Том 37, номер 10, статья № 9

Аннотация:

Решение задачи рассеяния света на атмосферных ледяных кристаллах крайне необходимо для интерпретации данных лазерного зондирования атмосферы. С целью ее решения рассчитаны матрицы обратного рассеяния света для ледяных атмосферных кристаллов произвольной формы с количеством граней 15, 20 и 40 в диапазоне размеров от 10 до 300 мкм в рамках приближения физической оптики. Расчеты проводились для случая хаотической пространственной ориентации частиц в рамках однократного рассеяния света на длинах волн излучения 0,532 и 1,064 мкм. Результаты статистического анализа демонстрируют незначительные отклонения в оптических характеристиках кристаллов произвольной формы с разным количеством граней. Показано, что оптические характеристики эталонной частицы, взятой из банка данных ИОА СО РАН, укладываются в вышеописанное распределение. Таким образом, работа подтверждает обоснованность использования рассчитанного банка данных для случая широкого набора частиц с количеством граней от 15 до 40. Полученные результаты необходимы для построения алгоритмов интерпретации лидарных данных зондирования перистых облаков.

Ключевые слова:

физическая оптика, обратное рассеяние света, атмосферные кристаллы, произвольная форма

Иллюстрации:

Список литературы:

1. Sato K., Okamoto H. Global analysis of height-resolved ice particle categories from spaceborne lidar // Geophys. Res. Lett. 2023. V. 50. P. e2023GL105522. DOI: 10.1029/2023GL105522.
2. Fan C., Chen Y.-H., Chen X., Lin W. Yang P., Huang X. A refined understanding of the ice cloud longwave scattering effects in climate model // J. Adv. Model Earth Sy. 2023. V. 15. P. e2023MS003810. DOI: 10.1029/2023MS003810.
3. Kovadlo P., Shikhovtsev A., Lukin V., Kochugova E. Solar activity variations inducing effects of light scattering and refraction in the Earth’s atmosphere // J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 2018. V. 179. P. 468–471. DOI: 10.1016/j.jastp.2018.06.001.
4. Mitchell D.L., Mishra S., Lawson R.P. Cirrus Clouds and Climate Engineering: New Findings on Ice Nucleation and Theoretical Basis. London: IntechOpen, 2011. 290 p. DOI: 10.5772/24664.
5. Pincus R., Hubanks P.A., Platnick S., Meyer K., Holz R.E., Botambekov D., Wall C.J. Updated observations of clouds by MODIS for global model assessment // Earth Syst. Sci. Data. 2023. V. 15, N 6. P. 2483–2497. DOI: 10.5194/essd-15-2483-2023.
6. Yang P., Wei H., Huang H.-L., Baum B.A., Hu Y.X., Kattawar G.W., Mishchenko M.I., Fu Q. Scattering and absorption property database for nonspherical ice particles in the near- through far-infrared spectral region // Appl. Opt. 2005. V. 44. P. 5512–5523. DOI: 10.1364/AO.44.005512.
7. Hess M., Koepke P., Schult I. Optical properties of aerosols and clouds: The software package OPAC // Bull. Am. Meteorol. Soc. 1998. V. 79. P. 831–844. DOI: 10.1175/1520-0477(1998)079<0831:OPOAAC>2.0.CO;2.
8. 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. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2014.02.029.
9. Heymsfield A.J., Bansemer A., Field P.R., Durden S.L., Stith J.L., Dye J.E., Hall W., Grainger C.A. Observations and parameterization of particle size distributions in deep tropical cirrus and stratiform precipitating clouds: Results from in-situ observations in TRMM field campaigns // J. Atmos. Sci. 2002. V. 59. P. 3457–3491. DOI: 10.1175/1520-0469(2002)059%3C3457:OAPOPS%3E2.0.CO;2.
10. Heymsfield A.J. Properties of tropical and midlatitude ice cloud particle ensembles. Part 1: Medium mass diameters and terminal velocities // J. Atmos. Sci. 2003. V. 60. P. 2592–2611. DOI: 10.1175/1520-0469(2003)060%3C2573:POTAMI%3E2.0.CO;2.
11. Khademi F., Bayat A. Classification of aerosol types using AERONET version 3 data over Kuwait city. Atmospheric Environment // Atmos. Environ. 2021. V. 265. P. 118716. DOI: 10.1016/j.atmosenv.2021.118716.
12. Baars H., Ansmann A., Ohneiser K., Haarig M., Engelmann R., Althausen D., Hanssen I., Gausa M., Pietruczuk A., Szkop A., Stachlewska I., Wang D., Reichardt J., Skupin A., Mattis I., Trickl T., Vogelmann H., Guzmán F., Haefele A., Pappalardo G. The unprecedented 2017–2018 stratospheric smoke event: Decay phase and aerosol properties observed with the EARLINET // Atmos. Chem. Phys. 2019. V. 19. P. 15183–15198. DOI: 10.5194/acp-19-15183-2019.
13. Nishizawa T., Sugimoto N., Matsui I., Shimizu A., Higurashi A., Jin Y. The Asian Dust and Aerosol Lidar Observation Network (AD-NET) // EPJ Web of Conferences. 2016. V. 119. P. 19001. DOI: 10.1051/epjconf/201611919001.
14. Guerrero-Rascado J.L., Landulfo E., Antuña J.C., de Melo Jorge Barbosa H., Barja B., Bastidas Á.E., Bedoya A.E., da Costa R.F., Estevan R., Forno R., Gouveia D.A., Jiménez C., Larroza E.G., da Silva Lopes F. J., Montilla-Rosero E., de Arruda Moreira G., Nakaema W.M., Nisperuza D., Alegria D., Silva A. Latin American Lidar Network (LALINET) for aerosol research: Diagnosis on network instrumentation // J. Atmos. Sol-Terr. Phys. 2016. V. 138–139. P. 112–120. DOI: 10.1016/J.JASTP.2016.01.001.
15. Winker D.M., Vaughan M.A., Omar A., Hu Y., Powell K.A., Liu Z., Hunt W.H., Young S.A. Overview of the CALIPSO mission and CALIOP data processing algorithms // J. Atmos. Ocean. Technol. 2009. V. 26, N 11. P. 2310–2323. DOI: 10.1175/2009JTECHA1281.1.
16. Wehr T., Kubota T., Tzeremes G., Wallace K., Nakatsuka H., Ohno Y., Koopman R., Rusli S., Kikuchi M., Eisinger M., Tanaka T., Taga M., Deghaye P., Tomita E., Bernaerts D. The EarthCARE mission – science and system overview // Atmos. Meas. Tech. 2023. V. 16, N 15. P. 3581–3608. DOI: 10.5194/AMT-16-3581-2023.
17. Mishchenko M.I., Hovenier J.W., Travis L.D. Light Scattering by Nonspherical Particles: Theory, Measurements, and Geophysical Applications. San Diego: Academic Press, 1999. 690 p.
18. Волковицкий О.А., Павлова Л.Н., Петрушин А.Г. Оптические свойства кристаллических облаков. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 197 с.
19. Noel V., Sassen K. Study of planar ice crystal orientations in ice clouds from scanning polarization lidar observations // J. Appl. Meteor. Climatol. 2005. V. 44. P. 653–664. DOI: 10.1175/JAM2223.1.
20. Коханенко Г.П., Балин Ю.С., Боровой А.Г., Новоселов М.М. Исследования ориентации кристаллических частиц в ледяных облаках сканирующим лидаром // Оптика атмосф. и океана. 2022. Т. 35, № 4. С. 319–325. DOI: 10.15372/AOO20220412; Kokhanenko G.P., Balin Yu.S., Borovoi A.G., Novoselov M.M. Studies of the orientation of crystalline particles in ice clouds by a scanning lidar // Atmos. Ocean. Opt. 2022. V. 35, N 5. P. 509–516.
21. 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.
22. Wiscombe W.J. Improved Mie scattering algorithms // Appl. Opt. 1980. V. 19. P. 1505–1509. DOI: 10.1364/AO.19.001505.
23. Zhang Y., Ding J., Yang P., Panetta R.L. Vector spherical wave function truncation in the invariant imbedding T-matrix method // Opt. Express. 2022. V. 30, N 17. P. 30020–30037. DOI: 10.1364/OE.459648.
24. Zhu Y., Liu C., Yurkin M. Reducing shape errors in the discrete dipole approximation using effective media // Opt. Express. 2023. V. 31. P. 43401–43415. DOI: 10.1364/OE.509479.
25. Macke A., Mueller J., Raschke E. Single scattering properties of atmospheric ice crystal // J. Atmos. Sci. 1996. V. 53, N 19. P. 2813–2825. DOI: 10.1175/1520-0469(1996)053%3C2813:SSPOAI%3E2.0.CO;2.
26. 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. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2014.04.030.
27. Ткачев И.В., Тимофеев Д.Н., Кустова Н.В., Коношонкин А.В. Банк данных матриц обратного рассеяния света на атмосферных ледяных кристаллах размерами 10–100 мкм для интерпретации данных лазерного зондирования // Оптика атмосф. и океана. 2021. Т. 34, № 3. С. 199–206. DOI: 10.15372/AOO20210306.
28. Му Ц., Каргин Б.А., Каблукова Е.Г. Численное стохастическое моделирование рассеяния оптического излучения ледяными кристаллами нерегулярных случайных форм // Вычисл. технол. 2022. Т. 27, № 2. С. 54–61.
29. Shishko V., Konoshonkin A., Kustova N., Timofeev D., Borovoi A. Coherent and incoherent backscattering by a single large particle of irregular shape // Opt. Express. 2019. V. 27. P. 32984–32993. DOI: 10.1364/OE.27.032984.