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

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 проекта 21-77-10089

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

Руководитель Коношонкин 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

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 слова Лазерное 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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Кустова Н.В., Ткачев И.В., Коношонкин А.В., Тимофеев Д.Н., Шишко В.А., Кан Н.В. Backscattering Mueller matrices of 10-100 μm atmospheric ice particles for interpretation of groundbased and space-born lidar data SPIE, V.11859, P.1185911 (год публикации - 2021)
10.1117/12.2600203

2. Булахов Н.В., Коношонкин А.В., Ткачев И.В., Тимофеев Д.Н., Шишко В.А., Кустова Н.В. Spectral and depolarization ratios for atmospheric ice particles of hexagonal and arbitrary shape within the framework of the physical optics and discrete dipoles SPIE, V.11916, P.119164L (год публикации - 2021)
10.1117/12.2604955

3. Коношонкин А.В., Ткачев И.В., Тимофеев Д.Н., Шишко В.А., Кустова Н.В., Боровой А.Г. Light scattering by atmospheric ice crystals of regular and arbitrary shape within the framework of the physical optics method for the problems of interpreting data from ground-based and space-based lidars SPIE, V.11916, P.119164K (год публикации - 2021)
10.1117/12.2604952

4. Коношонкин А.В., Ткачев И.В., Шишко В.А., Тимофеев Д.Н., Кустова Н.В. Study of the convergence of the numerical solution of the light scattering problem by atmospheric ice crystals within the physical optics method SPIE, V.11916, P.119164M (год публикации - 2021)
10.1117/12.2605029

5. Кустова Н.В., Боровой А.Г., Коношонкин А.В., Ванг Ж. Light scattering by large irregular ice crystals of cirrus clouds SPIE, V.12086, P.120860Y (год публикации - 2021)
10.1117/12.2605256

6. Тимофеев Д. Н., Коношонкин А. В., Кустова Н. В., Шишко В. А. Light backscattering properties of distorted hexagonal atmospheric ice particles within the physical optics approximation Atmospheric and Oceanic Optics, V.35. N 02. P.158–163 (год публикации - 2022)
10.1134/S1024856022020130

7. Кан Н., Ткачев И.В., Тимофеев Д.Н., Шишко В.А., Коношонкин А.В. Data bank of light scattering matrices over the all scattering directions for atmospheric ice particles of cirrus clouds, calculated within the approximation of geometric and physical optics SPIE, V.12341, P.123413X (год публикации - 2022)
10.1117/12.2645074

8. Ткачев И.В., Коношонкин А.В., Шишко В.А., Тимофеев Д.Н., Кустова Н.В. Peculiarities of calculating a database of light backscattering matrices on hexagonal ice particles of cirrus clouds larger than 100 μm by the physical optics method SPIE, V.12341, P.123413P (год публикации - 2022)
10.1117/12.2645046

9. Кустова Н.В., Коношонкин А.В., Шишко В.А., Тимофеев Д.Н., Гринько Е. Peculiarities of polarization at vicinity of near backscattering direction by atmospheric irregular crystal particles SPIE, V.12265, P.122650F (год публикации - 2022)
10.1117/12.2636366

10. Коношонкин А. В., Кустова Н. В., Шишко В. А., Тимофеев Д. Н., Кан Н., Ткачев И. В., Сальников К. С., Боровой А. Г. Поляризационные характеристики когерентного пика обратного рассеяния крупных несферических частиц с хаотической ориентацией в пространстве Оптика атмосферы и океана, Т. 36. № 01. С. 66–72. (год публикации - 2023)
10.15372/AOO20230109

11. Коношонкин А.В., Ткачев И.В., Тимофеев Д.Н., Кустова Н.В., Шмирко К.А., Зубко Е.С. Umov effect for large nonspherical particles Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, V. 86, Suppl. 1. P. S104-S107. (год публикации - 2022)
10.3103/S1062873822700484

12. Коношонкин А.В., Кустова Н.В., Шишко В.А., Тимофеев Д.Н., Кан Н., Ткачев И.В., Боровой А.Г., Коханенко Г.П., Балин Ю.С. Расчет сигнала сканирующего лидара при зондировании перистых облаков, содержащих преимущественно горизонтально ориентированные кристаллы Оптика атмосферы и океана, Т. 36. № 02. С. 116–121. (год публикации - 2023)
10.15372/AOO20230206

13. Скороходов А., Коношонкин А. Analysis of the observation results for preferentially oriented particles in high-level clouds according to the EARLINET lidar network and MODIS data Atmosphere, V. 14, No. 6. 1018. (год публикации - 2023)
10.3390/atmos14061018

14. Чу Ч., Ванг Ж., Коношонкин А., Кустова Н., Шишко В., Тимофеев Д., Ткачев И., Лю Д. Backscattering properties of randomly oriented hexagonal hollow columns for lidar application Optics Express, V. 31, No 21. P. 35257–35271. (год публикации - 2023)
10.1364/OE.502185

15. Скороходов А.В., Коношонкин А.В. Comparison of high-level cloud observations by EARLINET ground-based lidar network and MODIS data Proceedings of SPIE, V. 12780. 1278026. (год публикации - 2023)
10.1117/12.2689343

16. Тимофеев Д.Н., Коношонкин А.В., Кустова Н.В., Шишко В.А., Окамото Х. Light scattering matrix for "bullet-rosette" aggregates of atmospheric ice particles within the geometrical optics approximation Proceedings of SPIE, V. 12780. 127803J. (год публикации - 2023)
10.1117/12.2690931

17. Сальников К.С., Шишко В.А., Коношонкин А.В., Тимофеев Д.Н., Кустова Н.В., Боровой А.Г. Аpplication of the discrete dipole method and the approximation of physical optics to the problem of light scattering by atmospheric ice crystals of cirrous clouds for remote sensing problems Proceedings of SPIE, V. 12780. 127803M. (год публикации - 2023)
10.1117/12.2690960

18. Коношонкин А.В., Кустова Н.В., Булахов Н.Г., Коханенко Г.П., Балин Ю.С., Насонов С.В., Новоселов М.М. Optical properties of quasi-horizontally oriented particles of cirrus clouds with normal and exponential distribution function over spatial orientation Proceedings of SPIE, V. 12780. 127803Q. (год публикации - 2023)
10.1117/12.2692815

19. Коношонкин А.В., Кустова Н.В., Шишко В.А., Тимофеев Д.Н., Бабинович А.Е. Матрица рассеяния света для горизонтально ориентированных ледяных частиц перистых облаков вида «пластинка», «столбик» и «полый столбик» Оптика атмосферы и океана (год публикации - 2024)

20. Коношонкин А.В., Кустова Н.В., Шишко В.А., Тимофеев Д.Н., Бабинович А.Е. Оптическая модель перистых облаков с учетом преимущественной пространственной ориентации частиц для интерпретации данных лазерного зондирования Оптика атмосферы и океана (год публикации - 2024)

21. Коношонкин А.В., Кустова Н.В., Шишко В.А., Тимофеев Д.Н., Ткачев И.В., Бакуте Е., Бабинович А.Е., Zhu X., and Wang Z. Properties of Light Backscattering on Hollow Hexagonal Ice Columns for Optical Models of Cirrus Clouds Atmospheric and Oceanic Optics, Vol. 37, No. 2, pp. 252–261. (год публикации - 2024)
10.1134/S1024856024700313

22. Коношонкин А.В., Кустова Н.В., Шишко В.А., Тимофеев Д.Н., Бабинович А.Е. Оптическая модель перистого облака, состоящего из полых ледяных гексагональных столбиков, для задач лазерного зондирования Оптика атмосферы и океана (год публикации - 2024)

23. Скороходов А.В., Коношонкин А.В. Statistical analysis for parameters of specularly reflective layers in high-level clouds over Western Siberia based on MODIS satellite data Atmospheric and Oceanic Optics (год публикации - 2022)

24. Скороходов А.В., Коношонкин А.В. Statistical Analysis for Parameters of Specularly Reflective Layers in High-Level Clouds over Western Siberia Based on MODIS Data Atmospheric and Oceanic Optics, V. 35, Suppl. 1, pp. S58–S63. (год публикации - 2023)
10.1134/S1024856023010153

Публикации