Том 31, номер 12, статья № 2

Аннотация:

Представлена матрица экстинкции для ансамбля ледяных гексагональных пластинок и столбиков. Проведена оценка матрицы экстинкции для кристаллов вида дроксталл и «пуля». Расчеты проведены для частиц с характерными размерами от 10 до 100 мкм, длин волн от 0,3 до 10 мкм, в предположении гамма-распределения частиц по размерам с параметром ширины m < 4. Установлено, что в видимом диапазоне длин волн матрица экстинкции ансамбля атмосферных ледяных кристаллов является единичной с коэффициентом, равным удвоенной площади проекции частицы. Погрешность такого представления не превышает десятых долей процента и не зависит от типа кристаллов и их пространственной ориентации. Также установлено, что в ИК-области такое представление матрицы экстинкции возможно только для гексагональных столбиков, «пуль» и им подобных кристаллов с характерным размером больше 20 мкм для длин волн меньше 8 мкм.

Ключевые слова:

коэффициент ослабления, матрица экстинкции, перистые облака, физическая оптика, рассеяние света, ледяные кристаллы

Список литературы:

1.  IPCC, Climate change 2007: The physical science basis: Contribution of working group I to the fourth assessment Report of the IPCC. Cambridge, VK: Cambridge University Press, 2007. 996 p.
2. Hayman M., Spuler S., Morley B. Polarization lidar observations of backscatter phase matrices from oriented ice crystals and rain // Opt. Express. 2014. V. 22. Р. 16976–16990.
3.  Hayman M., Thayer J.P. General description of polarization in lidar using Stokes vectors and polar decomposition of Mueller matrices // J. Opt. Soc. Am. A. 2012. V. 29. P. 400–409.
4. Reichardt J., Wandinger U., Klein V., Mattis I., Hilber B., Begbie R. RAMSES: German Meteorological Service autonomous Raman lidar for water vapor, temperature, aerosol, and cloud measurements // Appl. Opt. 2012. V. 51. P. 8111–8131.
5. Borovoi A., Kustova N., Konoshonkin A. Interference phenomena at backscattering by ice crystals of cirrus clouds // Opt. Express. 2015. V. 23. P. 24557–24571.
6.  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; Konoshonkin А.V., Kustova N.V., Shishko V.А., Borovoi А.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. 252–263.
7. Zhou C., Yang P. Backscattering peak of ice cloud particles // Opt. Express. 2015. V. 23. P. 11995–12003.
8. Mie G. Beiträge zur Optik trüber Medien, speziell kolloidaler Metallösungen // Ann. Phys. 1908. V. 25. P. 377–445.
9.  Waterman P.C. Symmetry, unitarity, and geometry in electromagnetic scattering // Phys. Rev. D. 1971. V. 3. P. 825–839.
10.  Peterson B., Ström S. T-matrix formulation of electromagnetic scattering from multilayered scatterers // Phys. Rev. D. 1974. V. 10. P. 2670–2684.
11. Kunz K.S., Luebbers R.J. Finite Difference Time Domain Method for Electromagnetics. Boca Raton, FL: CRC Press, 1993. 464 p.
12. Taflove A. Advances in computational electrodynamics: The finite-difference time-domain method. Boston: Artech House, 1998. 735 p.
13.  Purcell E.M., Pennypacker C.R. Scattering and absorption of light by nonspherical dielectric grains // Astrophys. J. 1973. V. 186. P. 705–714.
14.  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.
15. Попов А.А. Разработка и исследование вычислительных методов для некоторых классов прикладных задач электродинамики: автореф. дис. ... докт. физ.-мат. наук. Томск, 1992. 44 c.
16. Del Guasta M. Simulation of lidar returns from pristine and deformed hexagonal ice prisms in cold cirrus by means of “face-tracing” // J. Geophys. Res. 2001. V. 106. P. 12589–12602.
17.  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. P. 1492–1508.
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.  Попов А.А. Сечения ослабления и обратного рассеяния поляризованного излучения на круглой пластинке в приближении физической оптики // Оптика атмосф. и океана. 1988. Т. 1, № 5. С. 19–24.
20.  Попов А.А., Шефер О.В. Аналитическое выражение коэффициента ослабления оптического излучения полидисперсной системой кристаллов в виде пластинок // Оптика атмосф. и океана. 1989. Т. 2, № 5. С. 532–535.
21.  Попов А.А., Шефер О.В. Оценка ослабления оптического излучения кристаллами, не имеющими плоскопараллельных граней // Оптика атмосф. и океана. 1990. Т. 3, № 5. С. 456–461.
22.  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.
23.  Коношонкин А.В., Кустова Н.В., Боровой А.Г. Алгоритм трассировки пучков для задачи рассеяния света на атмосферных ледяных кристаллах. Часть 2. Сравнение с алгоритмом трассировки лучей // Оптика атмосф. и океана. 2015. Т. 28, № 4. С. 331–337; Konoshonkin А.V., Kustova N.V., Borovoi А.G. Beam splitting algorithm for the problem of light scattering by atmospheric ice crystals. Part 2. comparison with the ray tracing algorithm // Atmos. Ocean. Opt. 2015. V. 28, N 5. P. 448–454.
24.  Боровой А.Г., Попов А.А., Шефер О.В. Теоретическое исследование хода коэффициента ослабления оптического излучения для системы ориентированных ледяных пластинок // Оптика атмосф. и океана. 1991. Т. 4, № 9. С. 899–906.
25.  Шефер О.В. Энергетические и поляризационные характеристики оптического излучения, рассеянного в направлении вперед пластинчатым кристаллом // Оптика атмосф. и океана. 2006. Т. 19, № 4. С. 278–283.
26. Попов А.А., Шефер О.В. Численное исследование матрицы экстинкции для пластинчатого кристалла // Изв. вузов. Физика. 2009. Т. 52, № 8. С. 73–83.
27.  Shefer O., Popov A. Extinction and small angle scattering by thin plate crystals // Appl. Opt. 2010. V. 49, N 8. P. 1434–1445.
28. Шефер О.В. Особенности матрицы экстинкции для преимущественно ориентированных пластинчатых кристаллов // Изв. вузов. Физика. 2012. Т. 55, № 5. С. 40–48.
29. Shefer O. Numerical study of extinction of visible and infrared radiation transformed by preferentially oriented plate crystals // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2013. V. 117. P. 104–113.
30. McFarquhar G.M., Hsieh T.-L., Freer M., Mascio J., Jewett B.F. The characterization of ice hydrometeor gamma size distributions as volumes in N₀–l–m phase space: Implications for microphysical process modeling // J. Atmos. Sci. 2015. V. 72, N 2. P. 892–909.
31.  Шефер О.В. Энергетические и поляризационные особенности ослабления видимого и ближнего ИК-диапазонов длин волн крупными кристаллами // Изв. вузов. Физика. 2014. Т. 57, № 10. С. 61–68.
32. Shefer O. Extinction of radiant energy by large atmospheric crystals with different shapes// J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2016. V. 178. P. 350–360.
33. Shefer O. Numerical study of influence of different dispersed components of crystal cloud on transmission of radiant energy // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2017. V. 201. P. 148–155.
34. Tsang L., Kong J.A., Shin R.T. Theory of microwave remote sensing. New York: Wiley, 1985. 632 p.
35. Ван де Хюльст Г. Рассеяние света малыми частицами. М.: Изд-во иностр. лит-ры, 1961. 536 с.
36. Кустова Н.В., Боровой А.Г. Метод теневых функций в ореольном рассеянии // Оптика атмосф. и океана. 2006. Т. 19, № 10. С. 865–871.
37. Auer A.H., Veal D.L. The dimension of ice crystals in natural clouds // J. Atmos. Sci. 1970. V. 29. P. 311–317.
38. Mitchell D.L. A model predicting the evolution of ice particle size spectra and radiative properties of cirrus clouds. Part 1. Microphysics // J. Atmos. Sci. 1994. V. 51. P. 797–816.