КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер 21-77-10089

НазваниеИсследование оптических свойств атмосферных ледяных кристаллов и построение оптической модели перистых облаков

РуководительКоношонкин Александр Владимирович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук, Томская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2021 - 06.2024

Конкурс№61 - Конкурс 2021 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-602 - Диагноз и моделирование климата

Ключевые словаЛазерное зондирование, перистые облака, пространственная ориентация кристаллов, радиационный баланс, сканирующий лидар, мониторинг окружающей среды

Код ГРНТИ29.31.27

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
В настоящий момент развитие целого ряда критически важных научных и практических направлений сдерживается отсутствием решения задачи рассеяния света на частицах перистых облаков. В виду отсутствия достоверного решения задачи рассеяния света, учитывающего большое разнообразие форм атмосферных ледяных кристаллов перистых облаков, а также их пространственную ориентацию, в прикладных, а часто и при фундаментальных исследованиях, используют приблизительные математические модели. Такие модели, несомненно, позволяют описать качественные физические зависимости, но часто приводят к значительным количественным ошибкам. В первую очередь это актуально в задачах моделирования глобального изменения климата и в численных моделях прогноза погоды. Грубые модели перистых облаков вносят значительную долю неопределенности в таких задачах, что в конечном итоге приводит к невозможности точно предсказать очередные климатические катаклизмы. Другим важным практическим направлением, сдерживаемым отсутствием такого решения, является дистанционное зондирование Земли. Дело в том, что перистые облака покрывают до 30% поверхности нашей планеты и оказывают влияние не только на климат, но и затрудняют интерпретацию получаемых со спутников снимков. В данном случае необходимо корректно компенсировать влияние полупрозрачной перистой облачности для улучшения детализации изображения. Также важным аспектом отсутствия решения указанной задачи является сложность в моделировании такого оптического эффекта как глинт – резкое усиление яркости рассеянного на кристаллических облаках света в направлении зеркального отражения. В практических приложениях неожиданное появление глинта может приводить к ослеплению оптических датчиков систем наведения и пространственной дезориентации летательных аппаратов. Важно отметить, что основным инструментом изучения и оперативного мониторинга перистых облаков являются лидары, а для интерпретации получаемых лидарных данных также необходимо то самое решение задачи рассеяния света на частицах перистых облаков. Как следствие, естественным образом возникают прямая и обратная задачи теории рассеяния света. Таким образом, решение поставленной в проекте задачи необходимо, во-первых для интерпретации данных лазерного зондирования перистых облаков лидарами, с целью восстановления микрофизических характеристик этих облаков, а во-вторых для построения самой оптической модели перистых облаков на основе полученных лидарами микрофизических характеристик для их корректного учета в перечисленных выше задачах. На исследование перистых облаков и входящих в их состав ледяных частиц на протяжении последних 30 лет, как в мире, так и в России тратились существенные материальные и интеллектуальные ресурсы. В частности, был выполнен ряд международных и национальных проектов, в которых характеристики перистых облаков изучались как непосредственно с борта самолетов, так и дистанционно и с земли, и из космоса. В настоящее время функционируют обширные международные сети лидаров (Earlinet: Европа, 30 станций, AD-Net: Азия, 20 станций, LALINET: Латинская Америка, 10 станций) и радиометров (AERONET: весь мир), были выведены на орбиту несколько космических лидаров (Calipso: США-Франция, БАЛКАН: РФ), планируется к запуску космический лидар EarthCARE (Япония-Европа), в задачи которых входит изучение перистых облаков. Над решением поставленной в проекте задачи работают несколько международных научных групп: в США (P. Yang), в Европе (Del Guasta), в Японии (H. Okamoto) и Китае (Z. Wang). Однако, не смотря на все усилия, поставленная в проекте задача до сих пор полностью не решена. Такое положение дел обусловлено отсутствием до недавнего времени в мире методов решения задачи рассеяния света на характерных для перистых облаков частицах размерами от 10 до 10000 мкм со сложной формой, для которых неприменимо ни общеизвестное приближение геометрической оптики, ни строгие численные методы. Только в последние годы в ИОА СО РАН руководителем данного проекта разработан уникальный метод физической оптики, позволяющий решить данную фундаментальную задачу рассеяния света на крупных частицах. Этот метод превосходит зарубежные аналоги, в частности методы PGOH и GOIE, разработанные в США. Он уже успешно апробирован для перистых облаков на примере кристаллов идеальной формы, а полученные результаты легли в основу алгоритмов интерпретации данных планируемого к запуску космического лидара EarthCARE (JAXA-ESA). Участники проекта входит в несколько международных коллабораций, занимающихся решением задачи рассеяния света на крупных несферических частицах. Важно понимать, что именно сейчас, с разработкой этого уникального метода физической оптики, впервые появилась возможность решить важную фундаментальную задачу рассеяния света на кристаллических ледяных частицах раньше международных конкурентов. Такое решений фундаментальной задачи выведет Россию в мировые лидеры в данном научном направлении, поскольку оно представляет большую научную ценность для многих международных научных коллективов. Более того решение в рамках проекта этой фундаментальной научной задачи открывает возможности для формирования в России новой научной школы теории рассеяния света, новых научных направлений не только в области интерпретации данных лидаров и радиометров и в области решения уравнений переноса излучения для моделирования климата, но и во многих смежных научных областях, таких как дистанционное зондирование Земли, теория глинта, загоризонтная оптическая связь и многие другие.

Ожидаемые результаты
В настоящее время общепризнанными приближенными оптическими моделями перистых облаков являются модели, созданные научной командой MODIS – это MODIS Collection 4, MODIS Collection 5 и MODIS Collection 6 (King et al. 2004, Baum et al. 2005, Platnick et al. 2016). Ни одна из этих моделей не в состоянии количественно описать оптические свойства перистых облаков, и используются в качестве адекватной аппроксимации, поскольку они созданы в предположении хаотической ориентации кристаллов перистых облаков в пространстве и построены в рамках приближения геометрической оптики (IGOM). В результате выполнения проекта будет получено качественно иное решение данной задачи: во-первых будет учтена пространственная ориентация частиц в перистых облаках, а во-вторых решение будет выполнено в рамках метода физической оптики, обеспечивающего необходимую точность позволяющую получать не только качественные, но и количественные оценки. Решение фундаментальной задачи рассеяния света на атмосферных ледяных частицах перистых облаков размерами от 10 до 10000 мкм будет представлено в виде банка данных матриц рассеяния света. Это решение можно условно разделить на две составляющие: 1) решение задачи рассеяния света на ледяных частицах перистых облаков в направлении рассеяния назад для задач интерпретации данных лазерного зондирования атмосферы; 2) решение задачи рассеяния света на ледяных частицах перистых облаков по всей сфере направлений рассеяния для создания оптической модели перистых облаков для прикладных задач и задач моделирования климата. Создание такой уникальной отечественной базы данных выведет Россию в мировые лидеры в данном научном направлении, поскольку такая база данных представляет большую научную ценность для таких международных коллективов как: JAXA (H. Okamoto, Kyushu University, Japan, для разработки и модернизации алгоритмов интерпретации данных лидара EarthCare), NASA (S. Korkin, Universities Space Research Association, USA и O. Dubovik, Université Lille, France, для модернизации алгоритмов интерпретации данных всемирной сети радиометров AERONET и космического радиометра MODIS), DWD (J. Reichardt, Deutscher Wetterdienst, Germany для интерпретации данных уникального лидара RAMSES). ESA (A. Tsekeri, Institute for Astronomy Astrophysics Space Applications and Remote Sensing, Greece для интерпретации данных космического лидара на спутнике CALIPSO), Китайская академия наук (D. Liu, Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, China для интерпретации данных поляризационного лидар и создания алгоритмов интерпретации данных планируемого к запуску космического лидара). У руководителя проекта уже имеется опыт взаимовыгодного научного сотрудничества с указанными коллективами при решении задачи рассеяния света на идеальных гексагональных ледяных частицах перистых облаков, полученном при апробации метода физической оптики и при руководстве проектом РНФ «Восстановление пространственной ориентации атмосферных кристаллических частиц из данных поляризационного сканирующего лидара и спутниковых наблюдений». Результаты также необходимы для интерпретации лидарных данных, получаемых в рамках работы Китайско-Российского центра атмосферной оптики, созданного на базе ИОА СО РАН (Россия, Томск) и AIOFM (China, Hefei). Более того, полученные в результате выполнения проекта результаты имеют важное национальное значение. С одной стороны они представляют ценность для Росгидромета для уточнения радиационных блоков в климатических моделях при учете преимущественной пространственной ориентации кристаллов перистых облаков, с другой необходимы для использования в тематиках двойного назначения: дистанционное зондирование Земли, разработка теории глинта, загоризонтная связь и пр., поскольку в таких чувствительных областях у нашей страны должно быть преимущество в виде собственной более точной базы данных решений заявленной в проекте фундаментальной задачи. Таким образом, решение в рамках проекта поставленной научной задачи не только имеет несомненную практическую и социальную значимость, открывает возможности для формирования новых научных направлений отвечающих национальным интересам Российской Федерации, но может существенно повлиять на мировую науку, поскольку изменяет само представление о природе перистых облаков и позволит изучить многие важные явления, связанные с преимущественной пространственной ориентацией кристаллов в этих облаках.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---