АННОТАЦИЯ 4
Введение 1
1 Решение задачи рассеяния света на несферической частицы и исследование
поляризации света в окрестности направления рассеяния назад 2
1.1 Постановка задачи 2
1.2 Аналитическое решение задачи для модельного случая 3
2 Выбор оптимальных параметров усреднения по размерам частиц при решении
задачи рассеяния света на невыпуклых кристаллических частицах 9
2.1 Численное решение задачи рассеяния света в направлении рассеяния назад 9
2.2 Исследование арифметического усреднения решения по размеру кристалла для
избавления от интерференционных осцилляций 10
3 Оптическая модель кристаллического облака состоящего из смеси пустотелых
столбиков и идеальных гексагональных частиц для задач лидарного зондирования атмосферы 16
4 Обсуждение полученной оптической модели 28
Выводы 36
Список использованных источников и литературы 37
Для прогноза изменения климата на Земле необходимо уметь рассчитывать радиационный баланс планеты - соотношение между энергией излучения, поступающего на Землю от Солнца и количеством тепла, уходящего в космос в виде инфракрасного излучения. Для уходящего излучения определяющим фактором являются парниковые газы, основной из которых - водяной пар. Для прохождения солнечного излучения через атмосферу важную роль играют облака, а точнее рассеяния света на частицах облаков. В первую очередь - на ледяных кристаллах перистых облаков.
Многолетние наблюдения кристаллических облаков, проводимые All-sky камерой ИОА СО РАН под руководством В.П. Галилейского показали, что частицы в облаках ориентируются в преимущественно горизонтальной плоскости значительно чаще, чем предполагалось ранее. Выравниваясь горизонтально, частицы ведут себя как единое зеркало и отражают свет совершенно иначе, нежели при хаотической ориентации. Игнорирование ориентации частиц в облаке из-за аэродинамических эффектов не позволит улучшать точность климатических моделей, поскольку приводит к ошибкам в расчете радиационного баланса.
Исследование эффекта зеркального отражения от частиц в кристаллических облаках получило развитие при использовании поляризационных лидаров. Как и солнечный свет, лазерное излучение отражается от ориентированных кристаллов, при этом сохраняя исходное состояние кристаллов в облаке. Существенный прорыв в таких исследованиях произошел, когда в 2018 г. в ИОА СО РАН был разработал уникальный сканирующий поляризационный лидар ЛОЗА-М3, позволяющий измерять углы наклона зеркальных частиц. Однако для интерпретации получаемых лидарных данных необходимо решить теоретически задачу рассеяния света на частицах перистых облаков и исследовать изменение поляризации света в окрестности направления рассеяния назад.
1. В результате выполнения работы был проведен анализ литературы и выполнен аналитический обзор методов решения задачи рассеяния света на несферических частицах. Было установлено, что наиболее подходящим методом для решения задачи рассеяния света на частицах, характерных для перистых облаков, является метод физической оптики.
2. В рамках метода физической оптики был выполнен анализ вариации поляризации рассеянного излучения в окрестности направления рассеяния назад. Результаты исследования позволили определить оптимальные параметры усреднения частиц по размерам для всех последующих расчетов невыпуклых частиц вида «полый столбик».
3. Полученные параметры позволили сократить время расчетов и получить необходимое решение задачи рассеянии света на всех необходимых размеров на вычислительном кластере ИОА СО РАН «Феликс-К» в разумные сроки - за 2 месяца.
4. На основе полученного решения рассчитана оптическая модель перистых облаков, состоящих из смеси идеальных и полых гексагональных столбиков. Модель построена для реалистичного распределения глубины полости кристаллов и размеров частиц в облаке.
5. Полученные результаты необходимы при разработке алгоритмов определения пространственной ориентации частиц перистых облаков по данным лазерного зондирования атмосферы, что в свою очередь необходимо для определения аэродинамических характеристик частиц в перистых облаках.
6. Результаты расчетов будут использованы для интерпретации данных совместного Российско-Китайского центра по исследованию атмосферной оптики и для интерпретации данных планируемого к запуску в мае 2024 года космического лидара EarthCARE.
