Cheng Zhi Huang, Jian Ling, Yuan Fang LI 1 Introduction to light scattering

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Cheng Zhi Huang, Jian Ling, Yuan Fang Li
1 Introduction to light scattering
1.1 Synopsis of light scattering
1.1.1 Light scattering phenomenon
Why is the sky blue? Why is the deep sea mazarine? And why is the lake green? All
these questions are concerned with light scattering and its related optical
phenomena.
Light scattering is an optical natural phenomenon that exists extensively. Literally,
light scattering refers to a phenomenon that scatters light in all directions. When the
light passes through an inhomogeneous medium, photons of di
fferent wavelengths
interact and collide with the inhomogeneous area of the medium, scattering the light in
di
fferent directions. Therefore, the light can be observed in other directions besides the
direction of the incident light. For example, in a dark night, when you turn on the
electric torch, you can observe the light cross, and this is because the electric torch
light is scattered by the suspended particles in the air; hence, the light is visible to our
eyes. The larger the particles, the clearer would be seen for these
floating particles. It is
because of the existence of these particles resulted in scattering of the electric torch
light that the
flashlight could not spread to infinity.
1.1.1.1 Light scattering acting as an important form of light decay
The same as the light absorption, light scattering also can make the light passing
through a medium decay. For example, when a white light passes through water-
diluted milk, in the direction where the light advances, the milk appears pink, while
from the side and above, it appears light blue. This is because the white light collides
with small particles in milk emulsion, causing variation of di
fferent degrees for the
light of di
fferent wavelengths from the original incidence direction of the white light.
A short-wavelength light has more variation, while a long-wavelength light has less
variation.
In optical propagation, the
flow of photons interacts with the inhomogeneous area
of a medium, such as an atom, a molecule, molecular aggregates, or particles of
di
fferent sizes, and so light intensity changes in terms of spatial distribution, polariza-
tion state, or frequency. In other words, when the light propagates through a medium,
if there is any inhomogeneity, it can lead to light scattering. Thus, light scattering is a
form of interaction between the
flow of photons and the inhomogeneous area, which
widely exist in nature and our daily life.
https://doi.org/10.1515/9783110573138-001
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1.1.1.2 Propagation of sunlight
Propagation of light can be seen in atmosphere, such as blue sky, white cloud, rosy
cloud, and fog. Either blue sky, beautiful morning light, pretty sunset glow, or a
rainbow after the rain, all these phenomena are the combined result of light scatter-
ing, light re
flex, and light refraction, produced by the interactions between sunlight
and atmospheric suspended solids, and gas molecules. Because of this, on cloudy
rainy days or in case of
fierce dust storm, sunlight hardly reaches the ground. In
addition, because of this, even superstrong laser beam cannot propagate to in
finity.
When sunlight passes through the atmosphere, rays of di
fferent wavelengths of
the sunlight react with the atmosphere, that is, with
floating particles and gas
molecules in it. For the fact that the light at di
fferent wavelengths has different
degree of scattering, the shorter the wavelength, the larger the degree of scattering
is. A short-wavelength light has a larger degree of scattering; it scatters all over the
sky, resulting in pretty blue color of the sky. As a long-wavelength light has a smaller
degree of scattering, it directly propagates to the ground, and the color of the light is
croci or orange red. For this reason, on a sunny noon, the sun shines directly at the
ground with strong short-wavelength light scattering, and we can see the blue sky
and nearly white sun. The sun appears white because the sunlight is too strong, so
that the scattered intensity distributed all over the wave band (white light) is not
enough to change the color of the sun. While in both the morning and at night,
sunlight reaches the earth through atmosphere with a large dip angle, there are much
more interactions between the sunlight and
floating particles and air molecules in the
atmosphere, and so the shorter-wavelength including blue light and yellow light are
side scattered, and only the longer-wavelength including red light reaches the earth,
making the sky blue and the sun yellow to red.
When compared with the wavelength of a visible light, dust, droplet, and other
suspended particles have larger sizes. For example, PM
2.5
refers to a particle with a size
smaller or equal to 2.5
μm; PM
10
refers to a particle with a size smaller or equal to 10
μm.
Diameters of PM
2.5
and PM
10
are far larger than the wavelength of the sunlight of visible
region (360
–760 nm). So, when the sunlight passes through the atmosphere and
collides with these larger particles, the sunlight is re
flected in different directions.
Since this kind of re
flected light has no selectivity for light of different wavelength, so
these particles re
flect white light. On foggy and cloudy days, as there are lots of mist