Том 39, номер 07, статья № 7

Аннотация:

Основной проблемой в исследовании атмосферных ледяных частиц является недостаток информации об их морфологии и размерах, поскольку традиционные методы активного и пассивного мониторинга не позволяют достоверно определить эти параметры из-за физических ограничений используемых длин волн и пространственного разрешения. Это обусловливает необходимость применения альтернативных подходов, таких как использование лидаров, работающих на длинах волн ближнего ИК-диапазона, на которых проявляется эффект поглощения излучения ледяными частицами. Из-за этого эффекта возникает разница в лидарных сигналах, что открывает возможность восстановления размера частиц с помощью спектрального отношения. В настоящей работе исследуется зависимость спектрального отношения от формы и размера атмосферных ледяных частиц размерами от 5 до 1000 мкм, характерных для облаков верхнего яруса. Обнаружена зависимость спектрального отношения от характерного размера исследуемых частиц для длин волн ближнего инфракрасного (1,55; 2 и 2,15 мкм) и видимого (0,355; 0,532 и 1,064 мкм) диапазонов. Для анализа использовался банк данных матриц обратного рассеяния света ScIce-2023 для частиц хаотической пространственной ориентации и однократного рассеяния. Из банка были выбраны данные для нескольких форм частиц, свойственным ледяным облакам, в диапазоне длин волн падающего излучения от 0,355 до 2,150 мкм. Полученные результаты могут применяться для интерпретации данных лазерного зондирования кристаллических облаков.

Ключевые слова:

атмосферные частицы, лазерное зондирование, ледяные кристаллы, спектральное отношение, физическая оптика, матрица рассеяния света, обратное рассеяние света

Иллюстрации:

Список литературы:

1. Baran A.J. From the single-scattering properties of ice crystals to climate prediction: A way forward // Atmos. Res. 2012. V. 112. P. 45–69. DOI: 10.1016/j.atmosres.2012.04.010.
2. Lohmann U., Gasparini B. A cirrus cloud climate dial? // Science. 2017. V. 357. P. 248–249. DOI: 10.1126/science.aan3325.
3. Sato K., Okamoto H. Global analysis of height-resolved ice particle categories from spaceborne lidar // Geophys. Res. Lett. 2023. V. 50, N 17. P. 0094-8276. DOI: 10.1029/2023GL105522.
4. Sato K., Okamoto H., Nishizawa T., Jin Y., Nakajima T., Wang M., Satoh M., Roh W., Ishimoto H., Kudo R. JAXA Level 2 cloud and precipitation microphysics retrievals based on EarthCARE radar, lidar, and imager: The CPR_CLP, AC_CLP, and ACM_CLP products // Atmos. Meas. Tech. 2025. V. 18. P. 1325–1338. DOI: 10.5194/amt-18-1325-2025.
5. Gil-Díaz C., Sicard M., Comerón A., dos Santos Oliveira D.C.F., Muñoz-Porcar C., Rodríguez-Gómez A., Lewis J.R., Welton E.J., Lolli S. Geometrical and optical properties of cirrus clouds in Barcelona, Spain: Analysis with the two-way transmittance method of 4 years of lidar measurements // Atmos. Meas. Tech. 2024. V. 17, N 4. P. 1197–1216. DOI: 10.5194/amt-17-1197-2024.
6. Zhuravleva T. Statistical simulation of the angular distribution of reflected solar radiation in optically anisotropic ice-crystal clouds: Horizontally oriented particles // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2025. V. 333. P. 109327. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2024.109327.
7. Kustova N., Konoshonkin A., Kokhanenko G., Wang Z., Shishko V., Timofeev D., Borovoi A. Lidar backscatter simulation for angular scanning of cirrus clouds with quasi-horizontally oriented ice crystals // Opt. Lett. 2022. V. 47. P. 3648–3651. DOI: 10.1364/OL.463282.
8. 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. DOI: 10.5194/acp-15-3933-201.
9. Mishchenko M.I. Light scattering by randomly oriented axially symmetric particles // J. Opt. Soc. Am. A. 1991. V. 8. P. 871–882. DOI: 10.1364/JOSAA.8.000871.
10. Khademi F., Bayat A. Classification of aerosol types using AERONET version 3 data over Kuwait city // Atmos. Environ. 2021. V. 265. P. 118716. DOI: 10.1016/j.atmosenv.2021.118716.
11. Baars H., Ansmann A., Ohneiser K., Haarig M., Engelmann R., Althausen D., Hanssen I., Gausa M., Pietruczuk A., Szkop A., Stachlewska I.S., Wang D., Reichardt J., Skupin A., Mattis I., Trickl T., Vogelmann H., Navas-Guzmán F., Haefele A., Acheson K., Ruth A.A., Tatarov B., Müller D., Hu Q., Podvin T., Goloub P., Veselovskii I., Pietras C., Haeffelin M., Fréville P., Sicard M., Comerón A., Fernández García A.J., Molero Menéndez F., Córdoba-Jabonero C., Guerrero-Rascado J.L., Alados-Arboledas L., Bortoli D., Costa M.J., Dionisi D., Liberti G.L., Wang X., Sannino A., Papagiannopoulos N., Boselli A., Mona L., D'Amico G., Romano S., Perrone M.R., Belegante L., Nicolae D., Grigorov I., Gialitaki A., Amiridis V., Soupiona O., Papayannis A., Mamouri R.-E., Nisantzi A., Heese B., Hofer J., Schechner Y.Y., Wandinger U., 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.
12. Nishizawa T., Sugimoto N., Matsui I., Shimizu A., Higurashi A., Jin Y. The Asian Dust and Aerosol Lidar Observation Network (AD-NET) // EPJ Web Conf. 2016. V. 119. P. 19001. DOI: 10.1051/epjconf/201611919001.
13. Guerrero-Rascado J.L., Landulfo E., Antuña J.-C., de Melo Jorge Barbosa H., Barja B., Efrain Bastidas A., Bedoya A.E., Facundes da Costa R., Estevan R., Forno R., Gouveia D.A., Jiménez C., Gonçalves Larroza E., Juliano da Silva Lopes F., Montilla-Rosero E., de Arruda Moreira G., Morinobu Nakaema W., Nisperuza D., Alegria D., Múnera M., Otero L., Papandrea S., Pallota J.V., Pawelko E., Quel E.J., Ristori P., Ferrini Rodrigues P., Salvador J., Fernanda Sánchez M., 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.
14. 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(15). P. 3581–3608. DOI: 10.5194/amt-16-3581-2023.
15. Kustova N., Konoshonkin A., Shishko V., Timofeev D., Tkachev I., Wang Z., Borovoi A. Depolarization ratio for randomly oriented ice crystals of cirrus clouds // Atmosphere. 2022. V. 13, N 10. P. 1551. DOI: 10.3390/atmos13101551.
16. Wang Z., Shishko V., Kustova N., Konoshonkin A., Timofeev D., Xie C., Liu D., Borovoi A. Radar-lidar ratio for ice crystals of cirrus clouds // Opt. Express. 2021. V. 29, N 3. P. 4464–4474. DOI: 10.1364/OE.410942.
17. Timofeev D.N., Konoshonkin A.V., Kustova N.V., Borovoi A.G., Kozodoev A.V. Calculation of backscattering matrix for ice particles of cirrus clouds for 1.55 and 2 micron lidars within the physical optics approximation // Proc. SPIE. 2020. V. 11531. DOI: 10.1117/12.2573575.
18. Shangguan M., Xia H., Dou X., Qiu J., Yu C. Development of Multifunction Micro-Pulse Lidar at 1.5 Micrometer // EPJ Web Conf. 2020. V. 7010. P. 237. DOI: 10.1051/epjconf/202023707010.
19. Refaat T.F., Petros M., Antill C.W., Singh U.N., Choi Y., Plant J.V., Digangi J.P. Airborne testing of 2-mm pulsed IPDA Lidar for active remote sensing of atmospheric carbon dioxide // Atmoshpere. 2021. V. 12, N 2. P. 412. URL: https://www.mdpi.com/2073-4433/12/3/412.
20. Коношонкин А.В., Шишко В.А., Кустова Н.В., Liu D., Wang Z., Тимофеев Д.Н., Ткачев И.В., Сальников К.С., Zhu X., Wang Y. ScIce-2023 – банк данных матриц обратного рассеяния света для ледяных кристаллов перистых облаков для интерпретации данных лазерного зондирования // Оптика атмосф. и океана. 2025. Т. 38, № 8. С. 665–672. DOI: 10.15372/AOO20250810; Konoshonkin A.V., Shishko V.A., Kustova N.V., Liu D., Wang Z., Timofeev D.N., Tkachev I.V., Salnikov K.S., Kan N., Zhu X., Wang Y. ScIce-2023 database of backscattering Mueller matrices of ice crystals of cirrus clouds for lidar applications // Atmos. Ocean. Opt. 2025. V. 38, N 6. P. 751–758.
21. The ScIce-2023. The database of light backscattering of cirrus clouds’ ice crystals. DOI: 10.5281/zenodo. 15165680.
22. 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. DOI: 10.1029/1999JD900491.
23. 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. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2014.04.030.
24. 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. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2015.06.008.
25. King M.D., Kaufman Y.J., Tanré D., Nakajima T. Remote sensing of tropospheric aerosols from space: Past, present, and future // Bull. Am. Meteorol. Soc. 1999. V. 80, N 11. P. 2229–2259. DOI: 10.1175/1520-0477(1999)080<2229:RSOTAF>2.0.CO;2.
26. Ackerman S.A., Strabala K.I., Menzel W.P., Frey R.A., Moeller C.C., Gumley L.E. Discriminating clear sky from clouds with MODIS // J. Geophys. Res. 1998. V. 103(D24). P. 32141–32157. DOI: 10.1029/1998JD200032.
27. Wiscombe W.J. Improved Mie scattering algorithms // Appl. Opt. 1980. V. 19. P. 1505–1509. DOI: 10.1364/AO.19.001505.
28. 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. DOI: 10.15372/AOO20180609; 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.
29. Warren S.G., Brandt R.E. Optical constants of ice from the ultraviolet to the microwave: A revised compilation // J. Geophys. Res. 2008. V. D14220. P. 113. DOI: 10.1029/2007JD009744.
30. Yang P., Bi L., Baum B., Liou K.-N., Kattawar G., Mishchenko M., Cole B. Version 2 of the dataset by “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. P. 330–347. DOI: 10.1175/JAS-D-12-039.1.