Том 32, номер 05, статья № 7

Тимофеев Д.Н., Коношонкин А.В., Кустова Н.В., Шишко В.А., Боровой А.Г. Оценка влияния поглощения на рассеяние света на атмосферных ледяных частицах для длин волн, характерных для задач лазерного зондирования атмосферы. // Оптика атмосферы и океана. 2019. Т. 32. № 05. С. 381–385.
Скопировать ссылку в буфер обмена
Аннотация:

Представлены результаты анализа численного расчета матриц рассеяния света для ледяных частиц произвольной формы с учетом поглощения, полученных в рамках приближения геометрической оптики. Проведена оценка влияния поглощения на характеристики обратного рассеяния света для задач лазерного зондирования атмосферы. Результаты показывают, что учет поглощения при смещении длины волны вглубь ИК-диапазона приводит к уменьшению интенсивности рассеянного излучения. Влияние поглощения для длин волн 0,355 и 0,532 мкм не превышает сотых долей процента, для 1,064 мкм – единиц процента, а для ближнего ИК-диапазона может превышать десятки процентов.

Ключевые слова:

рассеяние света, поглощение, ледяные частицы, геометрическая оптика, перистые облака

Список литературы:

1. Liou K.N. Influence of cirrus clouds on weather and climate processes: A global perspective // Mon. Weather Rev. 1986. V. 114, N 6. P. 1167–1199.
2. Takano Y., Liou K.N. Solar radiative transfer in cirrus clouds. Part I. Single scattering and optical properties of hexagonal ice crystals // J. Atmos. Sci. 1989. V. 46, N 1. P. 3–19.
3. Sassen K., Benson S. A midlatitude cirrus cloud climatology from the Facility for Atmospheric Remote Sensing: II. Microphysical properties derived from lidar depolarization // J. Atmos. Sci. 2001. V. 58, N 15. P. 2103–2112.
4. Konoshonkin A.V., Shishko V.A., Kustova N.V., Boro-voi A.G., Timofeev D.N. Problem of light scattering by atmospheric ice crystals // Proc. SPIE. 2017. P. 104662C.
5. Kunz K.S., Luebbers R.J. Finite Difference Time Domain Method for Electromagnetics. Boca Raton, FL: CRC Press, 1993. 464 p.
6. Taflove A. Advances in Computational Electrodynamics: The Finite-Difference Time-Domain Method. Boston: Artech House, 1998. 735 p.
7. Ishimoto H., Masuda K., Mano Y., Orikasa N., Uchi-yama A. Irregularly shaped ice aggregates in optical modeling of convectively generated ice clouds // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2012. V. 113, N 8. P. 632–643.
8. Yang P., Bi L., Kattawar G., Panetta R.L. Optical properties of nonspherical atmospheric particles and relevant applications // AAPP Atti della Accademia Peloritana dei Pericolanti, Classe di Scienze Fisiche, Matematiche e Naturali. 2011. V. 89, suppl. 1. DOI: 10.1478/C1V89S1P012.
9. Purcell E.M., Pennypacker C.R. Scattering and absorption of light by nonspherical dielectric grains // Astrophys. J. 1973. V. 186. P. 705–714.
10. Yurkin M.A., Maltsev V.P., Hoekstra A.G. The discrete dipole approximation for simulation of light scattering by particles much larger than the wavelength // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2007. V. 106. P. 546–557.
11. Yurkin M.A., Hoekstra A.G. The discrete-dipole-appro-ximation code ADDA: Capabilities and known limitations // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2011. V. 112. P. 2234–2247.
12. Liu J., Bi L., Yang P., Kattawar G.W Scattering of partially coherent electromagnetic beams by water droplets and ice crystals // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2014. V. 134. P. 74–84.
13. Ori D., Kneifel S. Assessing the uncertainties of the discrete dipole approximation in case of melting ice particles // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2018. V. 217. P. 396–406.
14. Arienti M., Geier M., Yang X., Orcutt J., Zenker J., Brooks S.D. An experimental and numerical study of the light scattering properties of ice crystals with black carbon inclusions // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2018. V. 211. P. 50–63.
15. Fenni I., Haddad Z.S., Roussel H., Mittra R.  Efficient calculation of orientationally averaged scattering from complex-geometry ice particles // IEEE Intern. Geosc. and Remote Sensing Sympos. Texas, 2017. P. 4471–4474.
16. Grynko Y., Shkuratov Y., Förstner J. Light scattering by irregular particles much larger than the wavelength with wavelength-scale surface roughness // Opt. Lett. 2016. V. 41, N 15. P. 3491.
17. Borovoi A.G., Grishin I.A. Scattering matrices for large ice crystal particles // J. Opt. Soc. Am. A. 2003. V. 20. P. 2071–2080.
18. Borovoi A., Konoshonkin A., Kustova N. The physics optics approximation and its application to light backscattering by hexagonal ice crystals // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2014. V. 146. P. 181–189.
19. Bi L., Yang P. Physical-geometric optics hybrid methods for computing the scattering and absorption properties of ice crystals and dust aerosols // Light Scattering Reviews 8. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2013. P. 69–114.
20. Bi L., Yang P., Kattawar G.W., Hu Y., Baum B.A. Scattering and absorption of light by ice particles: Solution by a new physical-geometric optics hybrid method // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2011. V. 112, N 9. P. 1492–1508.
21. Sun B., Yang P., Kattawar G.W., Zhang X. Physical-geometric optics method for large size faceted particles // Opt. Express. 2017. V. 25, N 20. P. 24044–24060.
22. Zhou C., Yang P. Backscattering peak of ice cloud particles // Opt. Express. 2015. V. 23, N 9. P. 11995–12003.
23. Borovoi A., Konoshonkin A., Kustova N. Backscattering by hexagonal ice crystals of cirrus clouds // Opt. Lett. 2013. V. 38, N 15. P. 2881–1884.
24. Коношонкин А.В., Кустова Н.В., Боровой А.Г. Особенности в деполяризационном отношении лидарных сигналов для хаотически ориентированных ледяных кристаллов перистых облаков // Оптика атмосф. и океана. 2013. Т. 26, N 5. С. 385–387.
25. Konoshonkin A., Wang Z., Borovoi A., Kustova N., Liu D., Xie C. Backscatter by azimuthally oriented ice crystals of cirrus clouds // Opt. Express. 2016. V. 24, N 18. P. A1257–A1268.
26. Коношонкин А.В. Моделирование сигнала сканирующего лидара от монодисперсного облака квазигоризонтально ориентированных частиц // Оптика атмосф. и океана. 2016. Т. 29, № 12. С. 1053–1060.
27. Baran A.J. On the scattering and absorption properties of cirrus cloud // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2004. V. 89, N 1–4. P. 17–36.
28. Hess M., Koepke P., Schult I. Optical properties of aerosols and clouds: The software package OPAC // Bull. Am. Math. Soc. 1998. V. 79. P. 831–844.
29. Baum B.A., Yang P., Heymsfield A.J., Bansemer A., Cole B.H., Merrelli A., Schmitt C., Wang C. Ice cloud single-scattering property models with the full phase matrix at wavelengths from 0.2 to 100 mm // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2014. V. 146. P. 123–139.
30. Cai Q., Liou K.-N. Polarized light scattering by hexagonal ice crystals: Theory // Appl. Opt. 1982. V. 21. P. 3569–3580.
31. Macke A. Scattering of light by polyhedral ice crystals // Appl. Opt. 1993. V. 32. P. 2780–2788.
32. Timofeev D.N., Konoshonkin A.V., Kustova N.V., Borovoi A.G. Backscattering matrices calculation for atmospheric ice crystals within the physical optics approximation with absorption effect // Proc. SPIE. 2018. V. 10833. P. 10833–174.
33 Auer A.H., Veal D.L. The dimension of ice crystals in natural clouds // J. Atmos. Sci. 1970. V. 27, N 6. P. 919–926.
34. Um J., McFarquhar G.M., Hong Y.P., Lee S.-S., Jung C.H., Lawson R.P., Mo Q. Dimensions and aspect ratios of natural ice crystals // Atmos. Chem. Phys. 2015. V. 15. P. 3933–3956.
35. Волковицкий О.А., Павлова Л.Н., Петрушин А.Г. Оптические свойства кристаллических облаков. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 198 c.
36. Тимофеев Д.Н., Коношонкин А.В., Кустова Н.В. Алгоритм Modified beam-splitting 1 (MBS-1) для решения задачи рассеяния света на невыпуклых ледяных атмосферных частицах // Оптика атмосф. и океана. 2018. Т. 31, № 6. С. 473–480; Timofeev D.N., Konoshonkin A.V., Kustova N.V. Modified Beam-Splitting 1 (MBS-1) Algorithm for solving the problem of light scattering by nonconvex atmospheric ice particles // Atmos. Ocean. Opt. 2018. V. 31, N 6. P. 642–649.
37. Борен К., Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. М.: Мир, 1986. 660 с.
38. Warren S.G. Optical constants of ice from the ultraviolet to the microwave // Appl. Opt. 1984. V. 23. P. 1206–1225.
39. Mitchell D.L., Arnott W.P. A model predicting the evolution of ice particle size spectra and radiative properties of cirrus clouds. Part II. Radiation // J. Atmos. Sci. 1994. V. 51. P. 817–832.
 

Вернуться