Том 38, номер 10, статья № 12

Аннотация:

В задачах дистанционного зондирования атмосферы, особенно при интерпретации лидарных сигналов от перистых облаков, ключевую роль играет точность моделирования рассеяния света на несферических хаотически ориентированных ледяных частицах. Приближение физической оптики, несмотря на свою вычислительную эффективность, не всегда обеспечивает достаточную точность, особенно в случаях, когда размеры частиц сопоставимы с длиной волны излучения. Это создает систематическую погрешность в базах данных матриц рассеяния, используемых для обратных задач. В нашей работе рассматривается применение метода дискретных диполей для верификации приближения физической оптики. Основное внимание уделено сравнению результатов, полученных на длинах волн 0,532 и 1,064 мкм на частицах различных форм и размеров от 2 до 8 длин волн. Применение приближения физической оптики в данном случае приводит к относительной погрешности до 20% в определении линейного деполяризационного отношения, а также к занижению интенсивности обратного рассеяния в два раза. Полученные результаты позволяют уточнить границы применимости приближения физической оптики и внести коррективы в существующие базы матриц рассеяния. Это, в свою очередь, повысит точность интерпретации лидарных измерений и, как следствие, качество восстановления микроструктуры облаков.

Ключевые слова:

рассеяние света, приближение физической оптики, метод дискретных диполей, атмосферные ледяные кристаллы, перистые облака

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. DOI: 10.1175/1520-0493(1986)114%3C1167:IOCCOW%3E2.0.CO;2.
2. Stephens G.L., Tsay S.-C., Stackhouse Jr.P.W., Flatau P.J. The relevance of the microphysical and radiative properties of cirrus clouds to climate and climatic feedback // J. Atmos. Sci. 1990. V. 47, 14. P. 1742–1754.  DOI: 10.1175/1520-0469(1990)047<1742:TROTMA>2.0.CO;2.
3. Winker D.M., Couch R.H., McCormick M.P. An overview of LITE: NASA's Lidar-in-space Technology Experiment // Proc. IEEE. 1996. V. 84. P. 164–180. DOI: 10.1109/5.482227.
4. Балин Ю.С., Тихомиров А.А. История создания и работы в составе орбитальной станции «Мир» первого российского космического лидара БАЛКАН // Оптика атмосф. и океана. 2011. Т. 24, № 12. С. 1078–1087.
5. Winker D., Hunt W., Weimer C. The on-orbit performance of the CALIOP LIDAR on CALIPSO // Proc. SPIE. 2017. V. 10566–105661H. DOI: 10.1117/12.2308248.
6. Morançais D., Fabre F., Schillinger M., Barthès J.C., Endemann M., Culoma A., Durand Y. ALADIN: The first European lidar in space // Proc. SPIE. 2017. V. 10568–1056802. DOI: 10.1557/PROC-883-FF7.2.
7. Pauly R.M., Yorks J.E., Hlavka D.L., McGill M.J., Amiridis V., Palm S.P., Rodier S.D., Vaughan M.A., Selmer P.A., Kupchock A.W., Baars H., Gialitaki A. Cloud-Aerosol Transport System (CATS) 1064 nm calibration validation // Atmos. Meas. Tech. 2019. V. 12(11). P. 6241–6258. DOI: 10.5194/amt-12-6241-2019.
8. 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. P. 3581–3608. DOI: 10.5194/egusphere-2022-1476.
9. Mie G. Beitrage Zur Optik Trüber Medien, Speziell Kolloidaler Metallosungen // Ann. Phys. 1908. V. 330. P. 377–445. DOI: 10.1002/andp.19083300302.
10. Коношонкин А.В., Кустова Н.В., Шишко В.А., Тимофеев Д.Н., Ткачев И.В., Бакуте Е., Бабинович А.Е., Zhu X., Wang Z. Оптическая модель перистого облака, состоящего из полых ледяных гексагональных столбиков, для задач лазерного зондирования // Оптика атмосф. и океана. 2024. Т. 37, № 9. С. 785–793. DOI: 10.15372/AOO20240909; Konoshonkin A.V., Kustova N.V., Shishko V.A., Timofeev D.N., Tkachev I.V., Bakute E., Babinovich A.E., Zhu X., Wang Z. Optical model of a cirrus cloud consisting of hollow ice hexagonal columns for lidar applications // Atmos. Ocean. Opt. 2024. V. 37, N 6. P. 896–904.
11. Wandinger U., Müller D., Böckmann C., Althausen D., Matthias V., Bösenberg J., Weiß V., Fiebig M., Wendisch M., Stohl A., Ansmann A. Optical and microphysical characterization of biomass-burning and industrial-pollution aerosols from multiwavelength lidar and aircraft measurements // J. Geophys. Res.: Atmos. Am. Geophys. Union. D. 2002. V. 107, N 21. P. LAC7-1–20. DOI: 10.1029/2000JD000202.
12. Borovoi A.G., Grishin I.A. Scattering matrices for large ice crystal particles // J. Opt. Soc. Am. A. 2003. V. 20, N 11. P. 2071–2080. DOI: 10.1364/JOSAA.20.002071.
13. Банк данных матриц обратного рассеяния света. URL: https://ftp.iao.ru/pub/GWDT/Physical_optics/Backscattering/Data_bank_2023_level_2 (дата обращения: 22.04.2025).
14. Kunz K.S., Luebbers R.J. The Finite Difference Time Domain Method for Electromagnetics // CRC Press. 1993. 464 p. DOI: 10.1201/9780203736708.
15. Wang X., Bi L., Han W., Zhang X. Single-scattering properties of encapsulated fractal black carbon particles computed using the invariant imbedding T-matrix method and deep learning approaches // JGR Atmos. 2023. V. 128. P. 21. DOI: 10.1029/2023JD039568.
16. Draine B.T., Flatau P.J. Discrete-dipole approximation for scattering calculations // J. Opt. Soc. Am. A. 1994. V. 11, N 4. P. 1491–1499. DOI: 10.1364/JOSAA.11.001491.
17. 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. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2011.01.031.
18. 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. Т. 28, № 4. С. 441–447; 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.
19. Ballington H., Hesse E. A light scattering model for large particles with surface roughness // J. Quant. Spectroscop. Radiat. Transfer. 2024. V. 323. P. 109054. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2024.109054.
20. Попов А.А. О когерентном сложении рассеянного и дифракционного полей в задачах светорассеяния на крупных кристаллах // Докл. AH СССР. 1988. Т. 303, № 3. С. 594–597.
21. Попов А.А., Шеффер О.В. Теоретическое исследование поглощения оптического излучения ориентированными ледяными пластинками в ИК-диапазоне // Оптика атмосф. и океана. 1994. Т. 7, № 1. С. 18–23.
22. Боровой А.Г., Попов А.А., Шеффер О.В. Теоретическое исследование оптического излучения для системы ориентированных ледяных пластинок // Оптика атмосф. и океана. 1991. Т. 4, № 9. С. 899–906.
23. Bi L., Yang P., Kattateav 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. P. 1492–1508. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2011.02.015.
24. Yang P., Liou K.N. Geometric-optics-integral-equation method for light scattering by nonspherical ice crystals // Appl. Opt. 1996. V. 35, N 33. P. 6568–6584. DOI: 10.1364/AO.35.006568.
25. Born M., Wolf E. Principles of Optics. Pergamon Press, 1970. 808 p.
26. Коношонкин А.В., Кустова Н.В., Боровой А.Г. Граница применимости приближения геометрической оптики для решения задачи обратного рассеяния света на квазигоризонтально ориентированных гексагональных ледяных пластинках // Оптика атмосф. и океана. 2014. Т. 27, № 8. С. 705–712; Konoshonkin A.V., Kustova N.V., Borovoi A.G. Limits to applicability of geometrical optics approximation to light backscattering by quasihorizontally oriented hexagonal ice plates // Atmos. Ocean. Opt. 2015. V. 28, N 1. P. 74–81.
27. Коношонкин А.В., Кустова Н.В., Боровой А.Г., Шишко В.А., Гринько Е. Решение задачи рассеяния света на гексагональной ледяной пластинке методами Галеркина, дискретных диполей и физической оптики // Изв. вузов. Физ. 2016. Т. 59, № 12–2. С. 156–159.
28. 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. DOI: 10.15372/AOO20180609; 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.
291. Draine B.T., Goodman J.J. Beyond Clausius–Mossotti: Wave propagation on a polarizable point lattice and the discrete dipole approximation // Astrophys. J. 1993. V. 405. P. 685–697. DOI: 10.1086/172396.
30. Freund R.W., Nachtigal N.M. An implementation of the QMR method based on coupled 2-term recurrences // SIAM J. Sci. Comput. 1994. V. 15. P. 313–337. DOI: 10.1137/0915022.
31. Schuh R. Arbitrary particle shape modeling in DDSCAT and validation of simulation results in T. Wriedt & A.G. Hoekstra // Proc. DDA – Workshop. Bremen: Institut fur Werkstofftechnik, 2007. P. 22–24.
32. Коношонкин А.В., Кустова Н.В., Шишко В.А., Боровой А.Г. Методика решения задачи рассеяния света на ледяных кристаллах перистых облаков в направлении рассеяния назад методом физической оптики для лидара с зенитным сканированием // Оптика атмосф. и океана. 2016. Т. 29, № 1. С. 40–50. DOI: 10.15372/AOO20160105; Konoshonkin A.V., Kustova N.V., Shishko V.A., Borovoi A.G. The technique for solving the problem of light backscattering by ice crystals of cirrus clouds by the physical optics method for a lidar with zenith scanning // Atmos. Ocean. Opt. 2016. V. 29, N 3. P. 252–262.
33. Шишко В.А., Коношонкин А.В., Кустова Н.В., Тимофеев Д.Н. Рассеяние света на сферических частицах для прикладных задач лидарного зондирования // Оптика атмосф. и океана. 2020. Т. 33, № 7. С. 522–528. DOI: 10.15372/AOO20200704.
34. Ping Y., Lie B., Bryan A.B., Kattawar G.W., Mishenko M.I., Cole B. Spectrally consistent scattering, absorption, and polarization properties of atmospheric ice crystals at wavelengths from 0.2 to 100 mm // J. Atmos. Sci. 2013. V. 70, N 1. P. 330–347. DOI: 10.1175/JAS-D-12-039.1.
35. Saito M., Yang P. Advanced bulk optical models linking the backscattering and microphysical properties of mineral dust aerosol // J. Geophys. Res. Lett. 2021. V. 48, N 17. P. e2021GL095121. DOI: 10.1029/2021GL095121.