Комбинирование методов геометрической и физической оптики для расчета рассеяния света на атмосферных ледяных кристаллах в задачах лидарного зондирования

Лазерное зондирование кристаллических облаков представляет собой сложную задачу дистанционного зондирования из-за трудностей интерпретации лидарного сигнала. Эти трудности связаны с необходимостью решения фундаментальной проблемы рассеяния света на ледяных кристаллах, составляющих такие облака. Точные численные методы слишком ресурсоемки и неприменимы для частиц крупнее 30 мкм, которые преобладают в облаках. Приближенные методы имеют свои ограничения: геометрическая оптика (ГО) работает быстро, но не дает корректных решений в областях прямого и обратного рассеяния, а также для мелких фракций кристаллов. Физическая оптика (ФО) точнее, но требует значительно больше вычислительных мощностей. Также для учета многократного рассеяния в оптически плотных облаках необходимо решение задачи рассеяния света во всем диапазоне углов рассеяния.
В докладе предлагается комбинированный подход, использующий методы геометрической и физической оптики, для расчета рассеяния света на атмосферных ледяных кристаллах в задачах лидарного зондирования. Данный подход позволит использовать плюсы двух методов для эффективного расчета результатов для решения задач рассеяния света во всем диапазоне углов.
Методами ГО и ФО рассчитаны элементы матрицы Мюллера для гексагональных столбиков и произвольной формы, на длинах волн 0.532 мкм и 2.13 мкм с учетом и без мнимой части показателя преломления.
Предложенная комбинация методов ГО и ФО позволяет существенно ускорить расчеты рассеяния на несферических частицах. Полученные результаты и установленные границы применимости методов в дальнейшем могут быть применены для разработки новых алгоритмов интерпретации данных лидарного зондирования кристаллических облаков.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 25-17-00087, https://rscf.ru/project/25-17-00087/