Атмосфера - это подвижная и легкая оболочка Земли. Самой нижней частью атмосферы Земли является тропосфера, которая составляет около 75% массы атмосферы и 99% ее водяного пара и аэрозолей. В этом слое атмосферы температура понижается с высотой. Средняя высота его в умеренных широтах 10-11км, над полюсами 8-10 км, над экватором 16-18 км. Большинство явлений, которые происходят в тропосфере, оказывают большое влияние на погоду и климат. Здесь происходят практически все погодообразующие процессы: тепло- и влагообмен между Землей и атмосферой; образование облаков, туманов и осадков; наблюдаются другие метеорологические явления. Все эти процессы сложные и требуют постоянного отслеживания изменений. Такой контроль можно осуществлять с помощью методов лазерного зондирования. При взаимодействии лазерного излучения с атмосферой происходит множество явлений, потому что размеры неоднородностей сопоставимы с длиной волны оптического диапазона. Этим объясняется многообразие методов лазерного зондирования атмосферы.
Для исследования облаков часто используется метод упругого аэрозольного рассеяния, т.е. метод, основанный на процессе столкновения частиц, в результате которого меняются только их импульсы, а внутреннее состояние остается неизменным [1]. Рассеяние света частицами, радиус которых превышает 0.1 длины волн падающего света, называют рассеянием Ми или аэрозольным рассеянием, которое характеризуется: сложной зависимостью интенсивности рассеянного света от угла наблюдения; слабой зависимостью коэффициента рассеяния от длины волны, когда размеры частиц велики по сравнению с длиной волны света; подтверждением этому служит белый цвет обыкновенных облаков.
Прибором для исследования является лидар. Термин лидар
расшифровывается как «оптическая идентификация, обнаружение и локация»
(от англ. Light identification, detection and ranging [2]). Принцип работы
4
лидара: посылается излучение в исследуемый объем,
провзаимодействовавшее излучение регистрируется в приемной системе; анализируя изменение интенсивности, можно сделать выводы о характеристиках рассеивающей среды.
Интерпретация данных лидарных экспериментов основана на уравнении лазерного зондирования (УЛЗ), которое связывает регистрируемую мощность отражённого излучения с параметрами приемо-передающей системы лидара и характеристиками среды. Однако данное уравнение не учитывает эффектов многократного рассеяния (МР) которые появляются при зондировании оптически плотных аэрозольных образований таких, как облака туманы и дымки [2].
Явление МР в полной мере описывается уравнением переноса излучения (УПИ), которое до сих пор в общем виде не решено. В работе [10] показано, что уровень многократного рассеяния в лидарном сигнале зависит от угла поля зрения приемной системы лидара, дальности и оптической плотности облака. Во многих значимых случаях лидарный сигнал с достаточной точностью можно описать в приближении двукратного рассеяния (ДР) [2]. Оценка применимости данного подхода может быть выполнена на основе метода Монте-Карло, который широко используется для имитации разнообразных физических процессов.
Целью данной работы является разработка программы, позволяющей рассчитать лидарный сигнал на основе приближения двукратного рассеяния и оценить применимость данного подхода при рассматриваемых условиях эксперимента. Для достижения поставленной цели необходимо было выполнить поставленные задачи:
1. изучить физические основы лазерного зондирования дисперсных сред, особенности формирования лидарного сигнала и применения метода Монте-Карло в атмосферной оптике;
2. разработать и программно реализовать алгоритм численного моделирования лидарного сигнала в приближении ДР и оценки вклада ДР в лидарный сигнал от капельного аэрозольного образования.
В данной работе была разработана программа для моделирования лидарного сигнала с использованием метода Монте-Карло и на основе уравнение лазерного зондирования в приближении второй кратности рассеяния.
Результаты моделирования на основе данной программы позволяют проанализировать вклад в лидарный сигнал отдельных кратностей рассеяния и верифицировать результаты расчета лидарного сигнала на основе уравнение лазерного зондирования в приближении двукратного рассеяния.
