Рассеяние света на ледяных кристаллах, характерных для перистых облаков тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат физико-математических наук Гришин, Игорь Анатольевич

• Гришин, Игорь Анатольевич
• кандидат физико-математических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Гришин, Игорь Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ. ПРОБЛЕМА СВЕТОРАССЕЯНИЯ НА ЧАСТИЦАХ НЕСФЕРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ

1.1 Ледяные кристаллы, составляющие перистые облака

1.2 Строгие методы решения задачи рассеяния света на частицах несферической формы

1.3 Приближенные подходы к решению задачи рассеяния

1.4 Матрица Мюллера для ледяных кристаллов в перистых облаках

ГЛАВА 2. РАССЕЯНИЕ СВЕТА НА ЛЕДЯНЫХ КРИСТАЛЛАХ

2.1 Модель рассеивающего объекта кристаллической формы

2.2 Физический формализм метода трассировки лучей в применении к объекту кристаллической формы

2.3 Рассеяное поле в волновой зоне

2.4 Различные виды матрицы Мюллера для рассеивающего объекта несферической формы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Рассеяние света на ледяных кристаллах, характерных для перистых облаков»

Актуальность исследований. Перистые облака, покрывающие примерно 20-30% земной поверхности независимо от времени года, оказывают существенное влияние на формирование теплового бюджета всей планеты, а как следствие, и на климат в целом. Они находятся на высоте 5-10 км и состоят из ледяных частиц, значительную долю которых составляют ледяные кристаллы. Геометрические размеры кристаллов меняются в широком диапазоне от нескольких десятков микрон до нескольких миллиметров.

При разработке современных численных моделей глобального изменения климата и долгосрочного прогноза погоды, а также при решении задач дистанционного зондирования атмосферы, остро встаёт вопрос о светорассеивающих свойствах отдельной частицы в перистых облаках. Сложная и разнообразная геометрия частиц не позволяет применить строгие методы решения задачи рассеяния, что является причиной широкого использования различного рода приближенных подходов. В силу того, что средний размер частиц в перистых облаках много больше длины волны оптического излучения, наиболее популярным способом решения задачи рассеяния является геометрооптическое приближение и основанный на нём метод трассировки лучей. Из первых публикаций в рамках этого подхода следует отметить Wendling [1], который качественно и количественно объяснил эффекты гало при рассеянии оптического излучения на ледяных кристаллах в форме гексагональной призмы. Наиболее значительный объём работ проводился в течении более чем двадцати лет под руководством Liou и Takano, например [2-4]. Ими впервые были рассчитаны и проанализированы все элементы матрицы рассеяния на монодисперсных ансамблях ледяных частиц [2, 3]. Однако, в ранних работах этих авторов учёт волновых эффектов проводился в крайне упрощённой форме, что в дальнейшем привело к появлению более строгих методов основанных на интегральном принципе Кирхгофа [4]. Тем не менее, вычислительные требования к ресурсам пользователя и сложность алгоритмизации не привели к их широкому распространению.

Среди отечественных исследователей выделяются работы Петрушина [5], который аналитически рассмотрел рассеяние света на полидисперсных ансамблях гексагональных призм. В последние годы значительный объём расчётов элементов матрицы рассеяния для кристаллов в форме гексагональной призмы проведён Ромашовым [6], результаты которого применялись для интерпретации экспериментальных данных при дистанционном зондировании атмосферы [7].

Подчеркнём, что, хотя работы в данном направлении ведутся уже более 20 лет, в связи со сложностью и громоздкостью задачи большинство исследователей ограничивались расчётом и анализом только энергетических характеристик рассеянного излучения для ледяных кристаллических объектов относительно простой геометрической формы.

Исходя из всего вышесказанного, целью работы был расчёт и анализ всех элементов матрицы рассеяния для ледяных кристаллических частиц произвольной формы.

Поставленная цель потребовала решения следующих задач:

1. Разработка алгоритмов численного решения задачи рассеяния на кристаллических частицах произвольной формы с размерами много большими длины волны.

2. Расчёт и исследование элементов матрицы рассеяния для ледяных кристаллов различных форм с различной ориентацией в пространстве (фиксированной, хаотической и преимущественной).

3. Анализ механизма формирования рассеянного излучения для ледяных гексагональных кристаллов, особенно в направлении рассеяния назад, что актуально для задач дистанционного зондирования атмосферы как с поверхности земли, так и из космоса.

4. Исследование возможности восстановления формы рассеивающих частиц исходя из тонкой структуры рассеянного излучения.

Научная новизна результатов.

1. Разработан оригинальный алгоритм трассировки пучков для вычисления в геометрооптическом приближении матрицы рассеяния света на крупных частицах кристаллической формы. Отличительной особенностью алгоритма является возможность его применения к кристаллическому объекту произвольной геометрической формы.

2. Предложена процедура декомпозиции матрицы рассеяния на две части, описывающие дифракционную и интерференционную компоненты суммарной матрицы рассеяния, что позволяет в более удобной форме интерпретировать результаты расчётов.

3. В приближении геометрической оптики впервые рассчитаны все элементы матрицы рассеяния для ледяных кристаллов сложных геометрических форм: плоских буллитов-розеттов, пластинчатых дендритов и т.д.

4. В рамках приближения геометрической и физической оптики в угловом диапазоне ориентаций кристалла 32.1°-32.5° показано существование аномально большого обратного рассеяния, которое возникает благодаря двукратному полному внутреннему отражению на взаимно перпендикулярных гранях кристалла. При этом такой эффект сопровождается поворотом плоскости поляризации на 90°.

5. Предложен простой метод оценки степени несферичности рассеивающей частицы исходя из. структуры поля вблизи направления рассеяния вперёд. Суть метода заключается в извлечении информации о периметре и площади проекции частицы в направлении рассеяния вперёд из углового распределения рассеянной интенсивности (в приближении дифракции Фраунгофера).

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованной литературы. Каждая глава сопровождается введением, дающим краткую аннотацию рассматриваемых проблем, и заключением в виде основных результатов. Общий объем работы - 150 страниц, включая 46 рисунков, 3 таблицы и библиографию из 127 наименований.

Заключение диссертации по теме «Оптика», Гришин, Игорь Анатольевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработаны методика и численный алгоритм решения задачи светорассеяния на кристаллических частицах произвольной геометрической формы с размерами, многократно превышающими длину волны падающего излучения. Суть методики сводится к расчёту поля в ближней зоне рассеивающего объекта в геометрооптическом приближении, затем к переходу в дальнюю зону с помощью дифракционного интеграла Фраунгофера.

2. С помощью разработанного аппарата рассчитаны ненулевые элементы матрицы Мюллера для ледяных кристаллов различных геометрических форм, при хаотической и преимущественной ориентации в пространстве. Проанализирован характер формирования основных оптических эффектов. Кроме этого, проведены расчёты элементов матрицы Мюллера для кристаллов несовершенной призматической формы. В совокупности эти результаты могут служить основой для разработки оптической модели перистых облаков.

3. Установлено, что обратное рассеяние на крупных ледяных кристаллических частицах формируется благодаря ограниченному набору лучевых траекторий внутри кристалла. Для гексагональной призмы обратное рассеяние возникает только при такой ориентации кристалла, когда нормаль к одной из призматических граней лежит в плоскости, образованной главной осью кристалла и направлением распространения падающей волны.

4. Для частицы в форме гексагональной призмы обнаружен ярко выраженный пик обратного рассеяния для углов наклона главной оси кристалла 32.1°-32.5° относительно, направления распространения падающей волны. Анализ элементов матрицы Джонса в этом угловом диапазоне для наиболее энергетически значимых пучков продемонстрировал наличие поворота поляризации рассеянного излучения на 90° относительно поляризации падающей волны. Это явление объясняет экспериментально наблюдаемый эффект сильной деполяризации отражённой компоненты лидарного сигнала, рассеянного в облачной среде.

5. В рамках приближения Фраунгофера предложен способ извлечения информации о степени несферичности рассеивающего объекта с размерами, много большими длины волны, из углового распределения рассеянной интенсивности вблизи направления рассеяния вперёд.

Все результаты диссертации опубликованы в работах [90-92, 100-104, 110,

111, 114-116, 119-127].

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Гришин, Игорь Анатольевич, 2004 год

1. Wendling P., Wendling R. and Weickmann Н. К. Scattering of solar radiation by hexagonal ice crystals // Appl. Opt. 1979. - V. 18. - P. 2663 - 2671.

2. Cai Q. and Liou K. N. Polarized light scattering by hexagonal ice crystals: theory. // Appl. Opt. 1982. - V. 21. - P. 3569 - 3580.

3. Takano Y. and Jayaweera K. Scattering phase matrix for hexagonal ice crystals computed from ray-tracing. // Appl. Opt. 1985 - V. 24. - P. 3254 -3263.

4. Yang P., Liou K. N. Light scattering by hexagonal ice crystals: solutions by a ray-by-ray integration algorithm // Appl. Opt. 1997. - V. 14. - P. 2278 -2289.

5. Волковицкий О.А., Павлова Л.Н., Петрушин А.Г. Оптические свойства кристаллических облаков. — Л.: Гидрометеоиздат, 1984, 198 с.

6. Ромашов Д. Н. Матрица обратного рассеяния для монодисперсных ансамблей гексагональных ледяных кристаллов — Оптика атмосферы и океана. 1999. - т. 12. № 5, с. 392 - 400.

7. Kaul В., Arshinov Yu., Romashov D., Samokhvalov I. et al. Crystal Clouds — Tomsk: "Spectr", 1997, 141 p.

8. Macke A., Mueller J., and Raschke E. Single scattering properties of atmospheric ice crystals. // J. Atmos. Sci. 1996. - V. 53. - P. 2813 - 2825.

9. Del Guasta M. A second generation ray-tracing technique applied to lidar returns from cirrus clouds // 10-th Intern. Workshop Multiple Scattering Lidar Experiments, (Ed. P. Bruscaglioni, Florence, Italy, 1999) P. 48 57.

10. Macke A. Scattering of light by polyhedral ice crystals // Appl. Opt. 1993. -V. 32.- P. 2780-2788.

11. Heymsfield A. Cirrus uncinus generating cells and the evolution of cirriform clouds. Part 1: Aircraft observations of the growth of the ice phase. // J. Atmos. Sci. 1975. - V. 32. - P. 799 - 808.12.