Введение к работе
Актуальность. Одной из основных задач атмосферной оптики является изучение аэрозольной составляющей атмосферы, которая оказывает существенное влияние на радиационный режим атмосферы и облаков, на формирование климата и Погоды. Важной является н информация о высотном распределении-' аэрозоля. Для решения этой задачи можно пользоваться результатами оптических наблюдении с искусственных спутников Земли.
Были предприняты усилия д.ля разработки методов, кот<*-рые позволили бы наилучшим образом использовать такую информацию. В результате были установлены наиболее информативные с точки зрения обратных задач спектральные интервалы наблюдения, геометрические условия наблюдения и освещения. В частности, показано, что наиболее перспективными вариантами для определения высотного хода коэффициента ослабления являются наблюдения освещенности дневного горизонта Земли.
.Другой "оптический'" способ изучения аэрозоля атмосферы состоит в изучении индикатрисы рассеяния света, которая сильно зависит от формы частиц, входящих в аэрозоль. В свою очередь, индикатриса рассеяния определяет вариации яркости неба. Сотрудники астрофизической обсерватории в Алма-Ате разработали схему оптических наблюдений и провели измерительные эксперименты, позволившие решать задачу об определении аэрозольной индикатрисы рассеяния.
Основная идея решения обратных задач рассеянного света состоит в выделении "главной" компоненты рассеянного потока. Иногда это главная линейная часть поля раднашш. В других случаях это однократно рассеянное излучение. Из него легко получить искомые параметры, будь то индикатриса рассеяния или коэффициент ослабления. Специалисты по физике атмосферы также выделяют однократно рассеянное излучение. Однако, почти всегда это делают приближенно, например, с помощью каких-либо эмпирических поправоч-
1ILJX ыоффишюншв.
15 її.xдоящей работы в основном рассматриваются итерационные методы, позволяющие в проделе полупіть точные шачоїшя искомых величин. Лишь в мщаче компьютерной томографии значения требуемых величин удается получить за счеі специальною расположения приемников и источников излучения.
Решение обратных задач итерационными -Методами приводні к необходимости решать "прямые" задачи, зоооїь задачи расчета поля рассеянного излучения. На еогбднящнии день лучший метод для таких расчетов это .метод Моше Карло. Он позволяет включать и модель среды практически псе реальные параметры, вычш лят ь производные по параметрам среды, корреляционные характеристики ноля яркости.
Цель работы состоит в разработке методов и алгоритмов для решения обратных задач переноса излучения в рассеивающей н поглощающей среде и в решении сопутствующих вопросов.
1$ рабоїе мало места уделено доказательству сходимости раоема ірпн.Н'мьіх итерационных методов, так как для прак-тпче(мі важных случаев условия сходимости невозможно проверить. Теоретические же Гранины сходимости очень далеки oj пракіпчеекнх.
Научная новизна. В работе получены следующие новые результаты:
для плоского слоя разработан метод частичного "математическою ожидания", позволяющий сократить трудоемкость расчета примерно в З-о раз. Для плоских слоев большой оптической толщины разработана модификация чтото метода, позволяющая справиться с ею ''неустойчивостью"; на основе метода частичного "'математического ожидания" получена искусственная (нефизичеекая) плотность для длины пробега, которую можно использовать для отпмпза-ции расчетов в задачах со сферической геометрией:
для оптически нс-плотной среды с вытянутой индикатрисой рассеяния найдена вероятностная плотность направлення пробега, позволяющая оптимизировать расчет интенеив-
ностп поля рассеянного солнечного излучения:
простое преобразование позволило частично свести расчет переноса излучения в сферической атмосфере к менее трудоемкому расчету для плоского слоя:
предложено преобразование нестандартного ("обобщенного'') пнтетральноіп транспортного уравнения, которое позволило использовать замену сильно вытянутой индикатрисы рассеяния ее "псевдо-транспортным" приближением. Для задачи расчета рассеянного светового потока в разорванной облачности получены выражения для соответствующей плотности длины пробега фотона. Использование этого метода в практических расчетах позволило уменьшить пх тру-доемкоеть примерно в 30-40 раз:
для стохастической среды на основе приближенной линеаризации модели получены формулы для расчета" корреляционных характеристик поля яркости. Получены формулы для расчета методом Монте Карло призводных по коэффициентам спектрального разложения поля среды. Доказана конечность дисперсии статистической оценки производных;
разработан метод определения индикатрисы рассеяния по наблюдениям яркости рассеянного солнечного излучения в точке на поверхности Земли в направлениях альмукантарата Солнца. Теоретически- исследована сходимость этого метода. Проведены практические расчеты с использованием экспериментальных данных;
исследованы различные нестандартные методы регуляризации для решения нескольких обратных задач атмосферной оптики. Методы основаны на использовании -априорной аналитической и статистической информации об искомых параметрах, функциях :
рассматривается применение1 метода Монте Карло к задачам переноса излучения в растительном покрове. Проведены расчеты поля рассеянного излучения, давшие результаты, близкие к экспериментальным:
предложен метод восстанавления основных параметров растительного покрова. Предложена новая схема измерения потока рассеянного излучения и метод восстановления па-
раметров плотности распределения нормали к поверхности листьев:
рассматривается задача томографии с рассеянием. Предложена схема расположения источников приемников и метод восстановления распределения коэффициентов ослабления и рассеяния внутри исследуемого тела. Разработанный метод проверен рас 'четами:
предложен метод решения интегральных уравнений второго рода (<* стохастическим ядром.
Все основные результаты диссертации являются новыми.
Научная и практическая ценность. Методы решения обратных задач атмосферной оптики могут быть использованы для интерпретации наземных и спутниковых данных наблюдения поля яркости земной атмосферы, восстановления ее оптических параметров.
' Предложенные- модификации метода Монте Карло значительно повышают эффективность расчета характеристик поля рассеянного излучения.
Методы и алгоритмы реализованы в виде программ на языке Фортран и могут быть использованы в практических расчетах.
Были проведены расчеты для Астрофизического института (Алма-Ата). Института прикладной геофизики (Москва) и Института астрофизики и физики атмосферы (Тарту).
Апробация. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на международных и всесоюзных конференциях и семинарах в Алма-Ате (АФИ). Баку (ИКИ), Ереване (ИПМ). Ленинграде (ГОИ). Москве (ИНГ. ИНМ. ИФА). Новосибирске (ВЦ. ИМ). Тарту (ИАФА). Томске (ИОА). Коршевеле (франция, семинар по диез, зондированию). Хельсинки (Финляндия. IGAHSS'92). Индианаполисе (США. рабочее совещание по томографии).
Публикации. Основные результаты опубликованы в работах [І-29] (в их числе 1 монография).
Структура и объем. Работа состоит из введения, семи глав, приложения, заключения и списка литературы. Объем работы 2.'5"t страницы.
(,
