Рассеяние света на гексагональных ледяных кристаллах перистых облаков в приближении физической оптики

• Автор: Коношонкин, Александр Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 142 с. : ил.

Оглавление
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ РАССЕЯНИЯ СВЕТА НА НЕСФЕРИЧЕСКИХ ЧАСТИЦАХ
1.1. Методы решения задачи для частиц с размерами, сопоставимыми с длиной волны.
1.1.1. Точное решение задачи рассеяния света на несферических частицах..
1.1.2. Метод конечных элементов
1.1.3. Метод конечных разностей во временной области
1.1.4. Метод интегральных уравнений
1.1.5. Метод дискретных диполей
1.1.6. Метод Т-матриц
1.1.7. Другие методы точного решения задачи
1.1.8. Сравнение методов
1.2. Матрицы рассеяния
1.3. Приближение геометрической оптики
1.4. Приближение физической оптики
ГЛАВА 2. АЛГОРИТМ ТРАССИРОВКИ ПУЧКОВ
2.1. Метод трассировки пучков
2.2. Модернизация алгоритма
2.2.1. Рассеянное поле в ближней зоне
2.2.2. Рассеянное поле в волновой зоне
2.2.3. Квадратичные величины поля
2.3. Теорема взаимности
2.3.1. Зеркальная компонента рассеянного поля
2.3.2. Теорема обратного рассеяния для сопряженных пучков
2.3.3. Теорема обратного рассеяния при произвольной ориентации кристалла
Выводы

ГЛАВА 3. ЧИСЛЕННОЕ РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ РАССЕЯНИЯ СВЕТА НА ЛЕДЯНЫХ КРИСТАЛЛАХ В ОКРЕСТНОСТИ НАПРАВЛЕНИЯ РАССЕЯНИЯ НАЗАД
3.1. Усреднение по ориентациям
3.2. Модели физических параметров кристаллов в перистых облаках
3.3. Влияние вариаций размеров кристаллов на усредненную матрицу Мюллера
3.4. Оценка вклада различных траекторий в окрестности направления рассеяния назад
3.5. Численное решение задачи рассеяния на хаотически ориентированных кристаллах
3.5.1. Траектории, существенные для направления рассеяния назад
3.5.2. Решение задачи рассеяния света на хаотически ориентированных гексагональных столбиках
3.6. Рассеяние света на ледяных кристаллах ориентированных преимущественно в горизонтальной плоскости
3.6.1. Матрица обратного рассеяния для наклонного или сканирующего лидаров
3.6.2. Микрофизическая модель для гексагональных ледяных пластинок
3.6.3. Зеркальная и уголковая компоненты рассеянного света
3.6.4. Банк данных матриц обратного рассеяния для наклонных лидаров
3.7. Сопоставление с экспериментальными данными
Выводы
ГЛАВА 4. ЗЕРКАЛЬНАЯ КОМПОНЕНТА ПРИ РАССЕЯНИИ СВЕТА НА ПЕРИСТЫХ ОБЛАКАХ И ВЗВОЛНОВАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ ВОДЫ
4.1. Глинт при отражении света от перистых облаков, снежного покрова и ВЗВОЛНОВАННОЙ поверхности воды
4.2. Дифференциальное сечение рассеяния для ледяных кристаллов с преимущественно ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ОРИЕНТАЦИЕЙ
4.3. Дифференциальное сечение рассеяния для шероховатых поверхностей и слоя ОРИЕНТИРОВАННЫХ ЛЕДЯНЫХ КРИСТАЛЛОВ
4.4. Дифференциальное сечение рассеяния для взволнованной поверхности
Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

Введение
Проблема рассеяния света на атмосферных ледяных кристаллах является одной из важных задач атмосферной оптики. Перистые облака, состоящие, в основном, из ледяных кристаллов, существенным образом влияют на радиационный баланс Земли и, соответственно, на климат. В последние десятилетия на получение оптических и микрофизических параметров перистых облаков, необходимых для разработки современных численных моделей долгосрочного прогноза погоды и глобального изменения климата, был направлен ряд международных программ и проектов. К ним относятся такие проекты по наземному исследованию перистых облаков, как: ISCCP [1, 2], EUCREX [3], СЕРЕХ [4], SUCCESS [5], CRYSTAL-FACE [6, 7], SIRTA [8, 9], ARM [10] и др.
На смену наземным методам исследования пришли космические наблюдения, позволяющие получать данные в глобальном масштабе. Первыми космическими инструментами были различные радиометры, основным недостатком которых является невозможность получения данных о высотном распределении исследуемых параметров. Наиболее известными космическими радиометрами, использующимися в настоящее время, являются MODIS [11, 12], ATSR[13], POLDER [14, 15], AVHRR [16].
В отличие от радиометров, лидары позволяют получать распределение оптических параметров по высоте. Данный факт сделал лидары основным перспективным инструментом для восстановления оптических и микрофизических параметров облаков. К настоящему времени были запущены космические лидары LITE [17], BALKAN, CALIPSO [18, 19], в ближайшее время планируется запуск лидара EarthCare.
В Институте оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН наземные лидарные исследования перистых облаков много лет проводились И.В. Самохваловым, Б.В. Каулем, Ю.С. Балиным, Т.П. Коханенко [20, 21].
и, подставляя его в объемный или поверхностный интеграл по частице, получаем необходимые для аппроксимации рассеянного поля выражения
Е,(г) -1 С(г, г')У (г')Е^ (г')ск', (1.20)
ЕДг)*/св(г,г')Ег(г>/г'. (1.21)
Рассмотрим свойства этого рассеянного поля.
В ближней зоне данное приближение приводит к тому же самому полю, что и приближение геометрической оптики. Этот факт следует из асимптотического преобразования уравнений Максвелла в уравнения геометрической оптики в ближней зоне.
Затем, удаляя точку наблюдения г от частицы, попадаем в область, где геометрооптическая сферическая волна из (1.17) и (1.18) уже формируется согласно рис. 2, но дифракция Френеля еще не наблюдается. В этой области свет распространяется вдоль конических лучевых трубок, показанных на рисунке 4. Для примера, если в качестве частицы рассмотреть большой
ледяной кристалл при его фиксированной ориентации, его
геометрооптическая матрица Мюллера представляет собой суперпозицию функций Дирака <5>(п-пу.) на сфере направлений [133]. В данном случае,
точка п. определяет направление рассеяния вышедшего из кристалла
плоскопараллельного пучка. Местоположение точки п; на сфере
направлений рассеяния не зависит от расстояния 7?.
В зоне дифракции Френеля 7? и а2 / Л, распространение света вдоль конусных лучевых трубок нарушается, как показано на рис. 4, что похоже на рис. 3. В зоне дифракции Френеля, энергия света обменивается между соседними лучевыми трубками, подобно поперечной диффузии. И, наконец, перераспределение энергии света между коническими лучевыми трубками полностью завершается в дальней зоне 71»а2 / Я . В этой зоне свет вновь распространяется вдоль конических лучевых трубок, как показано на рис. 4, что описывается точной матрицей Мюллера. Следовательно, точная матрица