Методы геометрической и физической оптики в задаче рассеяния света атмосферными ледяными кристаллами

• Автор: Кустова, Наталья Валентиновна
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 140 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Глава I. Оптика перистых облаков (обзор)
Глава 2. Матрица рассеяния в приближении геометрической
оптики
2.1. Общие уравнения
2.2. Матрица рассеяния для кристаллических частиц
2.3. Усреднение по ориентациям частиц в пространстве
2.4. Метод производных в алгоритме трассировки пучков
2.5. Статистический подход к построению модели перистых облаков
2.5.1. Индикатрисы рассеяния ледяных кристаллов
2.5.2. Параметризация индикатрис рассеяния
2.6. Выводы
Глава 3. Пик обратного рассеяния для гексагональных ледяных

кристаллических частиц
3.1. Траектории плоскопараллельных пучков, формирующих пик обратного рассеяния
3.2. Аналитическое описание пика обратного рассеяния

3.3. Дифракция и интерференция
3.4. Выводы
Глава 4. Оптические атмосферные явления, вызванные

ледяными кристаллами '
4.1. Метод теневых функций в ореольном рассеянии
4.1.1. Теневая функция для тенеобразующего пучка
Горизонтально ориентированные частицы
Хаотически ориентированные кристаллы
4.1.2. Теневые функции для прошедших пучков
4.2. Зеркальное рассеяние ледяными кристаллами с

преимущественной ориентацией
4.2.1. Диффузная и зеркально отраженная компоненты

рассеянного излучения
4.2.2. Индикатриса рассеяния пластинки с флаттером
4.2.3. Световые столбы, образованные как солнечным

излучением, так и наземными источниками
4.3. Выводы
Заключение
Список литературы

ВВЕДЕНИЕ
Современные численные модели радиационного баланса и циркуляции атмосферы Земли, а также, соответственно, численные модели долгосрочного прогноза погоды и изменения климата нуждаются в надежных данных по оптическим характеристикам перистых облаков. Но сильная пространственно-временная изменчивость облаков и сложная зависимость между их оптическими и микрофизическими параметрами до сих пор делают перистые облака одним из главных источников неопределенности в численных моделях климата [1].
Оптические и микрофизические характеристики перистых облаков активно изучаются в последнее время, как наземными средствами, так и с самолетов в рамках различных международных и национальных проектов. Наиболее обширные данные по оптическим параметрам перистых облаков, уже в глобальном масштабе, получаются из спутниковых измерений уходящего излучения инструментами MODIS, POLDER и др. Эти данные пассивного зондирования облаков эффективно дополняются данными космического лидара CALIPSO.
Несмотря на большой объем получаемых данных, точность восстановления оптических и микрофизических параметров перистых облаков остается неудовлетворительной. Одна из причин такой неопределенности в восстановлении параметров перистых облаков заключается в том, что связь между оптическими и микрофизическими характеристиками перистых облаков, которая должна быть получена из теоретического решения задачи рассеяния света на перистых облаках, все еще недостаточно хорошо изучена. Данная диссертация и посвящена теоретическим проблемам рассеяния света на ледяных кристаллах перистых облаков, что обуславливает актуальность темы диссертации.

Выражения (2.19) - (2.25) довольно общие. В частном случае хаотической ориентации частиц в пространстве, т.е. при Р(а,/3,у) = р(а) = Рс£Р,У) ~ Ь усредненная матрица Мюллера становится функцией только зенитного угла рассеяния в
Функция <М( в)> представлена в многочисленных статьях [47 - 60].
Перейдем к аналитическому вычислению средних величин. Для случая а = 0 приведенную матрицу Мюллера (2.20) /-того пучка можно обозначить следующим образом
Формально множество параметров ориентаций В = (Д у) соответствует поверхности единичной сферы, подобно сфере направлений рассеяния п = (в, <р). Изменение переменной В приводит к движению точки п, на сфере п, которое также сопровождается изменением значений s, и Р,. Таким образом, во время изменения ориентации частицы пучок отображает поверхность В на поверхность п. Распределение вероятности по поверхности В соответствует условной вероятности Р(В) = Pa(ß, У) из уравнения (2.25) с нормировкой
(2.26)
Щ(в, (2.27)
(2.28)
Теперь можно аналитически получить среднее значение выражения
(2.27) для /-того пучка. Для краткости опустим нижний индекс а в уравнении (2.24) и получим