Введение к работе
Проблема рассеяния света ледяными кристаллами перистых облаков является одной из наиболее актуальных задач атмосферной оптики вследствие существенного влияния перистых облаков на радиационный и тепловой баланс Земли [1]. Поэтому при построении численных моделей прогнозирования и изменения климата, как в локальных, так и глобальных масштабах, необходимо учитывать свойства света, рассеянного ледяными кристаллами перистых облаков.
Кристаллы в перистых облаках характеризуются многообразием геометрических форм и размеров: от нескольких микрон до нескольких тысяч микрон [2]. Поэтому наиболее подходящим для решения задачи рассеяния света на кристаллах является геометрооптический подход и основанные на нем метод трассировки лучей [3], или, в более поздних работах, метод трассировки пучков [4, 5]. В настоящее время в рамках этих методов детально изучены оптические характеристики ледяных кристаллов в случае их хаотической ориентации в пространстве (см., например, [6, 7]).
Вместе с тем в перистых облаках всегда присутствуют ледяные кристаллы, которые имеют горизонтальную или преимущественную (в горизонтальной плоскости) ориентации в пространстве. О данном факте свидетельствуют многочисленные фотографии различных гало [8], которые образуются в атмосфере только при горизонтальной или преимущественной (в горизонтальной плоскости) ориентациях частиц перистых облаков [9]. Также результаты многочисленных спутниковых измерений – CALIPSO, MODIS и др. – показывают, что иногда 30–50% ледяных кристаллов в перистых облаках являются горизонтально или преимущественно ориентированными (в горизонтальной плоскости) при максимальном значении угла отклонения частиц от горизонтального положения до 5. Наиболее часто встречаются осцилляции с максимальным углом наклона 1–2.
Из-за большого объема расчетных данных актуальной задачей также является создание банка данных матриц рассеяния света на ледяных кристаллах перистых облаков. На данный момент в мире существует лишь несколько подобных структур. В частности, Д.Н. Ромашовым [10] был создан банк данных для интерпретации результатов лидарного поляризационного зондирования (т.е. в направлении рассеяния назад). В настоящее время доступ к этим данным не представляется возможным. M. Hess с коллегами [11] разработали базу данных оптических характеристик света, рассеянного только на хаотически ориентированных частицах перистых облаков. И.В. Самохвалов с коллегами [12] создали базу данных лазерного поляризационного зондирования облаков верхнего яруса. B.A. Baum с соавт. [13] на основе анализа данных спектрорадиометра MODIS и численного расчета оптических характеристик для ледяных кристаллов различных форм
разработали несколько микрофизических моделей перистой облачности посредством подбора относительных пропорций частиц. Но эти данные также относятся к случаю хаотической ориентации ледяных кристаллов в пространстве.
Таким образом, несмотря на то что уже на протяжении 40 лет ведутся целенаправленные исследования перистых облаков, свойствам света, рассеянного при горизонтальной и преимущественной (в горизонтальной плоскости) ориентациях ледяных кристаллов в пространстве, уделялось недостаточно внимания. Как следствие, на сегодняшний момент не существует банка данных матриц рассеяния на частицах с подобными ориента-циями. Данная диссертация посвящена исследованию характеристик света и созданию банка данных матриц рассеяния света на горизонтально и преимущественно ориентированных в горизонтальной плоскости гексагональных кристаллах перистых облаков, что обусловливает актуальность темы диссертации.
Таким образом, целью данной диссертации является исследование свойств матриц рассеяния света на горизонтально и преимущественно ориентированных в горизонтальной плоскости ледяных гексагональных кристаллах перистых облаков и применение полученных результатов для решения актуальных задач рассеяния света на кристаллах перистых облаков.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
– вычисление и анализ матриц рассеяния света для горизонтально и преимущественно ориентированных в горизонтальной плоскости ледяных гексагональных кристаллов в зависимости от ориентации в пространстве, параметра формы частиц (отношение высота/диаметр) и угла падения света;
– параметризация индикатрисы рассеяния по наиболее значимым гало по энергии;
– разработка подходов для восстановления параметра формы частицы по поляризационным характеристикам рассеянного излучения;
– создание банка данных матриц рассеяния света на горизонтально и преимущественно ориентированных в горизонтальной плоскости ледяных гексагональных кристаллов.
Научная новизна результатов состоит в следующем.
1. Впервые рассмотрены основные особенности и закономерности поведения индикатрисы рассеяния света для горизонтально и преимущественно ориентированных в горизонтальной плоскости ледяных гексагональных кристаллов (как наиболее часто встречаемых форм в перистых облаках) в зависимости от пространственной ориентации, параметра формы кристалла и угла падения света.
-
Впервые предложена параметризация индикатрисы рассеяния света. Она представляет собой распределение по гало, на которые приходится большая часть рассеянной энергии.
-
Установлено, что для ледяных гексагональных пластинок существует «точка с нулевой степенью поляризации» при поляризованном падающем излучении.
-
Установлено, что параметр формы ледяной гексагональной пластинки можно восстанавливать на основе круговой поляризации рассеянного излучения в ложном Солнце.
-
Впервые создан банк данных матриц рассеяния света на горизонтально и преимущественно ориентированных в горизонтальной плоскости гексагональных кристаллах перистых облаков в зависимости от параметра формы, угла падения, максимального значения угла отклонения частиц от горизонтальной плоскости (флаттера).
На защиту выносятся следующие положения:
-
При рассеянии света в видимом диапазоне длин волн на ледяных гексагональных пластинках 70–100% рассеянного излучения сосредоточено в пике вперед и ложном Солнце паргелического и субпаргелического кругов в зависимости от значения угла падения, величины флаттера и параметра формы.
-
При рассеянии света в видимом диапазоне длин волн на ледяных гексагональных столбиках 50–100% рассеянной энергии сосредоточено в пике вперед и восьми гало, которые образуются траекториями с одним или двумя актами преломления/отражения на гранях кристалла, в зависимости от значения угла падения, величины флаттера и параметра формы.
-
При рассеянии света на горизонтально ориентированных гексагональных пластинках полное внутреннее отражение от вертикальных граней приводит к образованию пиков интенсивности в заднюю полусферу. В частности, наряду с известным пиком паргелия 120, впервые объяснены местоположение и форма пика интенсивности в окрестности азимутального угла рассеяния света 150 на паргелическом и субпаргелическом кругах.
-
В интервале углов падения (34–36) относительно зенитного направления элемент M44 матрицы рассеяния света, который соответствует круговой поляризации падающего и рассеянного света, в ложном Солнце взаимно однозначно соответствует параметру формы ледяной гексагональной пластинки.
Практическая значимость работы
Расширение представлений о процессе рассеяния света и образования гало на ледяных гексагональных кристаллах перистых облаков при их горизонтальной и преимущественной в горизонтальной плоскости ориента-циях.
Впервые создан банк данных матриц рассеяния света на преимущественно ориентированных в горизонтальной плоскости гексагональных ледяных кристаллах. Эти данные могут быть использованы при создании различных моделей перистой облачности, учитывающих преимущественную ориентацию в горизонтальной плоскости кристаллов в пространстве.
Предложенный подход по восстановлению параметра формы кристалла по поляризационным характеристикам рассеянного излучения может быть использован при разработке новых подходов дистанционного зондирования перистых облаков.
Исследования по теме данной диссертации поддержаны грантами РФФИ № 03-05-64745-а, 05-05-39014-ГФЕН_а, 06-05-6514-а, 09-05-00051-а, грантом INTAS № 05-1000008-8024, в которых автор был исполнителем.
Достоверность полученных результатов обеспечена:
– непротиворечивостью основных результатов принципам теории рассеяния;
– сравнением полученных результатов с имеющимися результатами других авторов;
– публикацией результатов в рецензируемых научных журналах.
Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в 7 статьях в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК, а также в 5 статьях в трудах международных конференций и симпозиумов.
Апробация работы
Материалы по теме диссертационной работы были представлены на следующих международных конференциях и симпозиумах: XII–XV Международных симпозиумах «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Томск, 2005, 2006; Бурятия, 2007; Красноярск, 2008); Международном симпозиуме стран СНГ «Атмосферная радиация» (Санкт-Петербург, 2004, 2009); XIII International Workshop on Multiple Scattering Lidar Experiments (St. Petersburg, 2004); 9th International Conference on Electromagnetic and Light Scattering by Nonspherical Particles (St. Petersburg, 2006); SPIE International Conference “Optics and Photonics” (San Diego, USA, 2006, 2007).
Личный вклад автора
Автор принимал непосредственное участие в постановке всех задач, рассмотренных в диссертации. На основе созданного в ИОА СО РАН метода трассировки пучков диссертант разработал вычислительный алгоритм по расчету матриц рассеяния света для преимущественно ориентированных в горизонтальной плоскости ледяных гексагональных кристаллов. Также
им проведены обширные расчеты, которые были проанализированы и представлены в уникальном банке данных матриц рассеяния света.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и списка условных обозначений и сокращений. Полный объем диссертации – 119 страниц, включая 18 таблиц и 26 рисунков. Список цитируемой литературы содержит 148 наименований.
