Оптическая модель перистых облаков для интерпретации данных космических лидаров

Активное дистанционное зондирование атмосферы и подстилающей поверхности Земли с помощью космических лидаров обеспечивает более высокое пространственное разрешение, недоступное пассивным и радиолокационным системам. Такая концепция позволяет оперативно и непрерывно получать более полные и детальные сведения о различных характеристиках атмосферы.
В настоящее время исследование атмосферы поляризационными лидарами космического базирования имеет уже долгую историю. В мае 2024 года Европейское космическое агентство совместно с Японским агентством аэрокосмических исследований произвело запуск спутника EarthCARE [1], на котором установлен лидар высокого спектрального разрешения ATLID. Данная спутниковая миссия призвана заменить CALIPSO [2], который успешно проработал на орбите в период с 2006 по 2023 год. Утвержденная в 2023 году концепция Российской орбитальной станции, также предполагает установку на станции поляризационного лидара отечественной разработки. В связи с чем, возникает необходимость в проработке методологии и алгоритмов интерпретации получаемой отечественным лидаром информации.
Как известно, интерпретация лидарных сигналов основана на решении прямой задачи рассеяния света. Для корректной интерпретации получаемых лидарных данных разрабатываемого российского космического лидара необходимо иметь адекватную оптическую модель атмосферного аэрозоля и перистых облаков.
Поскольку перистые облака состоят из ледяных кристаллических частиц несферической формы размерам от десятков до тысяч микрон, что существенно отличается от частиц атмосферного аэрозоля, для которых размер как правило не превышает 10-15 микрон, а также от жидко-капельных облаков, для которых существуют стандартные методы расчетов, то для построения оптической модели перистых облаков необходима разработка и применение оригинальных собственных методов и подходов.
Однако существующие космические лидары существенно отличаются как по высоте орбиты, так и по величине приемной апертуры и характеристикам используемого лазера, что делает невозможным использование существующих оптических моделей для лидара Российской орбитальной станции.
Разработка оптической модели перистых облаков, подходящей для интерпретации данных конкретного космического лидара, требует построение базы данных матриц обратного рассеяния света, созданной как с учетом технических характеристик лидара (угла поля зрения, используемых длин волн, каналов поляризации и т.д.) так и с учетом многообразия микрофизических характеристик перистых облаков – размеров и форм кристаллов, их пространственной ориентации и концентрации, показателя преломления и т.д.
Именно поэтому в докладе представлена концепция оптической модели перистых облаков, необходимой для интерпретации данных лидара Российской орбитальной станции. Немаловажным достоинством работы является возможность эмпирической проверки теоретической модели на основе данных наземных поляризационных лидарных наблюдений, проводимых на лидарной станции ЛОЗА-М3 ИОА СО РАН [3].
Своевременное создание оптической модели перистых облаков позволит вовремя сформулировать необходимые предложения по техническим характеристикам космического лидара и внести соответствующие изменения в конструкцию лидара для его максимально эффективного использования.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 25-77-10053, https://rscf.ru/project/25-77-10053/.