ópticos atmosféricos como el arco iris debido a las gotas de agua y Halos debidos a cristales de hielo. Hay códigos de trazado de rayos de óptica atmosférica disponibles.
