Введение к работе
Актуальность теми. Работа посвящена разработке оптической модели кристаллических облаков применительно к поляризационному лазерному зондированию атмосфер». Исследование кристаллических облаков является осноенш звеном в изучении климата. Это объясняется тем, что среди атмосферних образований ледяные облака в значительной мере воздействуют на радиационный баланс системы земля-атмосфера. Такие облака, как правило, предопределят синоптическую ситуацию региона. Степень потепления или охлаждения климата в значительной мере зависит от оптической толщи циррусов.
В настоящее время парниковий эффект является одной из самых актуальных проблем физики атмосферы. Его изучение связано с изучение»* радиационного эффекта перистых облаков, а значит и с і'сследозаніїем макрофиэических и кикрофіїзич»-:'-.'.;, и оптических свойств полидисперсных кристаллических СрО,".
Определение прозрачности кристаллических сгїлчков является актуальной задачей не только п теории климата, по так.^з п ладя-чах астрономии и в аорокосмических исследованиях атмосферы и поверхности Земли.
Определение направления распространения воздушных масс имеет важное значение в задачах навигации и п задача;; охраны окружающей среды. Эта информация так,т.е необходима для точности определения каї: долгосрочны^, так и краткосрочных прогнозов погоды. Установлено, что кристаллические облака большей пастью состоя? из ориентированных кристаллов. Ориентация ансямблл таких частиц молю однозначно связать с направлением движения воздушных масс. В этом смысле чрксталлп ледяные облаков когчю представить своего рода "трассерами" п определении .чшігаг>,,пния
ветра.
В ряде экспериментальных исследований атмосферных образований, например, таких как озон и аэрозоль вулканического происхождения, кристаллические облака не представляют основного интереса. Но эти облака могут проникать в слои исследуемых образований или заслонять их. В этом случае при обработке сигналов, полученных дистанционным методом зондирования, следует учитывать присутствие ледяных полидисперсных сред.
Состояние вопроса. При вертикальном лазерном зондировании кристаллических облаков, главным образом облаков среднего яруса, достаточно часто регистрируется эхо-сигнал огромной интенсивности. Согласно принятой терминологии, такой сигнал называется аномальным обратным рассеянием.
Аномально высокое отражение объясняется устойчиво-горизонтальным расположением ледяных пластинок. Этот эффект открывает возможность получить из лидарных измерений информацию по ориентации частиц и микроструктуре облака. Таким образом, перед исследователями, изучающими "эффект аномального обратного рассеяния", стоит задача получить количественные соотношения для зеркально отраженного сигнала от системы ледяных пластинок.
К настоящему времени главным образом модели хаотически ориентированных кристаллов реально обеспечены расчетными соотношениями для характеристик светорассеяния. Однако в натурных условиях ледяные образования в подавляющем большинстве состоят из "больших" кристаллов. В силу своих аэродинамических свойств совокупности таких частиц принимают некоторую преимущественную ориентацию в пространстве. Оптические свойства среды и состояние поляризации отраженного.излучения в значительной мере будут определяться ориентацией частиц. Следовательно, при разра-
ботке оптической модели кристаллических облаков требуется учитывать преимущественную ориентацию частиц.
Остановимся еще на одной проблеме, касающейся прозрачности кристаллических облаков, которая вална в аорокосмических исследованиях атмосферы и поверхности Земли. Так, при зондировании кристаллических облаков было установлено, что существует зависимость коэффициента ослабления от длины волны в ПК-диапазоне. Для "больших" частиц невозможно объяснить такую зависимость, если рассматривать сечение ослабления с учетом только дифракционного поля (как для случая хаотически ориентированных частиц). Эту зависимость удается объяснить при более подробном рассмотрении сечения ослабления кристаллической частицы, когда рассеянное поле в направлении вперед определяется как результат когерентного сложения дифракционного поля и поля рефракционных лучей; выиедсих в этом же направлении.
Модель кристаллического облака в виде c
ШіІЩ^ЛІ.!Ші'1_ГІі52їУ является разработка и исследование- оптической модели кристаллического облака применительно к сап.-з-if'.M оптики атмосферы для извлечения inr-сй информации 0(5 орйн-
_ 6 -
тации совокупности частиц в пространстве, а также о ее микроструктуре и оптических свойствах. При этом ставятся и решаются следующие задачи:
-
построение оптической модели кристаллического рблака в виде ансамбля ориентированных пластинок применительно к поляризационному лазерному зондированию;
-
разработка метода определения ориентации и показателя преломления частиц кристаллического облака по данным поляризационного лазерного зондирования в рамках рассматриваемой модели;
-
исследование микроструктуры кристаллического облака на основе данных одночастотного лазерного зондирования;
-
оценка средних размеров ледяных пластинок и их флаттера с помощью одночастотного лидара;
-
исследование ослабления оптического излучения ориентированней ледяными кристаллами.
На; -шая и практическая ценность работы заключается в следующем.
-
Построенная модель кристаллического облака может быть использована при проведении исследований микрофизичеоких и оптических свойств кристаллических облаков применительно к задачам лазерного зондирования.
-
Разработанный метод интерпретации данных поляризационного лазерного зондирования облаков, состоящих гласным образом из ориентированных ледяных пластинок, может быть использован при определешш показателя преломления и ориентации частиц, а эначит, и направления ветра.
-
Анализ аномального обратного рассеяния дает возможность определить микроструктуру и флаттер совокупности горизонтально
ориентированных пластинок даже в сложном по фазовому составу атмосферном образовании. А эта информация, в свою очередь, может быть использована для оценки структуры всего облака.
4. Все полученные формулы для характеристик светорассеяния и интерпретационные схемы иь: .ют достаточно простой вид, что позволяет вести обработку сигнала в реальном масштабе времени. ' Научная новизна данной работы состоит в следующем:
а) проведено теоретическое и численное исследование поля
ризационных параметров лндарного сигнала, рассеянного системой
ориентированных ледяных пластинок;
б) построен алгоритм'Определения показателя преломления и
ориентации ледяных пластинок из данных поляризационного лазер
ного зондирования;
в) получена формула для интерпретации аномального обратно
го рассеяния с учетом всех основных параметров среды;
г) разработан метод оценки средних раэмероз ориентирован
ных ледяных пластинок, а также их флаттера по данным одночас-
тотнаго зондирования при малоугловом сканировании;
д) получена в рамках метода физической оптики единая фор-
мула для коэффициента ослабления во всем оптическом .диапазоне
длин волн для ориентированных пластинок.
Защищаемые положения
-
Аномально высокая амплитуда для зеркально отраженного от совокупности ориентированных ледяных пластинок сигнала связана простой алгебраической формулой с длиной волны падвгацего излучения и с основными параметрами среды: концентрацией, размерами частиц, показателем преломления.
-
Данные одночастотного зондирования смешанных и кристаллических облаков позволяет определить флаттер и средние ралм-;-
ры частиц для той совокупности кристаллов, которая предотавле-. на ориентированными пластинками.
-
В рамках оптической модели кристаллического облака в виде ансамбля ориентированных ледяных пластинок из данных поляризационного лазерного зондирования могут быть определены показатель преломления и ориентация кристаллических частиц.
-
Полученное в приближении физической оптики аналитичес- кое выражение коэффициента ослабления оптического излучения полидисперсной системой пластинчатых кристаллов позволяет с единых позиций объяснить нейтральный ход ослабления в видимом диапазоне длин волн й его заметную зависимость в ИК-диапаэоне.
Апробация результатов
Материалы исследований докладывались на X Всесоюзном сим- позиуме по лазерному и акустическому зондированию атмосферы (Томск, 1989), на XI Всесоюзном симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосфере и водных средах (Томск, (1991) и изложены в публикациях / I-I2 /. Методы Интерпретации данных одночастотного лидара апробировались на основе данных зондирования, проводимых лабораторией оптического зондирования атмосферы ИОА СО АН СССР, и данных экспериментальных исследований, проводимых в Австралии и представленных в работах J".Atm..Sci. №\.V.38.Р. 1069 , J»A|^t.M.itfc0r.«l9?tf.V.-1$.P./l220.
Структура и объем работы
Похожие диссертации на Оптическая модель кристаллического облака применительно к поляризационному лазерному зондированию
