Особенности переноса лазерного излучения в двухслойной облачности от лидаров спутникового базирования

Наблюдение за атмосферой Земли с помощью приборов, установленных на спутниках, позволяет оперативно и в глобальном масштабе исследовать ее состояние для решения различных мониторинговых, метеорологических и климатологических задач. Дистанционное зондирование на основе лазерных источников позволяет получать более полную и детальную информацию о характеристиках атмосферы по сравнению с пассивными измерительными системами и является эффективным способом определения оптических и микрофизических свойств рассеивающих сред. В частности, лидары спутникового базирования позволяют получать глобальное распределение вертикальной структуры перистых облаков. Эффективность интерпретации данных лазерного зондирования, в свою очередь, зависит от качества обработки и точности воспроизведения измеряемых характеристик аналитическими, полуаналитическими или численными методами. Если бы принимаемый эхо-сигнал был сформирован исключительно однократно рассеянным излучением на кристаллах льда, то определение характеристик зондируемой среды не представляло бы большой сложности. Однако распространение лазерного излучения в рассеивающей среде сопровождается появлением в обратном сигнале фона многократного рассеяния, который при решении обратных задач рассматривается как помеха. Существующие приближенные методы коррекции сигнала от фона многократного рассеяния весьма ограничены. Таким образом, при обработке данных лидарного зондирования перистых облаков следует принимать во внимание границы применимости приближения однократного рассеяния и, при необходимости, учитывать в лидарном сигнале потоки энергии более высоких кратностей рассеяния.
Данная работа направлена на поиск потенциальных ситуаций, когда пренебрежение кратностью рассеяния может привести к большим погрешностям определения оптико-микроструктурных свойств облаков. Для решения нестационарного уравнения переноса в работе используется оригинальная реализация метода Монте-Карло. Помимо суммарного эхо-сигнала вычисляются и все его компоненты, соответствующие разным кратностям рассеяния. Обсуждаются особенности распространения лазерного излучения от лидара спутникового базирования в атмосфере со сплошной облачностью. Рассмотрены случаи однослойной (перистые облака) и двухслойной (высокослоистые облака, кристаллическая и жидкокапельная облачность) облачности. Акцент в работе сделан на изучение закономерностей изменения вкладов многократного рассеяния в суммарный эхо-сигнал в зависимости от различных параметров (высота орбиты космического аппарата, расходимость излучения, угол поля зрения приемника, оптические характеристики облаков и высота их нижней границы). В расчетах использованы разнообразные модели индикатрис рассеяния излучения ледяными частицами, полученные методами как геометрической, так и физической оптики.
Установлено, что имеется зависимость между вкладом многократного рассеяния в суммарный эхо-сигнал от перистых облаков и размером ледяных частиц. Изменение фона многократного рассеяния при изменении формы кристаллов также присутствует, однако вывести строгую закономерность такого изменения не представляется возможным без учета поляризации излучения. Показано, что при наличии двухслойной перистой облачности доля многократно рассеянного излучения в нижележащем слое значительна даже при невысокой оптической толщине обоих слоев и существенно возрастает при увеличении оптической плотности вышележащего облака. Эти и другие особенности распространения лазерного излучения в двухслойной облачности рассматриваются в докладе более подробно.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-27-00719, https://rscf.ru/project/22-27-00719/.