Том 36, номер 12, статья № 8

Аннотация:

Перистые облака влияют на радиационный баланс нашей планеты и играют важную роль в формировании климата. Изучение их оптических свойств требует решения задачи рассеяния света на ледяных несферических частицах. В рамках метода физической оптики проведено численное моделирование характеристик обратного рассеяния света для полых гексагональных столбиков размером от 10 до 316 мкм для длин волн 0,355, 0,532 и 1,064 мкм. Показано, что при увеличении полости гексагональных столбиков сначала быстро исчезает пик обратного рассеяния, вызванный уголковым отражением, затем появляется несколько вторичных максимумов величиной до 10% от величины основного пика. При этом их положение практически не зависит от размера частицы и длины волны излучения, но существенно зависит от формы частицы. Полученные результаты представляют интерес для построения оптической модели перистых облаков в задачах лазерного зондирования атмосферы.

Ключевые слова:

рассеяние света, метод физической оптики, атмосферные ледяные кристаллы, перистые облака, полые гексагональные столбики

Иллюстрации:

Список литературы:

1. Mischenko M., Hovenier J.W., Travis L.D. Light scattering by nonspherical particles. San Diego: Academic press, 2000. 720 p.
2. 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.
3. Jacobowitz H. A method for computing the transfer of solar radiation through clouds of hexagonal ice crystals // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 1971. V. 11, N 6. P. 691–695.
4. Sun W.B., Loeb N.G., Tanev S., Videen G. Finite-difference time-domain solution of light scattering by an infinite dielectric column immersed in an absorbing medium // Appl. Opt. 2005. V. 44, N 10. P. 1977–1983.
5. Yang P., Liou K.N. Finite-difference time domain method for light scattering by small ice crystals in three-dimensional space // J. Opt. Soc. Am. A. 1996. V. 13, N. 10. P. 2072–2085.
6. Yee K. Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell's equations in isotropic media // IEEE Trans. Antennas Propag. 1996. V. 14, N 3. P. 302–307.
7. 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, N 1. P. 546–557.
8. Zubko E., Shkuratov Y., Videen G. Effect of morphology on light scattering by agglomerates // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2015. V. 150. P. 42–54.
9. Zubko E., Kimura H., Shkuratov Y., Muinonen K., Yamamoto T., Okamoto H., Videen G. Effect of absorption on light scattering by agglomerated debris particles // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. V. 110, N 14. P. 1741–1749.
10. Noel V., Ledanois G., Chepfer H., Flamant P.H. Computation of a single-scattering matrix for nonspherical particles randomly or horizontally oriented in space // Appl. Opt. 2001. V. 40, N 24. P. 4365–4375.
11. Mishchenko M.I., Macke A. Incorporation of physical optics effects and computation of the Legendre expansion for ray-tracing phase functions involving d-function transmission // J. Geophys. Res.: Atmos. 1998. V. 103, N D2. P. 1799–1805.
12. Cai Q., Liou K.N. Polarized – light scattering by hexagonal ice crystals – Theory // Appl. Opt. 1982. V. 21, N 19. P. 3569–3580.
13. Borovoi A.G., Kustova N.V., Oppel U.G. Light backscattering by hexagonal ice crystal particles in the geometrical optics approximation // Opt. Eng. 2005. V. 44, N 7. P. 071208.
14. Коношонкин А.В., Кустова Н.В., Осипов В.А., Боровой А.Г., Masuda K., Ishimoto H., Okamoto H. Метод физической оптики для решения задачи рассеяния света на кристаллических ледяных частицах: сравнение дифракционных формул // Оптика атмосф. и океана. 2015. Т. 28, № 9. С. 830–843.
15. Borovoi A., Konoshonkin A., Kustova N. The physical-optics approximation and its application to light backscattering by hexagonal ice crystals // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2014. V. 146. P. 181–189.
16. Konoshonkin A.V., Kustova N.V., Borovoi A.G. Beam-splitting code for light scattering by ice crystal particles within geometric-optics approximation // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2015. V. 164. P. 175–183.
17. Okamoto H., Sato K., Borovoi A., Ishimoto H., Masuda K., Konoshonkin A., Kustova N. Interpretation of lidar ratio and depolarization ratio of ice clouds using spaceborne high-spectral-resolution polarization lidar // Opt. Express. 2019. V. 27, N 25. P. 36587–36600.
18. Baum B.A., Heymsfield A.J., Yang P., Bedka S.T. Bulk scattering properties for the remote sensing of ice clouds. Part I: Microphysical data and models // J. Appl. Meteorol. 2005. V. 44, N 12. P. 1885–1895.
19. Schmitt C.G., Heymsfield A.J. On the occurrence of hollow bullet rosette- and column-shaped ice crystals in midlatitude cirrus // J. Atmos. Sci. 2007. V. 64, N 12. P. 4514–4519.
20. Miloshevich L.M., Heymsfield A.J. A balloon-borne continuous cloud particle replicator for measuring vertical profiles of cloud microphysical properties: Instrument design, performance, and collection efficiency analysis // J. Atmos. Ocean. Technol. 1997. V. 14, N 4. P. 753–768.
21. Takano Y., Liou K.N. Radiative-transfer in cirrus clouds. 3. Light-scattering by irregular ice crystals // J. Atmos. Sci. 1995. V. 52, N 7. P. 818–837.
22. Smith H.R., Connolly P.J., Baran A.J., Hesse E., Smedley A.R.D., Webb A.R. Cloud chamber laboratory investigations into scattering properties of hollow ice particles // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2015. V. 157. P. 106–118.
23. 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.
24. Chiruta M. The capacitance of solid and hollow hexagonal ice columns // Geophys. Res. Lett. 2005. V. 32, N 5. P. L05803.
25. Mitchell D.L., Arnott W.P. A model predicting the evolution of ice particle size spectra and radiative properties of cirrus clouds. Part II: Dependence of absorption and extinction on ice crystal morphology // J. Atmos. Sci. 1994. V. 51, N 6. P. 817–832.
26. Heymsfield A. Ice crystal terminal velocities // J. Atmos. Sci. 1972. V. 29, N 7. P. 1348–1357.
27. 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.
28. Warren S.G., Brandt R.E. Optical constants of ice from the ultraviolet to the microwave: A revised compilation // J. Geophys. Res. 2008. V. 113. P. D14.
29. 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 атмосф. и океана. 2019. Т. 32, № 5. С. 381–385; Timofe­ev D.N., Konoshonkin A.V., Kustova N.V., Shishko V.A., Borovoi A.G. Estimation of the absorption effect on light scattering by atmospheric ice crystals for wavelengths typical for problems of laser sounding of the atmosphere // Atmos. Ocean. Opt. 2019. V. 32, N 5. P. 564–568.
30. Konoshonkin A., Borovoi A., Kustova N., Reichardt J. Power laws for backscattering by ice crystals of cirrus clouds // Opt. Express. 2017. V. 25, N 19. P. 22341–22346.
31. Соковых О.В., Самохвалов И.В. Системная интеграция экспериментального оборудования высотного поляризационного лидара // Оптика атмосф. и океана. 2013. Т. 26, № 10. С. 891–896.
32. Borovoi A.G. Light scattering by large particles: physical optics and the shadow-forming field // Light Scattering Reviews 8: Radiative transfer and light scattering England: Springer, 2013. P. 115–138.
33. Vouk V. Projected area of convex bodies // Nature. 1948. V. 162, N 4113. P. 330–331.
34. McFarquhar G.M., Heymsfield A.J. Parameterization of tropical cirrus ice crystal size distributions and implications for radiative transfer: Results from CEPEX // J. Atmos. Sci. 1997. V. 54, N 17. P. 2187–2200.
35. URL: https://iao.ru/ru/about/ resources/info/cluster (дата обращения: 13.01.2023).