Понимание рассеяния света в физике атмосферы с помощью моделей физической оптики

Введение в световое рассеяние

Световое рассеяние в атмосфере управляет многими визуальными и климатическими явлениями, которые мы наблюдаем ежедневно — от глубокого синего цвета ясного полуденного неба до насыщенных красных восхода и заката солнца. На фундаментальном уровне рассеяние происходит, когда луч электромагнитного излучения сталкивается с частицей или молекулой и перенаправляется во многие направления. Понимание этого процесса необходимо не только для объяснения повседневных оптических эффектов, но и для интерпретации данных дистанционного зондирования, улучшения климатических моделей и проектирования оптических инструментов.

Характер рассеяния зависит от нескольких ключевых параметров: размер рассеивателя относительно длины волны света, его формы, показателя преломления и угла наблюдения. Исторически рассеяние света было широко классифицировано на два режима: Райли рассеяние для частиц, намного меньших, чем длина волны, и Мие рассеяние для частиц, сопоставимых с длиной волны или больших, в то время как эти две категории обеспечивают полезную отправную точку, полное физическое понимание требует более сложной структуры — той, которая рассматривает свет как электромагнитную волну и учитывает дифракцию, интерференцию и поляризацию.

Модели физической оптики выходят за рамки простого геометрического трассирования лучей, решая или аппроксимируя волновое уравнение при реалистичных граничных условиях. Они необходимы для ситуаций, когда волновая природа света доминирует, например, когда углы рассеяния велики, когда частица не сферическая, или когда происходят события множественного рассеяния. В физике атмосферы эти модели позволяют ученым извлекать аэрозольные свойства из спутниковых измерений, имитировать образование гало и славы и количественно определять радиационное воздействие облаков и загрязняющих веществ.

Основы рассеяния света в атмосфере

Роль размера частиц: Рэлеи против Ми

Наиболее основное различие в рассеянии атмосферного света обеспечивается отношением радиуса частиц r к длине волны λ. Этот параметр безразмерного размера определяется как xr/λ. Когда x<1>, рассеяние попадает в режим Рэлея, названный в честь лорда Рэлея, который впервые вывел теорию в 19 веке.В этом режиме поперечное сечение рассеяния пропорционально λ−4, поэтому более короткие длины волн (синий) рассеивают гораздо сильнее, чем более длинные длины волн (красный)), именно Рэлеевское рассеяние отвечает за голубое небо и покраснение солнечного света под низкими углами.

Когда x порядка 1 или больше, приближение Рэлея не удается и должна использоваться полная теория Миэ. Мие рассеяние, выведенное Густавом Мие в 1908 году, применяется к сферическим частицам любого размера и обеспечивает точные решения для рассеянного поля. Аэрозоли, капли воды в облаках, пыли и пыльца зерна обычно попадают в режим Ми. Мие рассеяние менее зависит от длины волны, чем Рэлеевское рассеяние, что объясняет, почему облака кажутся белыми (все видимые длины волн рассеиваются аналогичным образом). Он также производит сильные доли рассеяния вперед и различные угловые узоры, которые очень чувствительны к размеру и составу частиц.

За пределами размера: форма, состав и морфология

Реальные атмосферные частицы часто несферические — кристаллы льда являются шестиугольными призмами, зерна минеральной пыли нерегулярны, а агрегаты сажи образуют сложные фрактальные скопления. Для таких частиц теория Ми недостаточна, поскольку она предполагает идеальную сферичность. Модели физической оптики должны учитывать точную форму частицы, часто используя численные методы, такие как метод FLT: 1 (DDA), метод FLT: 2) бесконечной разницы во времени (FDTD) или метод T-матрицы [FLT: 4]. Эти методы решают уравнения Максвелла на дискретизированном представлении объема частицы или поверхности, допуская произвольные геометрии.

Состав также имеет значение. Частицы могут быть однородными или слоистыми, с покрытиями различных показателей преломления. Например, ядра сажи, покрытые органическим веществом или сульфатом, проявляют различное поведение рассеяния и поглощения, чем голая сажа. Аналогично, биологические частицы (поллен, бактерии) имеют показатели преломления, которые варьируются в пределах частицы. Точные модели физической оптики могут захватывать эти внутренние структуры и их влияние на фазовую матрицу, которая описывает, как состояние поляризации света изменяется при рассеянии.

Модели физической оптики: теоретические основы

Уравнения Максвелла и проблема рассеяния

В основе любой физической оптической модели лежат уравнения Максвелла. Для монохроматического плоскостного волнового инцидента на частице, встроенной в однородную среду, общее электрическое поле может быть записано как сумма падающего поля и рассеянного поля. Цель состоит в том, чтобы найти рассеянное поле во всех точках вне частицы. Это представляет собой проблему граничного значения, при которой поля внутри и снаружи частицы должны удовлетворять условиям непрерывности на поверхности частицы.

Для сферических частиц разделение переменных в сферических координатах даёт решение Мие как бесконечный ряд сферических гармоник и функций Бесселя. Для несферических частиц аналитические решения доступны редко, поэтому используются численные методы. Два широко используемых подхода:

Рожденная приближенность и аномальная дифракция

В некоторых режимах приблизительные аналитические методы обеспечивают полезную информацию без полного численного расчета. Рожденная аппроксимация (теория возмущения первого порядка) применяется, когда частица оптически мягкая (индекс преломления близок к окружающей среде). Она рассматривает рассеянное поле как сумму вкладов из каждой точки внутри частицы, предполагая, что падающее поле только слабо возмущено. Это хорошо работает для небольших контрастов показателя преломления, таких как некоторые биологические частицы или слабо поглощающие аэрозоли.

Модель аномальной дифракции , введенная ван де Хульстом, применима для крупных мягких частиц. Она сочетает в себе преломление через частицу с дифракцией вокруг ее краев, игнорируя отражения. Эта модель захватывает широкую переднюю долю рассеяния и может использоваться для получения полного поперечного сечения вымирания. Она особенно полезна для облачных капель и больших пыльцевых зерен.

Ключевые явления волн в моделях физической оптики

дифракция

Дифракция возникает из волновой природы света и конечной протяженности частицы. Когда плоская волна сталкивается с частицей, обструкция заставляет волновой фронт распространяться в геометрическую теневую область. Это описывается дифракцией Фраунгофера для крупных частиц (знакомый рисунок Эйри для круговой апертуры). В моделях рассеяния физической оптики дифракция автоматически включается в полноволновое решение. Для частиц, намного больших, чем длина волны, дифракционная картина сильно пикируется в прямом направлении, с угловой шириной, обратно пропорциональной размеру частицы. Этот пик прямолинейного рассеяния важен в дистанционном зондировании: приборы, измеряющие ближнее-переднее рассеяние, могут вывести распределение размеров частиц из дифракционной картины.

Вмешательство

Помехи возникают, когда две или более когерентных волны перекрываются. В случае рассеяния рассеянные волны из разных частей частицы могут конструктивно или деструктивно мешать, производя угловые изменения интенсивности. Например, радуга является результатом конструктивной интерференции после одного внутреннего отражения внутри капли воды, эффект, который требует описания волны (хотя геометрический путь оптического луча обеспечивает основной угол). Модели физической оптики захватывают эти интерференционные полосы, которые могут использоваться для измерения размера капли с высокой точностью.

Помехи также играют роль в феномене короны — концентрических цветных колец вокруг Солнца или Луны, создаваемых дифракцией и интерференцией от небольших капель воды в тонких облаках.Угловое расстояние колец напрямую связано с распределением размера капель, что делает наблюдения короны недорогим методом для мониторинга облачной микрофизики.

поляризация

Поляризирующее состояние света — ориентация вектора электрического поля — глубоко модифицировано рассеянием.Ралеевское рассеяние производит полностью поляризованный свет под углом рассеяния 90° (максимальная поляризация перпендикулярна плоскости рассеяния).Майское рассеяние от более крупных частиц вводит сложные поляризующие модели, которые зависят от размера частиц, формы и ориентации.Модели физической оптики вычисляют полный вектор Стокса рассеянного поля, позволяя точную интерпретацию данных поляриметрического дистанционного зондирования.Например, космические поляриметры, такие как POLDER и MSPI] приборы используют многоугольные, многоспектральные поляризованные измерения для получения аэрозольных свойств.

Степень линейной поляризации (DoLP) является чувствительным показателем формы частиц: несферические аэрозоли производят характерно разные угловые поляризующие сигнатуры, чем сферические. Это имеет решающее значение для различения минеральной пыли и сульфатных аэрозолей в спутниковых поисках.

Применение в физике атмосферы и дистанционном зондировании

Голубое небо и красные закаты

Классическим применением рассеяния Рэлея является синее небо. Солнечный свет, проходящий через атмосферу, рассеивается молекулами воздуха (N2 и O2, которые имеют размеры ~ 0,1 нм, намного меньше, чем видимые длины волн). Коэффициент рассеяния варьируется как λ-4, поэтому синий свет (450 нм) рассеивается примерно в 9 раз больше, чем красный свет (650 нм). При низких углах солнца путь через атмосферу длиннее, и большинство коротковолновых свет рассеивается, оставляя более длинные длины волн для создания красных оттенков заката. Модели физической оптики, которые включают полную фазовую функцию Рэлея и профиль молекулярной плотности, могут количественно воспроизводить сияние неба, а также наблюдаемые поляризации.

Halos, Glories и Sundogs

Кристаллы льда в перистых облаках производят богатое разнообразие оптических явлений, включая 22° гало, солярии и околоземные дуги. Они возникают из преломления и отражения через шестиугольные ледовые призмы. В то время как геометрическая оптика может предсказать первичные лучи, физические оптические модели необходимы для объяснения распределения интенсивности, хроматической структуры и поляризации ореолов. Например, острый внутренний край 22° гало и диффузный внешний край лучше захватываются волнооптической дифракционной интегральной методикой. Аналогично, спектр 22° гало, наблюдаемый с самолета или горы напротив солнца, является результатом обратного рассеяния от облачных капель и включает резонансные волновые эффекты (поверхностные волны и туннелирование). Вычисления Ми воспроизводят угловое положение славы и цветовую последовательность, но явление было полностью понято только после развития теории физической оптики.

Удалённое зондирование аэрозолей

Спутниковые поиски аэрозолей основаны на сравнении измеренных излучений верхней части атмосферы с предварительно вычисленными таблицами поиска, генерируемыми из моделей рассеивания физической оптики. Например, спектрорадиометр с умеренным разрешением (FLT:0) (MODIS) использует темно-целевые, глубоко-голубые и многоугольные алгоритмы, которые предполагают аэрозольные модели (например, сферические для сульфата, несферические для пыли), полученные из расчетов T-матрицы или DDA. Точное моделирование функции фазы рассеяния и альбедо с однократным рассеянием имеет решающее значение для различения поглощающих (например, черный углерод) и рассеивающих аэрозолей (например, сульфатов).

Наземные сети, такие как AERONET, также используют измерения излучения неба под несколькими углами и длинами волн для извлечения оптической глубины аэрозоля, распределения размеров, показателя преломления и формы. Коды инверсии, используемые AERONET, построены на библиотеках физической оптики, таких как MATLAB Mie коды и сфероидная модель рассеяния , разработанная Dubovik et al. Эти модели должны охватывать полный диапазон размеров от субмикрона до десятков микрон, часто используя смесь сфер и сфероидов для представления реальных аэрозолей.

Облачная микрофизика и радиационный перенос

Модели физической оптики необходимы для понимания радиационных свойств облаков. Капли облаков имеют размеры от нескольких микронов до нескольких десятков микронов, падая прямо в режиме Ми. Параметр асимметрии g (средний косинус угла рассеяния) определяет, сколько переднерассеянного излучения распространяется через облако: для облаков воды g ≈ 0,85, что означает сильное переднее рассеяние. Это влияет на альбедо облака и вертикальное распределение скоростей нагрева. В климатических моделях параметризации оптических свойств облака получены из расчетов Ми, а затем используются в радиационных распределителях переноса, таких как DISORT или приближение дельта-Эддингтона.

Ледяные облака являются более сложными, потому что кристаллы льда существуют во многих привычках (колонки, пластины, иглы, пулевые розетки), которые рассеивают свет по-разному. Модели физической оптики (например, метод трассировки лучей с дифракцией или метод улучшенной геометрической оптики ) используются для вычисления фазовых функций для этих привычек. Результаты поступают в алгоритмы поиска спутников (например, для ]Облачный аэрозольный лидар с ортогональной поляризацией (CALIOP) на CALIPSO) и в климатические модели для учета влияния ледяных облаков на радиационный бюджет Земли.

Расширенные темы и новые методы

Множественное рассеяние в мутных медиа

Когда оптическая толщина аэрозольного слоя или облака велика (τ > 0,1), множественное рассеяние становится важным. Каждый фотон может пройти несколько событий рассеяния, прежде чем достичь датчика или покинуть атмосферу. Модели физической оптики для множественного рассеяния решают векторное уравнение передачи (VRTE), которое учитывает полный вектор Стокса и фазовую матрицу. Используются такие методы, как метод Monte Carlo , метод , добавляющий-двойной , и метод оператор матрицы . Они имеют решающее значение для интерпретации возвратов лидара (где множественное рассеяние снижает эффективный коэффициент вымирания) и для визуализации поверхности земли с высоким разрешением через туманные атмосферы.

Скоординированное обратное рассеяние и эффект оппозиции

Тонкий, но важный эффект множественного рассеяния — когерентное обратное рассеяние (CBS), также известное как эффект оппозиции. Когда среда, состоящая из многих частиц, освещается, волны, проходящие по одному и тому же пути в противоположных направлениях, могут конструктивно вмешиваться, приводя к резкому пику отражательной способности точно в направлении обратного рассеяния. Этот эффект наблюдается в облачных палубах, поверхностях почвы и планетарном реголите. Модели физической оптики, которые обрабатывают полное волновое поле в плотных средах (таких как ] радиационный перенос с когерентным обратное рассеяние теория) может воспроизвести амплитуду и угловую ширину этого пика. В дистанционном зондировании Земли эффект оппозиции виден на спутниковых изображениях облаков и снега и должен учитываться в альбедо-поиске.

Супер-решение и обратные проблемы

Обратные задачи направлены на извлечение свойств частиц из измерений рассеянного света. Из-за нелинейного отображения от размера частиц и формы до рассеянной интенсивности для решения обратной задачи используются модели физической оптики в сочетании с алгоритмами оптимизации (например, Levenberg-Marquardt, Bayesian inversion, нейронные сети). Недавние достижения включают использование суррогатов глубокого обучения для моделей физической оптики, позволяющих в реальном времени извлекать распределения размеров аэрозоля из измерений лидара. Эти гибридные подходы дают более быстрые инверсии, сохраняя физическую точность моделей с полной волной.

Заключение и прогноз

Модели физической оптики обеспечивают незаменимый мост между фундаментальной волновой теорией света и сложной реальностью атмосферных частиц. Явно включая дифракцию, интерференцию и поляризацию, эти модели фиксируют богатство рассеивающих явлений, которые простая геометрическая оптика не может предсказать. От объяснения цветов неба до извлечения аэрозольных свойств из космоса физическая оптика лежит в основе большей части современной атмосферной науки.

Будущие разработки, вероятно, будут сосредоточены на нескольких областях: улучшенная вычислительная эффективность для моделей нерегулярных частиц с усредненным ансамблем (например, с использованием предвычисленных баз данных или эмуляторов машинного обучения), лучшая характеристика сложных морфологий , таких как фрактальные агрегаты сажи или биологические частицы, и интеграция с климатическими моделями , чтобы представлять быстрые корректировки взаимодействий аэрозоля и облака.

Для дальнейшего чтения см. стандартные ссылки: Райли рассеяние на Википедии, Ми рассеяние, и всеобъемлющий учебник «Световое рассеяние частиц: вычислительные методы». Кроме того, ГИСС публикации НАСА по рассеянию света предоставляют обширные ресурсы по Т-матрице и DDA приложения в атмосферной физике.