Поляризационные характеристики (параметры Стокса) собственного и рассеянного СВЧ излучения в дожде тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ



РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ

Загорин Геннадий Кузьмич

Поляризационные характеристики (параметры Стокса) собственного и рассеянного СВЧ излучения в дожде

01.04.03 - Радиофизика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

На правах рукописи

Научные руководители-д.ф.-м.н. профессор Б.Г. Кутуза, д.т.н. профессор A.B. Соколов.

Москва - 1998

стр.

Введение 5

Глава 1. Обзор экспериментальных и теоретических исследований поляризационных свойств микроволнового излучения дождей. 19

1.1. Результаты измерений поляризационных характеристик нисходящего радиотеплового излучения дождя. 22

1.2. Поляризационные свойства СВЧ излучения Солнца, рассеянного каплями дождя. 32

1.3. Результаты спутниковых наблюдений поляризованного СВЧ излучения системы «атмосфера с дождем над подстилающей поверхностью». 34

1.4. Данные о поляризации теплового СВЧ излучения различных типов подстилающих поверхностей. 47

1.5. Параметры Стокса радиотеплового излучения. Общие свойства. 52

1.6. Уравнение переноса поляризованного излучения. Общая постановка задачи переноса радиотеплового излучения в системе «атмосфера с дождем над подстилающей поверхностью». 63

1.7. Методы решения задачи дифракции плоской электромагнитной волны на сфероидальной капле. 84

1.8. Обзор теоретических исследований поляризации радиотеплового излучения осадков. 86 Глава 2. Поляризационные свойства нисходящего радиотеплового излучения дождя. 96

2.1. Постановка задачи переноса поляризованного радиотеплового излучения в плоскопараллельной облачной атмосфере

с дождем над подстилающей поверхностью. 96

2.2. Основные свойства поляризованной составляющей нисходящего радиотеплового излучения плоскопараллельного

слоя дождя. 106

Глава 3. Параметры Стокса рассеянного в слое дождя

СВЧ излучения от внешних источников. 110

3.1. Постановка задачи о рассеянии излучения от внешних источников в дожде. Метод решения. 110

3.2. Особенности поляризационной структуры, рассеянного каплями дождя, СВЧ излучения от внешних источников. 113 Глава 4. Поляризационные характеристики восходящего радиотеплового излучения системы «облако с дождем над подстилающей поверхностью». 122

4.1. Общие свойства восходящего излучения системы "облачный слой дождя над подстилающей поверхностью". 122

4.2. Преобразование поляризации восходящего радиотеплового излучения кристаллами облаков. 122

4.3. Методика численного моделирования переноса полнокомпонентного вектора-параметра Стокса радиотеплового излучения цилиндрической ячейки дождя над подстилающей поверхностью. 127 Глава 5. Применения параметров Стокса в СВЧ радиометрии д ождей. 133 5.1. Алгоритмы обнаружения зон осадков. 134

5.2. Алгоритмы восстановления интенсивности дождя. 135

5.3. Возможные применения параметров Стокса нисходящего излучения дождя и восходящего излучения системы "облачная атмосфера с дождем над подстилающей поверхностью". 141 Заключение 142 Список литературы 145

ВВЕДЕНИЕ

Осадки играют весьма важную роль в атмосферных процессах, особенно в зоне внутритропической конвергенции, над океаническими течениями такими, как Эль Ниньё, Гольфстрим, Куросио и пр., в развитии и эволюции фронтальной облачности и тропических циклонов. Они участвуют в цепи последовательных преобразований энергии излучения Солнца и являются одним из главных факторов в гидрологическом цикле на нашей планете. Известно, что средняя мощность энергии излучения Солнца, которая приходится на выпадение осадков, составляет около 1014 Вт, что на порядок выше энергопотребления человечества [1].

Наибольшее количество влаги выпадает в виде дождей. Характерной особенностью осадков является их резко выраженная пространственная и временная неоднородность. Широтное распределение высоты столба воды, выпавшей за год, достигает глобального максимума, равного примерно 2 м на экваторе, и локальных максимумов около 1 м на средних широтах вблизи 43°.

Установлено, что в тропиках объем выпавшей влаги в циклонах и штормах прямо пропорционален количеству скрытого тепла, которое высвобождается при конденсации водяного пара в облаках. Этого тепла достаточно для поддержания наблюдаемой температуры тропосферы на низких широтах, вследствие чего в тропиках дождь может служить индикатором интенсивности энергетического обмена в системе

«подстилающая поверхность - атмосфера», а также характеристикой производства энтропии в атмосферных процессах [1].

Глобальный мониторинг осадков в целях прогноза погоды, урожая и опасных явлений, а также для решения задач экологии, гидрологии, природопользования и климатологии - актуальная проблема дистанционного зондирования окружающей среды. В [2-3] для решения этой проблемы было предложено использовать спутниковую СВЧ - радиометрию. Возможности измерения характеристик осадков из космоса впервые были продемонстрированы в экспериментах на ИСЗ «Космос-243» в 1968 году [4]. Применению радиоволн сантиметрового и миллиметрового диапазонов для этих целей, способствуют те их свойства, что они, в отличие от волн оптического и ИК диапазонов, относительно слабо взаимодействуют с частицами облаков, пыли, молекулами атмосферных газов, а с каплями дождя, напротив, их взаимодействие носит резонансный характер и выражается в интенсивном поглощении и рассеянии энергии волны. Радиофизические приборы активного и пассивного зондирования в настоящее время являются единственным средством, позволяющим получать из космоса информацию о параметрах осадков в глобальном масштабе [5].

Вначале СВЧ - радиометрические наблюдения осадков ограничивались измерениями лишь первого параметра Стокса (I)- интенсивности излучения. Однако, после того как [6] были представлены результаты измерений поляризационной разности радиояркостной температуры собственного нисходящего излучения дождя, была установлена полезность для решения задач дистанционного зондирования окружающей среды измерений и второго параметра Стокса радиотепло-

вого излучения дождя (Q). Успешная эксплуатация СВЧ - радиометрических сканеров космического базирования SMMR (Scanning Multichannel Microwave Radiometer) и SSM/I (Special Sensor Micro-wave/Imager), выполнявших измерения в пяти частотных диапазонах на обеих линейных поляризациях, позволила осуществить дистанционное зондирование осадков в масштабах всей планеты [7-9].

Состояние поляризации излучения, как известно [10], наиболее полно характеризуется четырьмя параметрами Стокса S = {I,Q,U,V} с размерностью интенсивности излучения. Однако, при решении задач радиометрии принимают во внимание то обстоятельство, что в диапазонах сантиметровых и миллиметровых радиоволн выполняется приближение Релея-Джинса, связывающее линейной зависимостью интенсивность излучения I с его яркостной температурой Т: / = 2к,.Т/А2 (здесь: кБ - постоянная Больцмана, "к - длина волны излучения). Это позволяет пользоваться параметрами Стокса с размерностью температуры Т = {т,,тд,ти,ту}.

Уже свыше ста лет они применяются в оптике и астрофизике [11,12]. На информативность третьего и четвертого параметров Стокса при дистанционном зондировании гидрометеоров и подстилающей поверхности средствами СВЧ радиометрии одним из первых обратил внимание L. Tsang [13]. Вероятно, первые измерения третьего параметра Стокса радиотеплового излучения (на частоте 10 ГГц) почвы были доложены в [14]. Важное значение в исследовании поляризационных свойств радиотеплового излучения морской поверхности средствами СВЧ радиометрии, имеют работы сотрудников лаборатории B.C. Этки-

на в ИКИ РАН [15]. Они показали, что измерение первых трех параметров Стокса в миллиметровом и коротковолновой части сантиметрового диапазонов позволяет определять направление и скорость ветра у водной поверхности. Последовавшие за этим интенсивные экспериментальные и теоретические исследования поляризационных свойств собственного излучения морской поверхности, выполненные в России и за рубежом [16,17] привели к более глубокому пониманию механизмов поляризации СВЧ излучения моря. Работы в этом направлении продолжают развиваться.

Приложения параметров Стокса в радиолокации давно и успешно развивает группа исследователей под руководством профессора В. А. Потехина [18]. Двадцать пять лет назад в работе [19] была экспериментально продемонстрирована возможность определения ориентации облачных кристаллов по измеренным значениям третьего параметра Стокса эхо-сигнала лидара.

Следующий шаг на пути более полного получения информации при радиометрических измерениях первых трех параметров Стокса СВЧ-излучения осадков был реализован в аппаратурном СВЧ-радио-метрическом комплексе «Икар», установленном в модуле «Природа» на борту космической станции «Мир» [20]. Панорамные радиометры на волне 2,25 см позволяют измерять яркостную температуру на вертикальной поляризации, разность яркостных температур на вертикальной и горизонтальной поляризациях и угол ориентации эллипса поляризации принимаемого радиотеплового излучения.

Несмотря на несомненные успехи применения параметров Стокса в СВЧ радиометрии и радиолокации, а также огромное число публика-

ций, посвященных исследованию поляризационных свойств радиотеплового излучения системы «облачная атмосфера с дождем над подстилающей поверхностью», тем не менее, до недавнего времени, оставались неизученными третий и четвертый параметры Стокса собственного и рассеянного в дожде излучения. В литературе также отсутствуют сведения о зависимости этих величин от радиофизических характеристик осадков.

Можно предположить, что наряду с обычно измеряемыми, в настоящее время, первым и вторым параметрами Стокса излучения дождя (как и излучения морской поверхности) в миллиметровом диапазоне и коротковолновой части сантиметрового диапазона волн вполне измеримым может быть и третий параметр Стокса. Он интересен тем, что характеризует ориентацию эллипса поляризации принимаемого излучения. Причем, чем сильнее выражена азимутальная асимметрия радиотеплового излучения дождя, тем больше ожидаемое значение третьего параметра Стокса.

Включение третьего параметра Стокса в число измеряемых величин открывает новый независимый канал получения дополнительной информации о структуре и типе облаков и осадков. Естественно можно предположить, что одновременное измерение первых трех параметров Стокса позволит заметно повысить вероятность обнаружения осадков над морской поверхностью и сушей, усовершенствовать алгоритмы восстановления пространственного распределения интенсивности дождя, получать новую информацию об ориентации капель дождя и кристаллов облаков.

Целью диссертационной работы является:

• теоретический анализ основных спектральных и пространственно -угловых зависимостей поляризационных характеристик радиотеплового излучения системы «облачная атмосфера с дождем над подстилающей поверхностью» от параметров моделей облаков, дождя и подстилающей поверхности;

• количественные оценки третьего и четвертого параметров Стокса нисходящего и восходящего излучений дождя и облаков;

• развитие методики численного решения уравнения переноса радиотеплового поляризованного излучения в цилиндрической ячейке дождя над шероховатой подстилающей поверхностью;

• разработка методики расчета поляризационных характеристик рассеянного гидрометеорами СВЧ излучения от внешнего источника мононаправленного излучения.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

• определение условий, при которых возможны измерения третьего параметра Стокса радиотеплового излучения дождя как при наблюдении его с поверхности Земли, так и из околоземного пространства;

• оценки ожидаемых значений четырех параметров Стокса СВЧ излучения Солнца, рассеянного дождем и принимаемого на Земле, в зависимости от частоты излучения и угла наблюдения;

• изучение влияния кристаллов облаков на поляризационные свойства восходящего излучения системы: «облачная атмосфера с дождем над подстилающей поверхностью».

Научная новизна диссертации.

• предложена методика численного моделирования переноса полнокомпонентного вектор-параметра Стокса радиотеплового излучения в цилиндрической ячейке дождя над подстилающей поверхностью, основанная на интегрировании уравнения переноса излучения вдоль характеристик дифференциального оператора переноса;

• получены количественные зависимости третьего и четвертого параметров Стокса нисходящего излучения дождя и рассеянного СВЧ излучения Солнца от частоты излучения, интенсивности дождя, угла наблюдения и параметров микрофизической структуры гидрометеоров;

• разработана методика оценки значений четырех параметров Стокса, рассеянного гидрометеорами радиоизлучения от внешнего источника в плоском однородном слое дождя;

• выполнены оценки искажающего влияния кристаллов облаков на поляризационные характеристики восходящего радиотеплового излучения подстилающей поверхности и дождя.

Достоверность полученных результатов обоснована использованием адекватных геофизических моделей атмосферы, применением апробированных методов численного моделирования переноса поляризованного излучения в осадках, сопоставлением результатов компьютерных расчетов с данными СВЧ радиометрических измерений.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Третий параметр Стокса радиотеплового излучения дождя в диапазоне волн 10-40 ГГц может достигать значений единиц градусов К, что позволяет измерять его существующей СВЧ радиометрической аппаратурой.

2. Методика и результаты решения матричного уравнения переноса для четырех параметров Стокса рассеянного каплями дождя радиотеплового излучения Солнца.

3. В миллиметровом диапазоне волн вклад рассеяния восходящего радиотеплового излучения системы «дождь над подстилающей поверхностью» кристаллическими облаками в третий параметр Стокса может быть сопоставим с вкладом излучения капель дождя.

4. Методика численного моделирования переноса полно-компонентного вектора-параметра Стокса радиотеплового излучения цилиндрической ячейки дождя над подстилающей поверхностью.

5. Результаты корреляционного анализа современных алгоритмов восстановления интенсивности дождя над морской поверхностью по данным измерений аппаратурного комплекса 88М/1.

Научная и практическая ценность полученных результатов состоит в том, что они:

• демонстрируют связь параметров Стокса радиотеплового излучения осадков с параметрами микрофизической структуры дождя и облаков;

• могут быть применены при разработке новых перспективных наземных и бортовых систем дистанционного зондирования осадков;

• позволили развить алгоритмы обнаружения зон осадков и восстановления интенсивности дождя в рамках программы «ПРИРОДА»;

• будут полезны: при изучении эффектов деполяризации радиоволн сантиметрового и миллиметрового диапазонов на наземных и спутниковых линиях связи; при изучении механизмов поляризации теплового (шумоподобного) неполяризованного излучения в экспериментах по распространению такого излучения через толщу облаков и осадков; при анализе информативности третьего и четвертого параметров Стокса эхо-сигнала в (одно- и многопозиционной) радиолокации гидрометеоров.

Личный вклад автора. Результаты, изложенные в диссертации, получены автором самостоятельно или на равных правах с соавторами. Автору принадлежит разработка методики численного моделирования переноса полно-компонентного вектора-параметра Стокса радиотеплового излучения цилиндрической ячейки дождя над подстилающей поверхностью, а также методика и результаты расчета значений четырех параметров Стокса, рассеянного каплями в слое дождя СВЧ излучения от внешних источников. Совместно с соавторами принимал участие в разработке радиофизических моделей гидрометеоров, в анализе и сопоставлении экспериментальных и теоретических данных. Им выполнены численные расчеты и проведена их интерпретация.

Апробация работы. Результаты, представленные в диссертации обсуждались и докладывались на научных семинарах Института радиотехники и электроники РАН, Института космических исследований

РАН, на международных конференциях IGARSS'95 (International Geoscience and Remote Sensing Symposium), 10-14 июля 1995г., Флоренция, Италия; URSI'96 (International Union of Radio Science), 5th Specialist Meeting on Microwave Radiometry and Remote Sensing of the Environment, 4-6 ноября, 1996 г., г. Бостон, США; IGARSS'97, г. Сингапур, 4-8 августа 1997г.; IGARSS'98, 7 июля 1998 г., Сиэтл, США; Third International Kharkov Symposium «Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves Symposium», MSMW'98 13-17 сентября 1998г., г. Харьков, Украина; IX International Wroclaw Symposium on Electromagnetic Compatibility, 28-30 июня 1988 г., Вроцлав, Польша; IX International Conference on IR&MM Waves, 22- 26 октября 1984 г., Такарацу-ка, Япони