Том 32, номер 05, статья № 7

pdf 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 атмосферы и океана. 2019. Т. 32. № 05. С. 381–385. DOI: 10.15372/AOO20190507.
Скопировать ссылку в буфер обмена
Аннотация:

Представлены результаты анализа численного расчета матриц рассеяния света для ледяных частиц произвольной формы с учетом поглощения, полученных в рамках приближения геометрической оптики. Проведена оценка влияния поглощения на характеристики обратного рассеяния света для задач лазерного зондирования атмосферы. Результаты показывают, что учет поглощения при смещении длины волны вглубь ИК-диапазона приводит к уменьшению интенсивности рассеянного излучения. Влияние поглощения для длин волн 0,355 и 0,532 мкм не превышает сотых долей процента, для 1,064 мкм – единиц процента, а для ближнего ИК-диапазона может превышать десятки процентов.

Ключевые слова:

рассеяние света, поглощение, ледяные частицы, геометрическая оптика, перистые облака

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.
2. Takano Y., Liou K.N. Solar radiative transfer in cirrus clouds. Part I. Single scattering and optical properties of hexagonal ice crystals // J. Atmos. Sci. 1989. V. 46, N 1. P. 3–19.
3. Sassen K., Benson S. A midlatitude cirrus cloud climatology from the Facility for Atmospheric Remote Sensing: II. Microphysical properties derived from lidar depolarization // J. Atmos. Sci. 2001. V. 58, N 15. P. 2103–2112.
4. Konoshonkin A.V., Shishko V.A., Kustova N.V., Boro-voi A.G., Timofeev D.N. Problem of light scattering by atmospheric ice crystals // Proc. SPIE. 2017. P. 104662C.
5. Kunz K.S., Luebbers R.J. Finite Difference Time Domain Method for Electromagnetics. Boca Raton, FL: CRC Press, 1993. 464 p.
6. Taflove A. Advances in Computational Electrodynamics: The Finite-Difference Time-Domain Method. Boston: Artech House, 1998. 735 p.
7. Ishimoto H., Masuda K., Mano Y., Orikasa N., Uchi-yama A. Irregularly shaped ice aggregates in optical modeling of convectively generated ice clouds // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2012. V. 113, N 8. P. 632–643.
8. Yang P., Bi L., Kattawar G., Panetta R.L. Optical properties of nonspherical atmospheric particles and relevant applications // AAPP Atti della Accademia Peloritana dei Pericolanti, Classe di Scienze Fisiche, Matematiche e Naturali. 2011. V. 89, suppl. 1. DOI: 10.1478/C1V89S1P012.
9. Purcell E.M., Pennypacker C.R. Scattering and absorption of light by nonspherical dielectric grains // Astrophys. J. 1973. V. 186. P. 705–714.
10. Yurkin M.A., Maltsev V.P., Hoekstra A.G. The discrete dipole approximation for simulation of light scattering by particles much larger than the wavelength // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2007. V. 106. P. 546–557.
11. Yurkin M.A., Hoekstra A.G. The discrete-dipole-appro-ximation code ADDA: Capabilities and known limitations // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2011. V. 112. P. 2234–2247.
12. Liu J., Bi L., Yang P., Kattawar G.W Scattering of partially coherent electromagnetic beams by water droplets and ice crystals // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2014. V. 134. P. 74–84.
13. Ori D., Kneifel S. Assessing the uncertainties of the discrete dipole approximation in case of melting ice particles // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2018. V. 217. P. 396–406.
14. Arienti M., Geier M., Yang X., Orcutt J., Zenker J., Brooks S.D. An experimental and numerical study of the light scattering properties of ice crystals with black carbon inclusions // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2018. V. 211. P. 50–63.
15. Fenni I., Haddad Z.S., Roussel H., Mittra R.  Efficient calculation of orientationally averaged scattering from complex-geometry ice particles // IEEE Intern. Geosc. and Remote Sensing Sympos. Texas, 2017. P. 4471–4474.
16. Grynko Y., Shkuratov Y., Förstner J. Light scattering by irregular particles much larger than the wavelength with wavelength-scale surface roughness // Opt. Lett. 2016. V. 41, N 15. P. 3491.
17. Borovoi A.G., Grishin I.A. Scattering matrices for large ice crystal particles // J. Opt. Soc. Am. A. 2003. V. 20. P. 2071–2080.
18. 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.
19. Bi L., Yang P. Physical-geometric optics hybrid methods for computing the scattering and absorption properties of ice crystals and dust aerosols // Light Scattering Reviews 8. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2013. P. 69–114.
20. Bi L., Yang P., Kattawar 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, N 9. P. 1492–1508.
21. Sun B., Yang P., Kattawar G.W., Zhang X. Physical-geometric optics method for large size faceted particles // Opt. Express. 2017. V. 25, N 20. P. 24044–24060.
22. Zhou C., Yang P. Backscattering peak of ice cloud particles // Opt. Express. 2015. V. 23, N 9. P. 11995–12003.
23. Borovoi A., Konoshonkin A., Kustova N. Backscattering by hexagonal ice crystals of cirrus clouds // Opt. Lett. 2013. V. 38, N 15. P. 2881–1884.
24. 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, N 5. С. 385–387.
25. Konoshonkin A., Wang Z., Borovoi A., Kustova N., Liu D., Xie C. Backscatter by azimuthally oriented ice crystals of cirrus clouds // Opt. Express. 2016. V. 24, N 18. P. A1257–A1268.
26. Коношонкин А.В. Моделирование сигнала сканирующего лидара от монодисперсного облака квазигоризонтально ориентированных частиц // Оптика атмосф. и океана. 2016. Т. 29, № 12. С. 1053–1060.
27. Baran A.J. On the scattering and absorption properties of cirrus cloud // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2004. V. 89, N 1–4. P. 17–36.
28. Hess M., Koepke P., Schult I. Optical properties of aerosols and clouds: The software package OPAC // Bull. Am. Math. Soc. 1998. V. 79. P. 831–844.
29. 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.
30. Cai Q., Liou K.-N. Polarized light scattering by hexagonal ice crystals: Theory // Appl. Opt. 1982. V. 21. P. 3569–3580.
31. Macke A. Scattering of light by polyhedral ice crystals // Appl. Opt. 1993. V. 32. P. 2780–2788.
32. Timofeev D.N., Konoshonkin A.V., Kustova N.V., Borovoi A.G. Backscattering matrices calculation for atmospheric ice crystals within the physical optics approximation with absorption effect // Proc. SPIE. 2018. V. 10833. P. 10833–174.
33 Auer A.H., Veal D.L. The dimension of ice crystals in natural clouds // J. Atmos. Sci. 1970. V. 27, N 6. P. 919–926.
34. 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.
35. Волковицкий О.А., Павлова Л.Н., Петрушин А.Г. Оптические свойства кристаллических облаков. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 198 c.
36. 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; 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.
37. Борен К., Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. М.: Мир, 1986. 660 с.
38. Warren S.G. Optical constants of ice from the ultraviolet to the microwave // Appl. Opt. 1984. V. 23. P. 1206–1225.
39. Mitchell D.L., Arnott W.P. A model predicting the evolution of ice particle size spectra and radiative properties of cirrus clouds. Part II. Radiation // J. Atmos. Sci. 1994. V. 51. P. 817–832.