中文摘要：

以水为主要成分的大气粒子如云雾、雨滴、冰晶等，有时会带上大量电荷并形成雷电，本项目研究这些水基带电粒子对电磁波的散射规律。水基带电粒子所带净电荷以OH-、H+离子为主,它们对电磁波的散射不同于中性粒子的散射，体现在处于微小水基带电粒子中的OH-或H+离子及其中的电子受到的分子力、阻尼力及相应的谐振频率不同，将会使不同频率电磁波的散射截面不同，在某些频率上会有较大差别。研究处于水基带电粒子中OH-或H+离子的分子力、阻尼力、谐振频率特点，利用电磁理论研究处于水基带电粒子的电磁散射规律，期待找到带电粒子的电磁波散射截面与频率的关系，发现散射较强的频率;在光波及红外波段，以量子力学和分子光谱理论作为辅助工具研究带电粒子的电磁散射特性，建立电磁波的散射截面与粒子中所带OH-、H+离子及净电荷的密度与电磁波频率的关系，揭示带电粒子对电磁波的散射规律，为提高大气探测精度和对空间电荷遥测提供理论基础。

结论摘要：

粒子带电是常见的物理现象，然而带电粒子对电磁波的散射特性，目前还不是十分清楚，本项目研究和分析了带电粒子的电磁波散射特性。中性粒子对电磁波的散射规律已有大量的文献和资料，其规律也十分明确。然而带电粒子对电磁波的散射研究较少，缺乏明确的结论。项目侧重研究带电粒子对电磁波的散射规律，这一问题主要来自于利用雷达对大气特别是带电雷暴云的观测。项目经过研究给出了带电粒子的MIE散射理论，即带电粒子（球形）的散射系数与宏观量--面电导率和电磁阻抗系数的关系，并对带电水滴的电磁波散射进行了分析。表面净电荷形成一种额外的面电导率，通过电导率的变化与外界电场发生相互作用，这种额外的电导率不包括中性粒子中的自由电荷所产生的电导率。计算了不同面电导率的粒子与中性粒子对电磁波散射系数和散射能量分布，面电荷使面电导率达到微西门子量级时，就会有明显的影响，随着面电导率的增加，散射系数发生较大变化，但当电导率达到一定值时，散射系数趋于恒定，与粒子的尺度有关。对尺度较大的粒子，带电后的散射系数减小，但沿不同方向的散射能量会重新分配，一些方向散射增强，另一些方向散射减小，尺度较小的粒子带电后，散射系数增大，但能量沿不同方向的重新分配不明显。根据瑞利散射特点，经过数学简化得到了带电粒子在瑞利散射条件下散射系数与面电导率和电磁阻抗系数的关系；计算了瑞利散射条件下，不同面电导率的粒子的电磁波散射系数，在粒子尺度较小时，瑞利散射公式与Mie散射公式计算结果一致。根据一般的电磁场边界条件，推导了两种介质分界面存在面电荷分布时的反射与透射规律，得到了在这一条件下的菲涅尔公式，即入射波的平行分量与垂直分量在存在面电荷分布时的振幅反射率与振幅透射率，即一般条件下的菲涅尔公式（或修正的菲涅尔公式）。两种介质界面的面电荷分布，由于不同的界面导电特性，会影响界面的面电导率，修正后的菲涅尔公式与面电导率和自由空间的阻抗有关。计算结果表明当面电荷密度及界面特性使面电导率发生较大变化时，会使振幅反射率和振幅透射率发生变化。另外除了上述理论研究外，还进行了空间电荷密度如云雾带电密度的测量方法和观测仪器的研究，雷电电场的测量、云雾和带电云雾的状态及粒径分布观测研究，通过图像处理方法对云雾粒子分布进行测量与观测研究。