Фактор несферичности в светорассеянии аэрозольной компоненты атмосферы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАЩГОЯ Ш1С

СИБИРСКОЙ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ОПТИКИ АТМОСФЕРЫ

Нз правах рукописи

РОМАНОВ ДШРШ НИКОЛАЕВИЧ

ФАКТОР НЕСФБРИЧЮСТИ В СВЕТОРАССЕЯНИИ АЭР0Э02ЫШ ЮШШПН АТШСФЕРН.

специальность 01.04.05 - Оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-ыатеыатичэскиг наук

ТОМСК - 1935

Работа выполнена и Институт«-' олпсш ашэс^еры СО РАК Изучний рукооодэто.яь: дсапор физко-йатеиатичооаа наук

Ггшагаа F.í>

0$шмальше ошзиенш; доктор ^излко-иатейатичосюаг ¡щук

Сйаогвапов И.В

доктор физико-иатеиатическ&с наук Лукин В.П

Ведущая организация: Институт биофизикп СО РАН. г. Красноярск

Взщгга диссе;тации состоится "О 'cMjXJ>ÍTÍCí 19Э5г в_час._шт.

на заседании диссертационного созета Д 200.33.01 по защите диссертаций кз соискание ученой стелена. доктора наук в Институте оптику. атыосфора U0 РАН (S3<".055, г. Тсаск. пр. Академический 1)

С диссертацией иоз® ознаксшться б библиотеке Института оптики ariioci'epu 03 РАН

Авторе^с-рат разослан цывлри 1s35 г

Ученьа секретарь диссертацимшого

соната :санд. fin.-uar. наук Верстеншссов В.В.

* «

актуальность том

Знание закономерностей изменения рассеивавших и поглодавши свойств аэрозолей носферичсской форцы необходимо для разработки иетодов дистанционной кшжзнии состояния атмосферы. определения концентрации и характерных разыерез частиц. основанных на изаеро-

интенсивности £5 поляризационных- характеристик рассеянного излучения .

Значительную долэ в составе аэрозольной компоненты атмосфера облачных образовали* составляют ледянка кристаллы. Рассеянна лэ-дяньыи кристаллами оказывает существенное влияние на распространение солнечного излучения з атаесфере и радиационный баланс систены Зеыля-атцосфера. Влияние перистой облачности на радиационный баланс системы Зеыля-агыосфера изучено еще недостаточно. Это, объясняется тем, что перистая облачность сосредоточена в верхней тропосфере и полупрозрачна как для солнечного так и теплового излучения. Более того, перистые облака состоят исключительно из несферическкх ледяных кристаллов', свегорассеяваюшге свойства которых в спектре как солнечного, так и инфракрасного излучения еиэ слабо изучены.

2отя аты^сферные образования включзот в себя различные виды кристаллоз. тем не целее значительнуи чзсть среда ша С в процентном отношении) состазлязт столбчатые ледяные кристаллы. Ориентация столбчатых частиц, ввиду иг аэрояинаничесгасс свойств, является очень чувствительной к распространению воздушных потоков. Ориентацию ансамбля тачкх »истиц можно однозначно связать с вапрззлениез движения воздуышх цзсс. Определение наирззяеняя распространения атмосферных воздушных ыасс имеет ваыгае значение в задачах краткосрочного и долгосрочного прогнозов погоды, а такзэ в навигации.

- При лазерном поляризационной зондировали! наиболее полная информация о шшрофкзичеезеих параметрах рассеивающей среды содержится в измеренной матрице рассеяния света. Поэтоиу актуальной задачей на тркущий момент является разработка таких моделей рассеяния на

потяясперсшх лолиориентированниг ансамблях несферических частиц, которые с одной стороны достаточно ааекватни реально протекавши проивссаы. а с другой - не требуют слишком больших затрат машинного времени для расчета характеристик светорассеяния. сссгояяе есгрсса ®

Сорзла частиц кидкокалельного облака бли.ка к сферической. Поэтому угловое распределите характеристик светорассеяния нидкокапе-льных облаков цозет быть точно описано теорией рассеяния Ыи при наличии алриордай няфорцаши о раеггределешш водяных сфер по раз-ыераа. С поллениад нового поколения персональных ЭВМ и разработкой устойчивкх алгорктыов рзечетов по Фориулза Ии. заоача рассеяния поляризованного света на вотмх сферах иогет считаться полностью репейной.

Ледяшшэ облака, в противоположность шякокапельти. отлпчают-ся больиш цногообрззиеа Фору чэстнц. Описание рассеяния поляризованного света зпки чэстицши становится очень слогнш вследствие нг «асферичности л зозниь'авиг-й в связи с этим проблемы ориентации чзстзга в пространстве. Взвевенша з атмосфере ледяные кристаллы могут зызть пракауивствекнун оркеэтзизи как в спсхо.чпой ятыосфере при свободной паявши. так и под воздействием внешних факторов (устойчивые возлукше потоки, турбуленгвоз перевешивание). Разнообразна структуры кристаллических облаков обуславливает в свои очередь разнообразие в ориентации частиц. что суиественно затрудняет и без того слогнув проблему исследования оптических свойств зристаяличаскях облаков. Поэтому ледяные кристаллические облака яредегозлязт собой чзстнка случай оптически анизотропной среды, для которой угловое распределение характеристик1 светорассеяния зависит от направления освещения среды и от плоскости наблюдения, т.е. от двух углов рассеяния: полярного угла е и азимутального *>.

В данной работе рассматривается ыодели светорассеяния на эдезаблях вытянутых цилиндрических частиц. Е хотя формы столбчатых

Г '

кристаллов существенно отличны от цилиндров (в большинстве своей ош! етеот гексагональнув форцу). но для исследования основных законаиоршетей обратного светорассеяния такой выбор вполне физически оправдан. тис как главные различия в рассеивающих свойствах незду цилиндрами и гексагональкдаи столбиками имеются в области углов гало и радуга. Приемлемость модели конечных шлиндров обусловлена оно я теы. что столбча-уе кристаллы шет. как правило, большие разыеры вдоль главной оси и поэтому ориентируются в атмосфере своей осью около плоскости горизонта, а вокруг оси равномерно. Так ае следует отыетиь, что иногда встречавтся облака, состоящие преимущественно из игольчзтвх кристаллоз, форма которых еще более близка к цилиндрической.

Существуют другие метода решения задачи светорассеяния на столбчатых кристаллах, такие например как, иотоя расширенного граничного условия и метод геометрической оптики в сочетании с физической теории дифракции. Существенны,! недостатков первого метода яв-лется то, что он требует большого времени счета для достаточно крупных частиц, недостатком ае второго шляотся то. что он применим при рассмотрении светорассеяния только на очень крупных кристаллах. Поэтому в настоящее вреия иневтся расчетные соотношения всех элементов матрицы рассеягшя, выполните с поиощью этих методов, в основной лишь для хаотически ориентированных ансамблей частиц и без учета полидисггорсдосгн. Однако в реальных условиях, как показывают результаты измерений, кристаллические облака большей частью состоят из ориентированных ледяных кристалле».

цепи работы н задачи иеетшжавдя

- разработка и создание оптической ¡¿¡одели рассеяния света на вытянутых цилиндрических частицах для исследования основных закономерностей светорассеяния на полидисперсных полиориентированных ансамблях этих частиц;

- теоретическое исследование влияния основных шясрофизическкх параметров ансамблей цилиндрических частиц С размер, ориентация, комплексный показатель преломления ) на локационные характеристики светорассеяния;

- исследование влияния степени хаотичности ориентации осей вытянутых шлиндричесшх частиц в пространстве на угловой ход элементов приведенной иатрипы рассеяния света:

- разработка иетодаки определения угла и степени преимущественной ориентации относительно плоскости референции осей вытянутых осеси-иаетричных частиц по двднш поляри-л-шонного лазерного зондирования.

НАУЧНАЯ I ¡СВОЗИЛ РЕЗУЛЬТАТОВ

- реализован алгоритм расчета характеристик светорассеяния на бесконечной цш--шдре с применением нисходящей рекурсии и ыетода бесконечных цепных дробей, что позволило существенно повысить' устойчивость алгоритма вычисления параметров светорассеяния как на крупных. так я сильнопоглошахшх бесконечных цилиндрах;

- создан кшплекс прогршы расчета характеристик светорассеяния на поладисперсныг иояиориентирозаыных ансгыблях цилиндров конечной длины; расчет интегральных характеристик реализован как статистически, таг и с использованиеа квадратур;

- создан комплекс програги расчета характеристик светорассеяния на уверенно несферических частицах с использованием ыетода возиу-иения Форш рассеивателя Ми. исследована сходимость ыетода в зависимости от величины возаущения и числа учитываемых поправок:

- проведено исследование влияния диэлектрических свойств, попере-ного разаера и преимущественной ориентации ансаабля цилиндрических чэ стяга на изменение состояния поляризации лидарного отклика;

- установлено существенное различие в характере углового поведения элеаектов приведенной матрицы рассеяния света ка хаотически и горизонтально ориентированных вытянутых цилиндрических частицах;

-7- предложена ыетодиха огределения угла и стелам преимущественной ориентации относительно плоскости референции осей вытянутых осеси-ыыетричных частиц на основе анализа данных поляризационных лидар-ных измерений. введено понятие величины, характеризующей степень ориентированности ансамбля таких частиц, которая изменяется от О (хаотическая ориентация) до Кстрогая ориентация). осисонке заигашзгеге попозекия

- установлено, что при рассеянии на гоглонэюиих вытянутых цилиндрах, наблюдается сильная зависимость лоях'лионных деполяризующих свойств от ыншой части показателя преломления вещества рассеивающих цилиндрических частиц, прячея эти свойства для поглощающих частиц проявляются когда где р-г»А, » - радиус цилиндра, х - длина волны падавшего излучения: при поглощающие цнлиндриче-кие чэстиш не деполяризуют излучение рассеянное в' обратной направления. т.е. ведут себя как сферические;

' - локационные деполяризующие свойства для прозрачных частиц определяются не столько соотношением незду их наибольшими п наименьший размера,®, а сколько близостью одного из них к области резонансного рассеяшн: при рассеянии из вытянутых пшпндрических прозра-чньз частицах наибольшая деполяризация наблюдается когда их дифракционный параметр по радиусу поперечного сечс-ния легит в интервале 5<р<50, а оси ориентированы в плоскости, состааляюшей угол 45*с плоскостью референция:

- при рассеянии на . вытянутых цилиндрах линейно-поляризованного излучения, наибольшая интенсивность обратного рассеяния наблюдается тогда, когда их оси ориентированы в плоскости, перпендикулярной плоскости поляризашзти и под углом 90* к направлению падающего излучения; состояние поляризации локационного сигнала существенно отличается от исходного, когда их ост ленат в плоскости составляющей угол 45' с плоскостью поляризации я под утлой -45* к направлен!® падающего излучения;

- при поляризационной лазерной зондировании вытянутых кристаллических образований (игадаг, столбики, пульки), на основе анализа структуры ыатрицы обратного рассеяния, возможна индикация угла и степей.! преиыушественяой ориентации относительно базисной плоскости лидара осей вытяаутости этпс частиц;

- на основе анализа углозого поведения приведенных элементов ыат-ршн рассеяния на ансааблях вытянутых шммдричбоаа чзстии. цоано сделать вывод о степени хаотичности ориентация осей этих частиц в пространстве.

1у,уч!!ля и практическая гз!ач!й»сть гезудьтатоз работы

- разработанные алгоритмы численных оценок характеристик светорассеяния даляззтея основой для количественной И качественной интерпретации данных поляризационных лидарнш: измерений с цельв оп-ределегтя шйгтофкэических параметров аэрозолей (распределения по размерам, показателя преломления и со стоймя ориентированности);

- разработанная методика определения угла и степени ориентированности вытянутых частиц открывает новые возыошиости для определения направления и интенсивности атмосферных воздушный потоков. дхггсЁЕИ>аеть «алкьтдтсд обеспечивается теа. что

- развиваемые метода численного моделирования базируются на выводах строгой теории дийракши электромагнитных волн;

- посгойШШ соглзсос&иса подученных чйсяенных оценок с экспе-риаентасыши даяныш И а-ШОГИЧйЫМЯ результатами. полученныш друпшя авторши.

дпровиш рвзультлтоз. Основные результаты, представленные в диссертации. докладывались на л* С1387, Красноярск) Всесоюзной симпозиуме по расйросранешвз лазерного излучения, V (1991. Тоаск) Совещании по атмосферной оптике, х» (1392, Томск) Симпозиуме по лазерному и акустическоыу зондирования атыосферы, (1993, Тоаск) Межреспубликанской симпозиуме по распространении лазерного излучения в атыосфере и водных средах и изложены в публикациях / 1-7 /.

Методика определения угла и степени преиыуществешюй ориентации апробировалась на основе данных поляризационного зондирования, прозодгакх на станции высотного зондирования ИОЛ СО РАН. и данных лабораторных измерений, представленных в работе: йзэ. ¿11 СССР ">AisO 1S8S т. 23 N 13 с. 12SS - 1232. структура и cebsi рдесш

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения» изложенных нз 111 страницах цашинописного текста, списка литературы. содеркащэго 73 нзиыековаяия. содержит ч таблицы и 16 рисункоз.

ссщдаеакие раштц вэ вродоиии обоскозыэается актуальность тшы исследования и излагается состояние вопроса, ставятся цель и основные задачи исследования. раскрывается научная нозизнэ и практическая ценность работы, фориулйрувтся основные полозеная выносиныэ нэ защиту.

в порг-cn гдаво дан краткий обзор результатов исследований ея-кроструктура атыосферных кристаллических образований. Здесь дается общая характеристика форм и разиеров ледяных кристаллов в облаках. Отмечается, что по дакнш никрофизических и оптическш: исследований никроструктура' кристаллических облаков, ледяные кристаллы отличаются широнжа икогообрэзиеы Форы и размеров. При этой фориа частиц зависит а перзув очередь ■ от температуры и влажности воздуха. Наиболее распространенной форкой ледяных кристаллов язляется гексагональная: столбики и пластинки. Обычно дианетр столбиков составляет десятки шшрсиетров. а длина - от десятков до тысяч'нихроиэтров.

Рассмотрены основные факторы, определяя!®» ориентацию кристаллических чзстш при свободной падении о атмосфере. Стнечзотся. что ориентация вытянутых стодбчзтнх и игольчатых кристаллов. ввиду их аэродинамических свойств, в значительной степени связана с интенсивностью и направлением распространения воздушных потоков. Подчеркивается. что з силу особенностей светорассеяния нз ориентиро-

ваше выткнула: сТолбЧат&х кристаллах, данное поляризационных дидарных измерений яалшгся кнфсраатйвньин для диагностики процессов протекавшее в верхних слоях атыосферы.

tso торой г-яагзо определены основные элементы теории рассеяния света на частицах произвольной Фораы. Даны определения матрицы рассешия свете СМРС) для «истиц произвольной и осескшетричной Фориа.

Для отдельного тела вращения С сфероид, бесконечный цилиндр), как прайШ». вводится понятие ьатршы рассеяния отличное от общепринятого, ввиду того, что задачу светорассеяния удобнее ревать в ctîcrtate координат. связанной с осьз вращения. Для корректности будеа называть ее патрицей преобразования. параметров Стокса ШППЗ). 0тл1чие еа от MPC заключается б тоа. что МПШ связывает параметра Стокса падз-свего излучения, олределяеьше отйОсз^бльйо плоскости содерЕааей папразленке падения и ось в радения чзсткцы. с параметрами Стокса рассеянного излучения, определяемые относительно плоскости содернзией направление рассеяния и ось врааения истицы. Элементы ЖЮС выразавтея через элементы еатйгудней матрицы аналогичный образш. как и для lîPC.

Для далучйш MPC совокупности ориентированны чэстШ (тел вращения) следовательно необходимо преобразовать МШЮ в MPC, для кандой отдельной частицы, а затеи ях просуыиирозать по всеиу аисаибла.

Fjœ. S Геометрия рэссеяяия иа на кроизкоиьнэ о;рм о; ггкрею&ю îom теле ^уздамия.

Рассмотрим эту процедуру га примере круговых шлиняров конечной длины СКИКЯ).

Ориентация цилиндра. т.е. направление его ост оошетрии задается полярными углааи Сз системе координат *yz. связанной с направление!! падающего излучения (£"'созпвдзет с осьв = ). Характеристики рассеянного поля для бесконечного цилиндра (как результат решения краевой задачи) еырагзются в системе координат и'у'г" (рис. 1) связанной с циляндроа. у которого ось синыетрш совпадает с осьз г *. а волновой вектор > пздаяшэго излучения лоези в плоскости «'г' и составляет угол & с осью Угол « -осью и проекцией оси щотдадрз т плоскость «у- Вектор рассеянного поля шеет произвольное вапразлениэ задаваемое полярными угла'вх <?'.»>', Тогда в этой сисгеде координат выражения для шплитуяшх , фукщЯ рэссеянля т конечной цилиндре здатенваотея в вяло:

njie'.O'.fi.a.l ) - fii'-ces tf )] .Т^Ср'.Л.а ), CI)

iyjS Tj a) - эЛеНИГШ СМГОЯТуЛЯОЙ натршщ для бесконечного шлиндра. ?" = 1,2,з,4; a if - радиус и длдаа цилиндра; ЕС« ) = si п (я у>; - функция Котелмшкова»

Элементы ВДТС f*tJ вырзизются через еншитудные функции ^C*>J = 1,2,з,4) аналогичнш образен как я для катрдаы рассеяния. Состояние поляриризагш падающего езэта задается относительно плоскости .

Тогда МРС одного произвольно ориентированного цилиндра в системе координат относительно плоскости будет иметь вид:

2Св,рр.сt./J.aW)-UC-r) , С2)

г до l (-JT э-чдтрица лрооСразссашта гаргметров Стокса при врашении плоскости референции пз угол х по часовой стрелке, если смотреть вдоль направления распространения водны:

S

«-с-*)

о

о о

СОГ.2* -sin2;t si п2х cas2x

О

О

(3)

г (с tB,i ) - матрица преобразований параметров Стокса в системе

ЯООрДИНЗ-Г х'у'г' .

Для дрчной ориентации (,а.Р) цчлиняра углы в* -г в уравнении £25 иогут бить выраяены через углы е.Р

СО£0Г •> COS0- cos/î+si П0- Sin/3'COS <C-f>o) « COSf>*=[ CDS0-sini)-SinG-CUS/î-CCS(c<-f>o )}/±sinf>'. COSr=I CDS/J-'iiniî-Sin/J-CDCe-COSCa-p^JÏ /isinô'.

C4>

где в последних дэух случаях знак плюс берется при о<о-^о<гт1 8 шнус при "<a-f>l><2".

Рассмотрим MPC для полдасперсного ансамбля цилиндров. ориентация осей которых задается восозой функцией .Б этоа случзе усредненная MPC для произвольно оринтированных частиц козет быть получадз шгегрирозгшен элементов 1СРС по всем ориентации и разаероа:

ая и Jfj^j,

2(G»Ç>0 )«—• J X J ) n(a,i)3in/»iV3d«iadJ. (S)

° " V.

гда n<a,jj - функция плотности распределения частиц по разаераы.

В реальных измерениях поляризационных характеристик светорассеяния плоскость рассеяния определяется условиями эксперимента. Для обратного рассеяния - базисной плоскостью лидарз. т.е. плоскость» относительно которой заоается состояние поляризации излучения. Поэтому в дальнейшее дня удобства в качестве плоскости рассеяния будем выбирать плоскость р0 * о и называть ее плоскостью референция. Поскольку КЦКД иыеэт плоасость зеркальной аашетрик перпендикулярную оси вращения то во всех последующих вычислениях

I 1

досгаточно ограничиться диапазоном изменения угла «от 0 до п. При этих соглашениях уравнения (S) будут иыеть следующий вид:

собв*= COS0-COS/3 sino-sin/3-cosa;

если cDsa'ji i то

coSf>'= si gn (cosa-sir>/J — si пЭ • eos/? • eosa),

cosy = signfeos/?-slr>0 - 5irV?-cos£-cosa); (S)

инэчэ

ccsj>' = (coíí- cln/7-sína-cosp-cosa ) / 1 - cos20'\ саъу = (cos/J-sín3-sirV5-CD50-cosa ) / У 1 - cas2O' .

Все угловые переменные фигурирующие п выражениях (6) изменяются от О до л и поэтому синусы от них определяются однозначно.

Для обратного рзссеяшя и рассеяния вперед все формулы преобразования элементов МРС в плоскость референции иыеэт более простой вид и поэтому для сокращения вычислений и уиеньиения накопления ошибок желательно для этих случаев теть отдельные расчетные алгоритмы.

При ®=п шееы:

CQS0* = -COS/3, CDS^>" = — I, COSy = COSCI, в' « П-ft,

2 (П,О,a,ft.a, J )= L(-a) Р(П-0.П,а,1 ) t-C~a) . (7)

При 0=0 инеем:

coso* = cosр, cosp* = 1, cosí' = -cosa, О' = f), 2(0.0,0,0.3,0» L(e) F(p.0.a,l) L(-a) . (8)

Во второй параграфе рассмотрены самые, распространенные uoz su решения задач в теории светорассеяния на несферических частицах: ыетод разделения переменных Сдля вытянутых и слласяутых сфероидов). кет од Т- ыатриц, нетод геометрической оптики в сочетании с физической теории дифракции. Указаны достоинства и недостатки каждого иетода. а такие условия и граничные параметры их принениности. .

В § 2.Э представлен алгоритм расчета оптичестшх характеристик светорассеяния по аэтоду возмущения фораы рзссеивателя Ми (&5РМ).

Показшо. что переход от общепринятого в теории рассеяния базиса векторных сферических гараошк и», (.линейно поляризованного) представления электромагнитных полей к базису ср (циркулярно поляризованного) представления, а та:-гяе разложение функций вознущения формы в ряд по комплексный сферическим функциш. позволяет, благодаря развитому иатеыатическсыу аппарату квантовой теории углового моыента. аналитически вычислять все интегралы, входящие в вкранения для коэффициентов парциальных волн. Проанализирован характер сходимости рассчитываемых с пшощыо этого ыетода оптических величин, а так ае приведены элементы ыатриш рассеяния света на отдельной возмущенной частице.

В § 2.4 детально изложены алгоритиы расчета оптических характернее ес рассеяния света на бесконечной и конечной цилиндрах, с использованием методологии бесконечных цепных дробей, и на ансамблях ориентированных шшводьхческих частиц.

Тро-гья гласа поскпкена аНЭЛЙЗУ рвзулЬТЭТОЭ ЦОДеЛЬНЫХ РЗСЧЭТОО

характеристик светорассеяния на ансамблях вытянутых щлиндричешд частиц. В & 3.1 . для проверки правильности работы алгоритма, представ хеш результаты сразнения эленетов матрицы рассеяния для 53-отически ориентированных цилиндров конечной с аналогичный! данньвд для равнообъенных хаотически ориентированных вытянуткх сферовдев, Показано,что поведение углового рассеяния на случайно ориенргйрЭ= вашых вытянутых цилиндрах и сфероидах имеет много сходства, щ®" чей это сходство увеличивается с ростом внтянутостн частиц, § своем отличии от светорассеквапщих свойств сферических частиц в¡¿тянутые сфироиды все же блияо к ним,- чен цилиндры элементы натринм рассеяния последних обнаруживают большую аналогии с данный« экспериментальных измерений для хаотически ориеетиропаннн» кубических и пластинчатых частиц.

В & 3.2 представлены результаты надельных расчетов исследора-шя влияния ориентации осей щлшадрических частщ относительно па-

f

прзвлеша падашего излучения на характер углового поведения элементов иатржш рассеяния. Предполагалось, что вокруг направления падающего излучения, оси частиц ориентированы равномерно. Вычисления значений элементов MPC по формуле (S) проводились статистически. т. е. с использованием метода Монте-Карло. Сходимость интеграла оценивалась на основе числен-ых оценок. Распределение по радиусу поперечного сечения моделировалось логнормзльныы со среднегеометрическими радиусами

г„- 1 и rn- S »к», и стандартны* отклонешш 0.5. Длина

цилиндра вычислялась по формуле:

(9)

где л=2.о7, £=1.07?. распределение по углу а коделировалось равномерный. Распределение же по углу fi, характеризующее разброс осей цилиндрических 'истиц от горизонтальной плоскости, ноделфовалось равномерным в интервале V2 - ьр < р < яг/2 *■ ьр. Для обеих характерных размеров было рассмотрено пять типов ориентация по углу fi: ¿/»-О (кривая 1. рис.2), А^-З* (2). (3). ¿Р-20* С4).

/J-рзвноыерно (5). Все расчеты выполнены для длины волны пздающг-о

Рис. г У1мюпьгэ заЕксигасти индикатрисы рассеяния л зленента Ряг/Ри для -rs хдиляяяроэ с г = G дом il разлитой сто-

голш ориент»!рсоз»аюсти Jfx осоя оЧксзситалько иапреалога»! пгз-

излучния Х-1.0Б •«« и показатепя преломления для льда » = 1.299 * * Нормированная фэзовая функция и элеыент НРС рм^ч» в

случае г.- 5 представлены на рис. 2.

Проведенные расчеты показывают что, ориентированность осей вытянутых цилиндрических частиц относительно направления падающего излучения оказывает существенное влияние на оптические характеристики рассеянного света. Особенно ярко эти отличия в светорассеивавщих свойствах проявляются для двух граничных типов ориентированности: адсаибли хаотически-ориентированных цилиндров Стал 1) и ансамбли аналогичных по разиераи цилиндров. оси которых равномерно ориентированы в плоскости, перпендикулярной направлении падающего излучения С тип 2). Б частности аксаабли птэ 1 обладает значительно болыивш деполяризующая свойствами в случзэ поляризованного падавшего излучения чей ансамбля типа 2. В сеоа очередь ансамбли типа 2 обладают значительно больший • поляляризувщими свойствами в случае неиодярйзоззшого падающего излучения чем ансамбли типа 1. Интенсивность света рассеянного о обратной нанрвлении на ансамблях типа 2 ш порядка больяэ чей на ансамблях типа 1.

Чотоертая г-лдза пасвтама ИССЛеДОЗШШ йзченчиаости ОПТ1псоло-

кавдонных характеристик кристаллически оШшоз в зазшаюсти от их никрофизических и диэлектрических параметров, а от угла

преимущественной ориентации осей вытянутостй столбчатых кристаллов относительно базисной плоскости дидара.

Специфика формирования фазового состава облаков верхнего яруса помимо сложной ыгутреннен корфологии частиц, предполагает фородфо-ваше в них кристаллических аэрозольных структур, шоввда сущест-ве-Ш'У отличия по форне от сфер н, как счедствце, оптическую анизотропию. В связи с эткы ряд оптических эффектов аэрозольного со сто-рассеяния. возникаюадас. например, при взаимодействии излучения с

перистьг.ш облахаьп, не шгут быть интерпретированы в райках моделей, основанных ка теории 'А?. В § <4.1 - -3.3 на основе приближения для конечных цилиндров, полученного для дальней зоны но точному решению для бесконечного цилиндра в ближней, выполнен анализ светорассеиваюдах свойств облаков верхнего яруса с учетом фастора несферичности. Подробно изучены закондаерности Филирования лидарного отклика для линейг ~ голяризяванпого зондирующего излучения от перистых облаков. На основе модешшг оценок подробно рассмотрен ¡.опрос о влиянии фактора преимущественной ориентации цилиндрических частиц на изменение состояния поляризации лидарного отклика (параметров Стокса).

На рис.3 представлены результата расчетов компонент

I

0.10

0.03

0.00

0.1

10

Я 1.0

э.о

-0.5

0.1

, 1

10

0.3 -

—— г.&гэ ..сзон V • - - г.¿го -.оаон <хкмыг.гоо -.ояз <

-o.es < 0.6 ■

0.1 -0.4 -0.9

0.1

10

Рис. 3 Кзманедвю значения юэкпонеит Екжтор-гсзрамотра Стикса рзсоаялисгх» наоаа излучения пр«1 увеличении модального радиуса спенгггха 5г .

- 18в ектор-параметра Стокса рассеянного назад излучения для полидксперсной csieai ледяных иголок конечной длины с ыодальнкш радг!усаш. изменящтшся ri от 0.1 до 16 ш и шириной спектра о = 0.1 и 0.5. Отношение длины цилиндра к радиусу поперечного сечения моделировалось равномерно распределенный в интервале 15-101 ; распределение по углу fi Сиеаду направлением падающего излучения и осью цилиндра) предполагалось нормальным с ^з-ЭСГ и °*lCf ; угол a Сыекду плоскостьи рассеяния и плоскостью содержащей направление падающего излучения и ось цилиндра) полагался разнш 45". Кривая 1 для длины волны >>= I.OSkkh, а=1.299-10"3-'; с=0.1; 2 ->-=1.05 мка, Я - 1.299-10"3i ; С- 0.5; 3-х -Ю.6 ыкм. >=- 2.2 - 0.093'i; с-0.1; 4 - .1.06 ЫКМ. » - 1.91 - 0.G8--Î ; С - О. 1. из которых следует, характер проявления деполяризующих свойств сложным образоа зависит как от распределения частиц по размерам, так и оптических постоянных. Возыонны варианты, когда ' ансшбль существенно несферических частиц обладает деполяризукщш евоЯст^аии при рассеянии назад, очень близкши к ®5ШйШШ0!!У ансамблю сферических частиц. Поведение кривых 1, 3 на рис, 1.6 показывает, что деполяризующие свойства для вытянут го; прозрачны? частиц определяются не столько соотношением ыезду наибольшим и наименьшим характерными (аэродинамического сечения ) размерами частиц, сколько близостью одного из них к кетер8алу резонансного рассеяния.

Кроме того,следует откатить, что при азимутальной симметрии распределения осей вытянутости, мелкие частицц при увеличении мнимой части КПП начинают существевдо деполяризовывзть исходное излучаете. При наличии же преимущественной ориентации деполяризация заметно уменьшается, но в то же время происходит существенная переполяризация исходного состоять (нздриЩ*. линейной в злиптическуа ).

На основе проведенных ыадедькиг рае<ЩШ можно сделать вывод, что наиболее сущестеешюе изменена© еоаошш шдяркзащш докацк-

онного сигнала относительно исходного. наблюдается, когда одновременно выполняются следующие условия:

- частицы являются прозрачными;

- поперечные размеры цилиндров лежат в резонансной интервале рассеяния;

- оси цилиндров леаат в плоскости сог-авляицей угол 45*с плоскостью референции.

В § 4.3 представлена ыетодика определения угла и степени преимущественной ориентации горизонтально ориентированных вытянутых осесшыетричных частиц на основе данных поляризационных лида-рных измерений, выполненных под углоа 30" к горизонтальной плоскости. В параграфе представлены результаты анализа влияния фактора преимущественной ориентации осесимметричных вытянутых частиц (ОВЧ) п формирование патрицы обратного рассеяштя СМОР). На основе анализа соотношений между элементами МОР показана возможность диагностики угла и степени преимущественной ориентации ОВЧ.

Покг-зано, что для ансамблей горизонтально ориентированных ОВЧ /»=90*(иголки, сфероиды, эллипсоиды, гексагональные столбики), т.е. иыеюших плоскость зеркальной симметрии, перпендикулярную оси син-иетрии и равнонерно ориентированных по углу вращения вокруг этой оси, матрица обратного рассеяния имеет вид:

О i-Bcos2a -i-Bsin2a О

рс«„ >

.(10)

1 • ВСОБ2С. \ros4a -1 ^^ п4а 1 • 5з1 п2о

> о 2 2 2 о 22 о 1 о

1Вз1п2а 1 )+1 (5+Ё ^озЛс. -1 ■ Юсоб2Я

* о ж 2 о 2 2 2 о» о

О 1 -¡>51 п2а I • 5со52а С

1 О 1 о

где й, 0, Е, 5 только функции от г и ^ и не зависят от <*0 - угла преимущественной ориентации цилиндров Срис. 4).

При этой ориентация частиц по углу « описывается распределением Мизеса: (11) где 1ое< >- модифицированная функкцня Бесселя нулевого порядка;

- га-

Ч

ОС

• X

г

■^хР \

Ч\ ХлчЧ чхХ 1 У 1<Р=а

k<s>

Рис. 4 Геоиотрия оергэтног-о рассеяния на горизонтальна ориогггиро-ванной Еьлттутой частица

ЧС^^^Ск)/10<К); 1гск>=1г(ку1оск}: W аналогичные i0C*0 функции Бесселя первого рода соответственно первого я второго порядков.

Из СЮ) лепсо устанавливаются следующие расчетные соотношения

иеэду элементами КОР и параметрами «0 и >;. р

- р = р - р гг ** ээ

ctg 2«

ctg 2а = -

э«

24

тт Згг 7я

1 1 £ 44 v a

2 P

i , Ck )=-

i c. * O,

2'

(13) (Ш Cl-O

CIS)

(Р * р ) 31п4а 11 11 «< о

Соотношение С12) ыозет служить критериев правильности измерения КОР. причем, это можно показать не только для вытянутых частиц, но

1 э

(Р + Р )

4 22 33 У

и для произвольной фориы. Соотношения (13) позволяют оценить угол преимущественной ориентации частиц, а (14),(15) степень ориентированности частиц.

Проведено детальное сравнение полученных расчетных соотношений с результатами лабораторных измерений, представленных в в работе: изв. а); ссср та 1ззб т. 22 м 12 с. 1295 - 1292,

В хонце параграфа приведены )ьраяения для ыатриц обратного рассеяния, соответствующих наиболее характерным углаы лретшущест-векной ориентации.

Таким образом, выполненный анализ показывает, что несмотря на то, что ориенташокная анизотропия несферических чзстиц ыокет приводить к существенным вариациям параметров арозолыюго светорассеяния. все же используя свойства КОР Свзчиьшоо соотношение элеыен-этов), при целенаправленной натурном эксперименте возможна достаточно уверенная индикация состояния и степени прешуыествеиюй ориентации ОВЧ.

в зэхлюче«»« суммируются основные результаты и выводы работы в целом и обсуждается перспективные направления дальнейших исследований оптико-локационных свойств ледяных кристаллов и атмосферных аэрозолей методом численного моделирования кз ЭВМ.

СО-ЮВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ

1. Роташоз Д.Н. Ясенев В.й. К числешой реализации кетода возау-щения форма рассеивателя Ми. //Взаимодействие излучения с дисперсными средами: Сборник статей. Томск. ТФ СО АН СССР. 1938. 104 с.

2. Рахимов Р.Ф. Рсчашов Д.Н. Модельные оценки матрицы рассеяния полшшсперсной и полиориентирозэнной системой цилиндрических чзстиц. //Оптика атмосферы 1991, т.4, м ,7, с. 685-630.

3. Рахимов Р.Ф. Рстзшв Д.Н. Исследование влияния ориентации аэрозольных чзстш на локационные характеристики светорассеяния. // Оптика атмосферы 1991, т. 4, » 10, с. 1011-101Б.

-224. Вааеноз O.E. Касьянов Б.И. Ромашов Д.Н. Влияние шасрофизичес-ких паршетров облаков та радиационное характеристики разорванной облачности. // Оптика атмосферы и океана 1932. т.5. n 3, с. 232-233.

5. Райков Р.Ф. Романов Д.Н. Влияние ориентации, диэлектрически свойств и поперечного размера частиц на деполяризации лидар-ного сигнала. //Оптика атмосферы и океана 1932. т.5. N S. с. 451-4SS.

6. Ромаиоз Д.Н. Раизмов Р.Ф. Определение ориентации осесишет-ричных вытянутых частиц по данкьа поляризационного зондироза-ния //Оптика атмосферы и океана 1933. т.Б. rl 8. с. 891-893.

7. Ромашов Д.Н. Рахшгов Р.Ф. Влияние ориентированности вытянутых ледяных частиц относителыш;горизонтальной плоскости на характеристики светорассеяния /ДЗптика атмосферы и океана 1S94. т.7, N 3. с. 28S-292.

Фо; мат 60*84 1/10. Объем 1,25 печ. л. Заказ 3. Тираж 100 экз.

Малоо продп чятио 'Полиграфист' С34055, Тоыск—55, пр. Ахадоыичоский, 2/8