Том 35, номер 01, статья № 6

Аннотация:

Рассчитаны матрицы обратного рассеяния света для ледяных атмосферных гексагональных частиц для случая хаотической пространственной ориентации в рамках приближения физической оптики для однократного рассеяния. В качестве базовой геометрической формы частиц была взята гексагональная призма высотой 31,62 мкм и внешним диаметром 22,14 мкм, характерная для частиц типа «столбик», наблюдаемых в перистой облачности. Расчет был выполнен для частиц, полученных тремя методами искажения формы: скос, выпуклость и вогнутость. Угол искажения для каждого варианта варьировался от 0 до 50°. Длина волны падающего излучения при расчете матриц обратного рассеяния света составляла 1,064 мкм. По результатам сравнения сечений обратного рассеяния можно увидеть, что для всех рассмотренных типов частиц его значение резко уменьшается с ростом угла искажения.

Ключевые слова:

обратное рассеяние света, перистые облака, ледяные частицы, искажение формы, физическая оптика

Иллюстрации:

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. Кауль Б.В., Волков С.Н., Самохвалов И.В. Результаты исследований кристаллических облаков посредством лидарных измерений матриц обратного рассеяния света // Оптика атмосф. и океана. 2003. Т. 16, № 4. С. 354–361.
5. Банк данных матриц обратного рассеяния света [Электронный ресурс]. URL: ftp://ftp.iao.ru/pub/GWDT/ (дата обращения: 12.11.2021).
6. Шишко В.А., Брюханов И.Д., Ни Е.В., Кустова Н.В., Тимофеев Д.Н., Коношонкин А.В. Алгоритм интерпретации матриц обратного рассеяния света перистых облаков для восстановления их микрофизических параметров // Оптика атмосф. и океана. 2019. Т. 32, № 3. С. 186–192; Shishko V.A., Bryukhanov I.D., Nie E.V., Kustova N.V., Timofeev D.N., Konoshonkin A.V. Algorithm for interpreting light backscattering matrices of cirrus clouds for the retrieval of their microphysical parameters // Atmos. Ocean. Opt. 2019. V. 32, N 4. P. 393–399.
7. Kunz K.S., Luebbers R.J. Finite Difference Time Domain Method for Electromagnetics. Boca Raton: FL CRC Press, 1993. 448 p.
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. 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.
11. Yurkin M.A., Hoekstra A.G. The discrete-dipole-approximation code ADDA: Capabilities and known limitations // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2011. V. 112. P. 2234–2247.
12. 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.
13. Macke A., Mueller J., Raschke E. Single scattering properties of atmospheric ice crystal // J. Atmos. Sci. 1996. V. 53, N 19. P. 2813–2825.
14. Borovoi A.G., Grishin I.A. Scattering matrices for large ice crystal particles // J. Opt. Soc. Am. A. 2003. V. 20. P. 2071–2080.
15. 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.
16. 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, № 5. С. 385–387.
17. 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.
18. 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.
19. Bi L., Yang P. Physical-geometric optics hybrid methods for computing the scattering and absorption properties of ice crystals and dust aerosols // Light Scatt. Rev. Berlin, Heidelberg: Springer, 2013. P. 69–114.
20. Zhou C., Yang P. Backscattering peak of ice cloud particles // Opt. Express. 2015. V. 23. P. 11995–12003.
21. Borovoi A., Konoshonkin A., Kustova N. Backscattering by hexagonal ice crystals of cirrus clouds // Opt. Lett. 2013. V. 38, N 15. P. 2881–1884.
22. 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.
23. Yang P., Stegmann P., Tang G., Hioki S., Ding J. Improving scattering, absorption, polarization properties of snow, graupel, and ice aggregate particles from solar to microwave wavelengths in support of the CRTM // JCSDA quarterly. 2018. N 59. P. 8–14. DOI: 10.7289/V5/Q-JCSDA-59-2018.
24. Коношонкин А.В., Кустова Н.В., Боровой А.Г. Алгоритм трассировки пучков для задачи рассеяния света на атмосферных ледяных кристаллах. Часть 1. Теоретические основы алгоритма // Оптика атмосф. и океана. 2015. T. 28, № 4. С. 324–330; Konoshonkin A.V., Kustova N.V., Borovoi A.G. Beam splitting algorithm for the problem of light scattering by atmospheric ice crystals. Part 1. Theoretical foundations of the algorithm // Atmos. Ocean. Opt. 2015. V. 28, N 5. P. 441–447.
25. Konoshonkin A., Borovoi A., Kustova N., Reichardt J. Power laws for backscattering by ice crystals of cirrus clouds // Opt. Express. 2017. V. 25. P. 22341–22346.
26. Chen W.-N., Chiang C.-W., Nee J.-B. Lidar ratio and depolarization ratio for cirrus clouds // Appl. Opt. 2002. V. 41. P. 6470–6476.
27. Kustova N.V., Borovoi A.G., Konoshonkin A.V., Veselovskii I.A. Appearance of the corner reflection effect in cirrus clouds for off-zenith lidar profiling // Proc. SPIE. 2018. P. 1083346. DOI: 10.1117/12.2504123.
28. Del Guasta M. Simulation of LIDAR returns from pristine and deformed hexagonal ice prisms in cold cirrus by means of “face tracing” // J. Geophys. Res.: Atmos. 2001. V. 106. P. 12589–12602.
29. Shishko V.A., Konoshonkin A.V., Kustova N.V., Borovoi A.G. Main types of optical beams giving predominant contributions to the light backscatter for the irregular hexagonal columns // Proc. SPIE. 2017. P. 1046646. DOI: 10.1117/12.2288275
30. 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.
31. Warren S.G. Optical constants of ice from the ultraviolet to the microwave // Appl. Opt. 1984. V. 23. P. 1206–1225.
32. Коношонкин А.В., Боровой А.Г., Кустова Н.В., Шишко В.А., Тимофеев Д.Н. Рассеяние света на атмосферных ледяных кристаллах в приближении физической оптики. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2020. 219 с.