効果的なメディアを使用した離散双極子近似の形状エラーの削減

離散双極子近似（DDA）は、体積離散化に基づいた任意の形状の粒子の光学特性をシミュレートします。これらの計算では、特に混合黒炭素エアロゾル粒子などの大きなサイズと複雑な幾何学的構造を持つ粒子の場合、高精度を達成するために大量の時間とメモリがかかります。境界双極子の有効培地近似（EMA）を使用して、DDA離散化の平滑化を体系的に研究します。このアプローチは、球体とコーティングされた黒炭素（BC）凝集体の光学シミュレーションについてテストされており、参照として複数球T-matrixを使用しています。球体の場合、EMAは、双極子サイズが球の直径の数倍しか小さい場合、積分散乱量（最大60倍）のDDA精度を大幅に改善します。これらの場合、EMAの適用は、元のDDAの双極子サイズを半分にすることに匹敵することが多いため、同じ精度でシミュレーション時間を約1桁短縮します。透過型電子顕微鏡の観測に基づいたコーティングされたBCモデルの場合、EMA（具体的には、Maxwell Garnettバリアント）は、双極子サイズがモノマー径の¼を超えると精度を大幅に向上させます。たとえば、双極子サイズが球形モノマーのサイズに等しい場合、消滅効率の相対誤差は4.7％から0.3％に減少します。さらに、EMA-DDAは、絶滅、吸収、および散乱効率の精度を、元のDDAのそれよりも3倍の大きな双極子を使用して、約30倍高速なシミュレーションに対応しています。

The discrete dipole approximation (DDA) simulates optical properties of particles with any given shape based on the volume discretization. These calculations cost a large amount of time and memory to achieve high accuracy, especially for particles with large sizes and complex geometric structures, such as mixed black-carbon aerosol particles. We systematically study the smoothing of the DDA discretization using the effective medium approximation (EMA) for boundary dipoles. This approach is tested for optical simulations of spheres and coated black-carbon (BC) aggregates, using the Lorenz-Mie and multiple-sphere T-Matrix as references. For spheres, EMA significantly improves the DDA accuracy of integral scattering quantities (up to 60 times), when the dipole size is only several times smaller than the sphere diameter. In these cases, the application of the EMA is often comparable to halving the dipole size in the original DDA, thus reducing the simulation time by about an order of magnitude for the same accuracy. For a coated BC model based on transmission electron microscope observations, the EMA (specifically, the Maxwell Garnett variant) significantly improves the accuracy when the dipole size is larger than ¼ of the monomer diameter. For instance, the relative error of extinction efficiency is reduced from 4.7% to 0.3% when the dipole size equals that of the spherical monomer. Moreover, the EMA-DDA achieves the accuracy of 1% for extinction, absorption, and scattering efficiencies using three times larger dipoles than that with the original DDA, corresponding to about 30 times faster simulations.