2
СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ...........................................................5
ГЛАВА I. ТЕОРИЯ ПЕРЕНОСА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
В СРЕДАХ, СОДЕРЖАЩИХ ЧАСТИЦЫ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ
1.1. Параметры Стокса и векторное уравнение переноса электромагнитного излучения в дисперсной рассеивающей среде...............18
1.2. Характеристики взаимодействия излучения с дисперсной средой..25
1.3. Метод взаимодействующих диполей Парселла - Пеннипакера.......30
1.4. Обобщенная модель поляризуемости дипольной ячейки в методе
взаимодействующих диполей....................................35
ГЛАВА 2. РАСПРОСТРАНЕНИЕ МИКРОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
В СУХИХ СНЕГОПАДАХ
2.1. Постановка задачи распространения электромагнитного излучения
в снегопадах на приземных трассах прямой видимости...........45
2.2. Решение задачи когерентного распространения микроволнового
излучения в слое снегопада...................................51
2.2.1. Моделирование микрофизических параметров снежных хлопьев...51
2.2.2. Сечения ослабления снежных кластеров.......................54
2.2.3. Коэффициент ослабления микроволнового излучения в сухих снегопадах........................................................58
2.3. Формализм эффективной частицы и пределы его применимости для
описания рассеивающих свойств снежных хлопьев в миллиметровом диапазоне длин волн.....................................70
2.4. Модифицированная теория эффективной среды и модифицированный
формализм эффективной частицы, учитывающий эффекты внутри-кластерного рассеяния........................................76
3
ГЛАВА 3. ЭФФЕКТЫ МНОГОКРАТНОГО РАССЕЯНИЯ ПРИ РАСПРОСТРАНЕНИИ МИКРОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ВО ВЛАЖНЫХ И МОКРЫХ СНЕГОПАДАХ
3.1. Постановка задачи распространения микроволновог о излучения во влажных и мокрых снегопадах.........................................82
3.2. Решение задачи когерентного распространения микроволнового излучения в мокрых снегопадах.......................................86
3.2.1. Эффективная диэлектрической проницаемости снежных кластеров 87
3.2.2. Распределения частиц мокрых снегопадов по размерам.................90
3.2.3. Коэффициент ослабления микроволнового излучения в мокрых снегопадах..........................................................93
3.3. Решение уравнения переноса электромагнитного излучения в среде из эффективных сферических частиц.....................................100
3.4. Эффекты многократного рассеяния при распространении микроволнового излучения в мокрых снегопадах.................................110
ГЛАВА 4. РАССЕЯНИЕ И ПОЛЯРИЗАЦИЯ ТЕПЛОВОГ О МИКРОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ОБЛАЧНОЙ АТМОСФЕРЫ
4.1. Физическая постановка задачи распространения теплового микроволнового излучения в облачной атмосфере.............................126
4.2. Решение векторного уравнения переноса микроволнового излучения
в смешанных облаках.............................................129
4.3. Физические механизмы формирования поляризации теплового микроволнового излучения облачной атмосферы.....................135
4.4. Поляризационные характеристики теплового микроволнового излучения облачной атмосферы....................................140
4.5. Результаты экспериментальных исследований поляризации теплового излучения облачной атмосферы и их сравнение с теорией.. Л 52
4
ГЛАВА 5. ЭФФЕКТЫ МНОГОКРАТНОГО РАССЕЯНИЯ В ЗАДАЧАХ РАДИОМЕТРИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ОБЛАЧНОЙ АТМОСФЕРЫ
5.1. Физические принципы и методы радиометрического определения интегральной водности жидкокапельных облаков и их температуры 162
5.2. Определение водозапаса мелкокапельной фракции дождевых облаков
с учетом эффектов многократного рассеяния на каплях дождя....166
5.3. Экспериментальные исследования динамики интегральной водности переохлажденной воды в дождевых облаках и влияния эффектов многократного рассеяния на точность ее определения...........172
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................177
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................................181
5
ВВЕДЕНИЕ
Характеристики распространяющегося в атмосфере радиоизлучения, взаимодействующего с частицами облаков и осадков, содержат полезную информацию о параметрах этих частиц и физических процессах, сопровождающих их образование, рост и исчезновение. Эта информация служит инструментом дистанционной диагностики состояния окружающей среды и в настоящее время успешно используется в радиофизических методах атмосферных исследований, получивших широкое распространение с развитием радиолокации и радиометрии [1,2]. Среди дистанционных методов зондирования радиофизические методы имеют существенные преимущества, связанные с возможностью получения информации в любое время суток и практически при любых метеорологических условиях. По принципу действия радиофизические методы подразделяются на активные (радиолокационные, лидарные) и пассивные (обычно называемые радиометрическими или радиотеплолокационными). Радиометрические методы зондирования основаны на приеме собственного теплового излучения среды исследования и на взаимосвязи характеристик этого излучения (ослабление, интенсивность, поляризация, толщина скин-слоя и т.д.) с физическими параметрами среды. При этом чувствительность радиохарактеристик к изменениям отдельных параметров существенно различается по спектру. Использование нескольких (наиболее чувствительных) спектральных участков микроволнового (А,=1м\н-10см) диапазона дает возможность определения целого ряда физических параметров атмосферы[1,2,6]. Первые работы по радиофизическим методам исследования атмосферы относятся к 50-м годам [3,4]. В настоящее время указанным вопросам посвящена весьма обширная литература, ссылки на которую можно найти в монографиях[2,5-7], обзоре[8] и трудах конференций по радиометеорологий 1, 9, 10].
6
Степень достоверности информации, получаемой из измерения и анализа характеристик электромагнитного излучения, зависит не только от технических возможностей соответствующей аппаратуры, но в значительной мере также и от адекватности используемой физической модели и рассматриваемого явления. Это обстоятельство предъявляет жесткие требования к качеству используемых методик интерпретации получаемых данных. Наибольшие трудности при этом, как известно[6-8], возникают при рассмотрении эффектов многократного рассеяния, поляризации излучения, и формы рассеивающих частиц. Учет перечисленных факторов являлся приоритетной задачей при интерпретации данных, полученных в ходе изучения того или иного атмосферного явления радиофизическими методами в данной работе.
Условно все теоретические подходы к анализу явлений, сопровождающих распространение радиоволн в облаках и осадках, обычно делятся на две группы. К первой относят методы, базирующиеся на учете эффектов однократного взаимодействия излучения с атмосферными частицами, а ко второй - методы, учитывающие эффекты многократного рассеяния в срсдс распространения. Границы применимости тою и другого подхода обсуждаются в монографии А.Исимару [5]. Реализация первого подхода сводится к вычислению поперечных сечений ослабления, рассеяния и поглощения воли отдельной частицей, которые получают либо из решения соответствующей дифракционной задачи с использованием строгой теории Максвелла (в случае частиц простейших форм), либо с использованием приближенных методов (в случае частиц сложной формы и структуры), в основе которых, как правило, снова таки лежит волновая теория. Обзор современных методов вычисления рассеивающих свойств одиночных частиц различной формы содержится в работах [6-8, 11-13]. Заметим, что в силу крайней ограниченности и неполноты наших знаний относительно характеристик рассеяния и поляризации волн частицами несферической
7
формы, фундаментальные исследования таковых важны уже сами по себе, вне всякой связи с приложениями.
Реализация второго подхода, т.е. количественное описание эффектов многократного рассеяния поляризованного электромагнитного излучения в дисперсной среде, дается векторным уравнением переноса [5-7], методам решения которою посвящены многочисленные работы и монографии [5-7, 14-16]. Подчеркнем, что оба перечисленных подхода тесно связаны друг с другом, поскольку характеристики взаимодействия волны и частицы, полученные в приближении однократного рассеяния, являются исходными данными при решении уравнения переноса. Заметим, что хотя указанное уравнение довольно давно используется для интерпретации результатов экспериментальных наблюдений, существенный прогресс в его решении с учетом поляризации распространяющегося излучения, а также сложной формы и наличия преимущественной ориентации рассеивающих частиц был достигнут буквально в последние годы [5-7,17-19], чему в немалой степени способствовало стремительное развитие вычислительной техники.
При рассмотрении задач в настоящей работе были использованы оба вышеупомянутых подхода. Рассеивающие свойства одиночных частиц вычислялись с использованием теории Ми[20-22] (для сферических частиц), метода Г-матрицы [6,7] (для сфероидов), и метода взаимодействующих диполей Парселла-Пеннипаксра[23-26] (для частиц сложной формы и структуры). Подчеркнем, что никаких ограничений на величину параметра дифракции частиц (х = лГУХ,, где О-характерный линейный размер частицы, X-длина волны распространяющегося излучения) при этом априори не налагаюсь. При решении векторного уравнения переноса в настоящей работе в большинстве случаев использовался метод дискретных ординат Гаусса[5,6], позволяющий учесть все кратности рассеяния распространяющегося в среде излучения. В ряде задач, где указанный метод реализовать не удаюсь,
использовалось приближенное решение уравнение переноса, полученное в нулевом порядке теории многократною рассеяния[6].
Основными целями диссертационной работы являются:
построение теоретической модели распространения волн микроволнового излучения в снегопадах с учетом сложной формы и структуры снежных хлопьев;
- исследование явления поляризации теплового микроволнового излучения облачной атмосферы в отсутствие осадков, обусловленного рассеянием атмосферного излучения на ледяных кристаллах облаков различной формы;
- исследование эффектов многократного рассеяния в задачах радиометрического определения водозапаса мелкокапельной фракции дождевых облаков.
Все вышеперечисленное можно отнести к проблеме распространения и рассеяния поляризованного микроволнового излучения в среде, содержащей частицы сложной формы и структуры. Список нерешенных задач в этой области весьма велик, что, на наш взгляд, связано главным образом, с чрезвычайно большими трудностями, возникающими при описании рассеивающих характеристик несферических частиц[7,11-13].
Научная нови3!»а работы
Предложена модель распространения миллиметровых волн в сухих снегопадах умеренной интенсивности на приземных трассах прямой видимости, учитывающая реальную кластерную структуру снежных хлопьев.
Определены границы применимости традиционного формализма эффективной сферической частицы в задачах распространения миллиметровых волн в снегопадах. Показано, что использование этого
9
формализма ограничено длинноволновой частью миллиметрового диапазона, а в диапазоне коротких миллиметровых волн приводит к значительному (в 1,5-5-2 раза) уменьшению точности при вычислении характеристик распространяющегося излучения. Предложены модификации формализма эффективной частицы, учитывающие внутрикластерное рассеяние и расширяющие частотный диапазон его применимости па область коротких миллиметровых волн.
На основе формализма эффективных сферических частиц в области его применимости решена задача распространения поляризованного радиоизлучения во влажных и мокрых снегопадах в режиме многократного рассеяния без априорных ограничений на параметр размера частиц. Получены все основные характеристики распространения излучения и установлена их связь с микрофизическими параметрами снегопадов.
Обнаружено явление поляризации собственного теплового микроволнового излучения облачной (без осадков) атмосферы, обусловленное эффектами рассеяния излучения на ледяных облачных кристаллах. Решена задача переноса поляризованного микроволнового излучения в плоскослоистой среде, содержащей рассеивающую составляющую (ледяные кристаллы сфероидальной формы), и поглощающую компоненту (сферические капли воды) с учетом эффектов многократного рассеяния без всяких ограничений на параметры размера частиц. Решение указанной задачи явилось основой при интерпретации обнаруженного явления поляризации теплового микроволнового излучения облачной атмосферы.
Решена задача совместного радиолокационно-радиометрического определения водозапаса мелкокапельной фракции дождевых облаков с учетом эффектов многократного рассеяния в дожде. На основе ее решения исследована пространственно-временная зависимость водозапаса дождевых облаков от интенсивности осадков.
10
Практическая значимость работы
Предложенная автором работы модель распространения миллиметрового излучения в снегопадах[27-31] может быть использована для прогнозирования условий распространения электромагнитных волн в атмосфере при наличии осадков. Полученные на ее основе результаты хороню согласуются с экспериментальными наблюдениями[8,31-35] ослабления миллиметровых радиоволн в снегопадах на трассах прямой видимости.
Разработанные в диссертации теоретические модели переноса поляризованного микроволнового излучения в рассеивающих плоскопараллельных средах, содержащих поглощающую составляющую в виде мелкокапельной воды, были использованы при интерпретации результатов радиометрического зондирования облачных систем и, в частности, при интерпретации обнаруженной поляризации теплового микроволнового излучения облачной атмосферы в отсутствие осадков[36-38] и для совместного радиолокационно - радиометрического определения водозапаса дождевых облаков с учетом эффектов многократного рассеяния на каплях дождя[39,40]. Разработанные модели могут найти применение в метеорологии и физике атмосферы, а также могут оказаться полезными при оценках величины ослабления и помех, вносимых в поляризационные каналы на линиях связи Земля-спутник.
Положения, выносимые на защиту
1. Предложено выражение для диэлектрической поляризуемости дипольной ячейки в методе взаимодействующих диполей Парселла-Пеннипакера, обобщающее ранее использованную формулу Кпаузиуса-Моссотти, и позволяющее расширить диапазон применимости указанного метода на
II
большие значения параметров размера рассеивающих частиц сложной формы.
2. Решена задача распространения миллиметровых волн в сухих снегопадах умеренной интенсивности, учитывающая реальную кластерную форму снежных хлопьев и внутрикластерное рассеяние. На ее основе получена частотная зависимость коэффициента ослабления радиоволн сухими снегопадами в миллиметровом диапазоне длин волн и предложена соответствующая аппроксимационная формула. Показано, что использование формализма эффективной сферической частицы в задачах распространения миллиметровых волн в снегопадах на частотах у>100ГТц приводит к существенно заниженным (в 1,5-5-2 раза) значениям коэффициента ослабления. Предложены модификации формализма эффективной частицы, учитывающие эффекты внутри кластерного рассеяния, и расширяющие частотный диапазон его применимости в коротковолновую область.
3. Разработана модель распространения поляризованного радиоизлучения во влажных и мокрых снегопадах в области применимости формализма эффективной сферической частицы с учетом эффектов многократного рассеяния и на ее основе получены основные характеристики распространения миллиметровых волн в зависимости от микрофизичсских параметров снегопада, толщины его слоя и частоты падающей волны.
4. Решена задача распространения теплового микроволнового излучения в смешанных облаках, содержащих рассеивающую компоненту (ледяные кристаллы) и поглощающую составляющую (фракция мелкокапельиой переохлажденной воды) с учетом всех кратностей рассеяния без ограничений на параметры размера частиц. Установлено, что основным физическим механизмом формирования поляризационного контраста теплового микроволнового излучения облачной атмосферы без осадков
12
является рассеяние фонового (атмосферного и поверхностного) излучения на кристаллической фракции облаков.
5. Решена задача совместного радиолокационно-радиометрического определения водозапаса мелкокапельной фракции дождевых облаков с учетом эффектов многократного рассеяния в дожде. Показано, что учет эффектов многократного рассеяния приводит к повышению точности определения водозапаса облаков в 1,5 раза при интенсивностях дождя ~5-И0мм/час.
Апробация работы и публикации
Основные результаты работы отражены в 22 публикациях [27-31,36-40,50,77-79,112,113,150-154,176], доложены на IV Всесоюзной школе по распространению миллиметровых и субмиллиметро вы х волн в атмосфере (Н. Новгород, 1991 г.), на XVII Всесоюзной конференции по распространению радиоволн ( Ульяновск, 1993 г.), представлены на Международном симпозиуме «Физика и техника миллиметровых и субмиллиметровых волн» ( Харьков, 1994 г.), Международном симпозиуме «ЮАЯ88194» (Пасадина, США, 1994г.), Международном симпозиуме «ГСА1188'95» (Флоренция, Италия, 1995г.), на Генеральной Ассамблее «1Ж81'96» (Лиль, Франция, 1996г.), доложены на XVIII Всесоюзной конференции по распространению радиоволн (Санкт-Петербург, 1996 г.), представлены на Международной Конференции по математическим методам в электромагнитной теории (Харьков, Украина, 1998 г.), на Международном Симпозиуме «Физика и техника миллиметровых и субмиллиметровых волн» (Харьков, Украина, 1998г.), на 7-ой Международной Крымской Микроволновой Конференции (Севастополь, 1997г.), на 8-ой Международной Крымской Микроволновой Конференции (Севастополь, 1998г.), доложены на XIX Всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн» (Казань, 1999 г.), на Научной конференции
13
«Применение дистанционных радиофизических методов в исследованиях природной среды» (Муром, 1999 г.), Международном Симпозиуме Стран СНГ «Атмосферная радиация» (Санкт-Петербург, 1999г.), Международном Симпозиуме по математическим методам в электромагнитной теории (Харьков, Украина, 2000 г.), доложены на Международном Симпозиуме «Current Problems in Atmospheric Radiation», (Санкт-Петербург, 2000 г.), представлены на 13 Международной конференции по физике облаков и осадков (Рено, США, 2000), доложены на Региональном научном семинаре «Распространение микроволн в природных средах», (Нижний Новгород, 2000 г.), на Пятой научной конференции по радиофизике, посвященной 100-летию со дня рождения A.A. Андронова (Нижний Новгород, 7 мая, 2001 г).
О личном вкладе автора в проведенных исследованиях
Все теоретические результаты, представленные в диссертации, и выносимые на защиту, получены автором. Для апробации теоретических результатов, полученных в гл.2 и 3 диссертации, были использованы экспериментальные результаты, полученные коллективом сотрудников НИРФИ под руководством к.ф.-м.н. Н.И.Фурашова. Результаты экспериментальных исследований, использованные в гл.4 и 5, получены коллективом сотрудников НИРФИ под руководством д.ф.-м.н. А.В.Троицкого, часть из которых в сотрудничестве с Центральной Аэрологической Обсерваторией и Meteorological Serv ice of Canada.
Структура и краткое содержание работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, содержит 198 страниц текста, 41 рисунка, 3 таблиц и список из 182 библиографических наименований. Общий объем работы - 198 страниц.
14
В главе 1 приведены общие сведения из теории распространения электромагнитного излучения в однородной среде, содержащей случайным образом распределенные частицы произвольной формы, и изложен метод расчета рассеивающих характеристик частиц сложной формы и структуры. Разделы 1.1 и 1.2 носят справочно-обзорный характер. В разделе 1.3 содержится описание метода взаимодействующих диполей Парсслла-Пеннипакера, использованного для расчетов характеристик рассеяния частиц сложной формы и структуры. В разделе 1.4 предложено выражение для диэлектрической поляризуемости дипольной ячейки, обобщающее ранее использованную формулу Клаузиуса-Моссотти. Показано, что предложенная обобщенная поляризуемость существенно увеличивает точность вычисления характеристик рассеяния частиц в режиме резонанса.
Основные результаты исследований изложены в 4-х последующих главах, каждая из которых содержит постановку задачи, описание конкретного метода ее решения, результаты расчетов и их сопоставление с экспериментом.
В главе 2 представлена модель распространения миллиметровых волн в сухих снегопадах на трассах прямой видимости, учитывающая реальную кластерную структуру снежных хлопьев и вну три клас терное рассеяние. Раздел 2.1 содержит физическую постановку соответствующей задачи. Решение задачи и результаты решения представлены в разделе 2.2. В подразделе 2.2.1 приведены сведения о микрофизичсских параметрах частиц снегопадов и описан алгоритм моделирования снежных хлопьев. Вычисления средних поперечников ослабления снежинок с учетом внутрикластерного рассеяния выполнены в подразделе 2.2.2, а коэффициента ослабления миллиметровых радиоволн в сухих снегопадах - в подразделе 2.2.3, где получены соответствующие анпроксимационные формулы для зависимости коэффициента погонного ослабления от интенсивности снегопада и частоты. Модель эффективной сферической частицы и границы сс применимости
15
обсуждаются в разделе 2.3. Здесь же приводятся основные результаты, полученные автором работы по этой проблеме. В разделе 2.4 предложено обобщение традиционно используемого формализма эффективной частицы на основе модифицированной теории эффективной среды, позволяющей учитывать эффекты многократного рассеяния на деталях внутренней структуры частиц.
В главе 3 формализм эффективной сферической частицы использован
для решения задачи распространения поляризованного излучения
миллиметрового диапазона во влажных и мокрых снегопадах с учетом эффектов многократного рассеяния. Раздел 3.1 содержит постановку соответствующей задачи. В разделе 3.2 получено ее решение в приближении когерентного распространения. В подразделе 3.2.1 обсуждается способ вычисления диэлектрических параметров мокрых снежинок, принятый в формализме эффективной частицы, а подраздел 3.2.2 посвящен получению распределений частиц мокрых снегопадов на основе известных
распределений для частицеухих снегопадов и вычислению в подразделе 3.2.3 с их помощью коэффициентов ослабления миллиметровых волн в мокрых снегопадах. Здесь же проводится сопоставление теоретически полученных значений указанных коэффициентов с известными из литературы данными измерений ослабления миллиметровых волн в снегопадах на трассах прямой видимости. В разделе 3.3 приведено решение уравнения переноса
поляризованного излучения в среде из эффективных сферических частиц. Характеристики распространения волн миллиметрового диапазона в мокрых снегопадах, обусловленные эффектами многократного рассеяния, обсуждаются в заключительном разделе 3.4.
Глава 4 посвящена исследованию явления поляризации собственного теплового излучения облачной атмосферы в отсутствие осадков. Физическая постановка соответствующей задачи дается в разделе 4.1 указанной главы. Решение уравнения переноса поляризованного микроволнового излучения в
16
облачной атмосфере получено в разделе 4.2. В следующем разделе 4.3 обсуждаются физические механизмы формирования поляризационных контрастов. Результаты теоретических исследований, полученные на основе принятой модели, помещены в раздел 4.4, где исследуется влияние удельной ледности, водности, формы и характерного размера кристаллов льда в облаках на угловой спектр поляризационных контрастов теплового излучения облачной атмосферы. Здесь же исследуется влияние характерного размера кристаллических частиц на величину и угловую зависимость поляризационных характеристик теплового излучения. В разделе 4.5 проведено сравнение теоретических результатов с результатами экспериментальных измерений характеристик поляризации теплового излучения облачной атмосферы и сформулированы основные выводы.
В главе 5 рассмотрены эффекты многократною рассеяния микроволнового излучения атмосферы в задачах дистанционного зондирования облаков. В разделе 5.1 излагаются физические принципы и методы радиометрического определения интегральной водности облаков в отсутствие дождя. Теоретическая модель для определение водозапаса дождевых облаков с учетом эффектов многократного рассеяния на дождевых каплях представлена в разделе 5.2, и, наконец, конкретные результаты исследования динамики водозапаса облачных систем, и ее связи с интенсивностью осадков, полученные на основе данной модели, содержится в разделе 5.3. Здесь же обсуждается влияние многократного рассеяния теплового микроволнового излучения в дождях на точность совместного (радиометрического и радиолокационного) дистанционного определения водозапаса облаков, состоящих из мелкокапельной воды.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы.
Работа выполнена при частичной поддержке Российского Фонда фундаментальных исследований (гранты №96-02-16519, №00-02-16037, №00-
17
05-64527) и Минобразования России (грант № Е00-3.5-31). Значительная часть работы выполнена в рамках Межотраслевой научно-технической программы «Физика микроволн» (1995-2001).
Автор глубоко признателен проф. А.П. Наумову за постоянное внимание и поддержку работы, д.ф.-м.н. A.B. Троицкому за плодотворное научное сотрудничество и обсуждение материалов работы и к.ф.-м.н. Н.И. Фурашову за предоставленные данные экспериментальных измерений характеристик распространения миллиметровых волн в снегопадах и обсуждение полученных результатов. Автор благодарен также к.ф.-м.н. Н.Н.Ошариной за ценные советы и замечания, сделанные по ходу выполнения и оформления работы.
- Київ+380960830922