Рассеяние электромагнитного излучения сферическими полидисперсными частицами - Дейрменджан Д.
Скачать (прямая ссылка):
114
Теория рассеяния света
Рассмотренные примеры позволяют определить величину градиентов яркости в ореоле для дайной модели распределения аэрозоля по размерам. Как указывалось ранее [161, маша первоначальная попытка использовать дифракционное приближение для расчета рассеяния под малыми углами 110] привела к ошибке, так как в компонентах Р,м и Р2м был опущен множитель 4л. Поэтому значение градиента яркости около 0--О° оказалось завышенным. Если провести новый расчет яркости околосолнечного ореола с использованием того же метода, но более точных кривых, приведенных на рис. 23, то можно получить более реалистичную картину: более плавно изменяющийся градиент яркости вблизи края солнечного диска и большие угловые размеры ореола. Эти результаты лучше согласуются с даннымифотометрических наблюдений.
На рис. 24 приведены примеры элементов матрицы рассеяния, которые, вероятно, типичны для стратосферного воздуха на высоте 20 км.
Значения релеевского коэффициента р?ас на этом уровне при А—0,450 и 0,700мкм взяты равными 1,87- 10_:i иО,295-10~3 км*1 соответственно 169]. Компонента Ми выбрана так, что|3^ас составляет 0,1 от соответствующей величины в модели Н для силикатных частиц (табл. Т.102 и Т. 103). Заметим, что концентрация, равная 10 частицам на 1 см?, является довольно большой для обычных стратосферных условий. Такая величина концентрации больше соответствует слоям вулканической пыли, которые приводят к возникновению аномальных сумеречных явлений. Видно, что даже при таком распределении, практически не включающем частицы с радиусом больше 0,5 мкм, наблюдается значительный ореоль-ный эффект. Стратосферные вариации яркости естественного ореола в зависимости от высоты h были обнаружены в результате прекрасных экспериментов Ньюкирка и Эдди [70], выполненных с аэростата.
Рис. 23 и 24 указывают на неоднородности в рассеивающих свойствах, которые встречаются в реальной безоблачной атмосфере в самые ясные дни вдали от источников атмосферного загрязнения. Таким образом, при решении прямой задачи атмосферной оптики, видимо, не остается иного иути, как использовать полную матрицу рассеяния для каждого слоя в перемешанной атмосфере, а затем проводить интегрирование по высоте. Поэтому метод, предложенный ван де Хюлстом 171], вероятно, является в зтом отношении наилучшим. С другой стороны, решение обратных задач становится более трудным из-за необходимости учитывать большее число независимых переменных, таких, как отношение смеси, распределение частиц по размерам, оптические константы аэрозолей н их высотная стратификация. Для получения единственного решения необходимо учитывать все переменные величины, доступные наблюдению, как при диффузном отражении, так и при диффузном пропускании излучения. Секера [721 рассмотрел некоторые из этих задач в связи со спутниковыми измерениями солнечного излучения, отраженного земной атмосферой. Не вызывает сомнения, что некоторые модели функций рассеяния, представленные в книге и ха-
а ' 6
Рис. 23. Значения элементов интенсивности Р1(0)/4л и Р3(0)/4п матрицы рассеяния для атмосферного воздуха на уровне моря и модели водной дымки L в случае неноля-ризованного падающего излучения. Для сравнения чисто релеевский случай показан тонкими штриховыми кривыми. Указанные значения Ррас соответствуют композиционным моделям. Расчетные точки соединены непрерывными кривыми, а-------------------PJ4п,
—--------—Р2/4д, ах=1, ^-—0,45 мкм, (5рас-~0,0732 км~ , 6 — А,—0,70 мкм,
РРас= 0-0435 км'1.
Рис. 24. То же, что на рис. 23, но для атмосферного воздуха на уровне 20 /ш,содержащего 10 силикатных частиц в 1 см3 (модель Н). В этом случае заметно большое отличие интенсивности и поляризации от релеевской модели. ах-=1, ------------------ Pi/4n,
--------Р2/4л. а — X—0,45, Ррас- 0,00478 юи-‘; 6 — Х=0,70, Ррас= 0,00236 км~\
8*
116
Теория рассеяния света
растеризующие возможные распределения аэрозоля, будут очень полезны для правильного выбора решений как прямой, так н обратной задач.
Сделаем теперь несколько замечаний относительно эффектов поляризации. В США в течение нескольких лет Секера и его сотрудники [18, 41, 73] проводили детальные измерения поляризации солнечного излучения при безоблачном небе. В СССР подобные исследования проводили Розенберг и другие ученые [74] *). Сравнение полученных экспериментальных данных с результатами теоретических расчетов для релеевской модели показало значительное несоответствие в степени поляризации, в положениях максимумов и нейтральных точек поляризации, а также зависимости их от длины волны. Поляризации диффузноотраженного света не наблюдалось на уровне верхней границы атмосферы. Этот факт должен привести (благодаря сильному отражению излучения от земной поверхности) к еще большему расхождению с релеевской моделью, что было показано, например, Фрезером [751.
Из рассмотрения кривых рис. 23 и 24 следует, что присутствие аэрозоля должно существенно влиять на общую картину поляризации. В случае многократного рассеяния и наличия отражения от подстилающей поверхности анализ влияния аэрозоля на различные параметры поляризации вне области ореола не является таким простым. Здесь мы не можем детально рассмотреть все эффекты поляризации. Тем не менее ясно, что для того, чтобы подробно проанализировать влияние аэрозолей, требуется некоторая совокупность элементов полной матрицы рассеяния для каждой аэрозольной модели. Например, из представленных здесь данных вытекает, что в результате рассеяния света в замутненной атмосфере появляется эллиптически поляризованное излучение. Но этот эффект должен быть довольно слабым, во-первых, потому, что однократное рассеяние солнечного излучения на частицах Ми не приводит к какой-либо эллиптической поляризации, а во-вторых, даже при наличии многократного рассеяния параметры эллиптичности Я3(0) и Я4(0) для воздуха значительно уменьшаются за счет релеевской компоненты, входящей в (106). Эти и другие соображения показывают, что эллиптическая поляризация в безоблачной атмосфере должна быть наибольшей в красной области спектра, в поздние сумерки и при определенных углах рассеяния.
