книги из ГПНТБ / Зуев, В. Е. Лазер-метеоролог

Коэффициенты рассеяния для других значений даль­ ности видимости нетрудно получить непосредственно из табл. 6, поскольку они обратно пропорциональны даль­ ности видимости.

Систематические экспериментальные исследования объемных коэффициентов рассеяния дымок в приземном слое атмосферы ведутся на Звенигородском полигоне Института физики атмосферы АН СССР под руковод­ ством профессора Г. В. Розенберга и в Институте оп­ тики атмосферы СО АН СССР на Томском полигоне.

На рис. 17 приведены результаты измерений, прове­ денных группой С. О. Мирумянца на Звенигородском полигоне [15]. На левой и правой частях рисунка при­ ведены данные о зависимости объемных коэффициен­ тов рассеяния от длины волны в интервале 0,5—5 мкм для зимних и осенних дымок. К сожалению, авторам не удалось измерить коэффициенты рассеяния в районе максимума полосы поглощения жидкой воды и льда (длина волны 2,9—3,1 мкм) из-за сильного поглощения водяного пара в этом районе. Заметим, что обнаруже­ ние максимума в спектральном ходе коэффициентов рас­ сеяния в участке 2,9—3,1 мкм (см. рис. 15 и 16) может дать ответ на вопрос, состоят ли дымки из водяных или ледяных частиц?

Отметим, что представленные на рис. 15 и 16 и в табл. 6 данные об объемных коэффициентах рассеяния дымок получены для случаев, когда дымки состоят из сферических водяных частиц, спектр размеров которых описывается эмпирической формулой Юнге. В реальной атмосфере дымки могут состоять и из двухслойных ча­ стиц с твердыми ядрами, и из твердых частиц непра­ вильной формы, а также из конгломератов частиц с раз­ личными значениями комплексного показателя прелом­

(кафедра физики атмосферы), дают основание утверж-

60

дать, что атмосферные дымки представляют собой весь­ ма сложное образование как с точки зрения спектров размеров частиц, так и в особенности с точки зрения химического состава частиц [16, 17].

0-аэр (Л.) км

Рис. 17. Объемные коэффициенты рассеяния ды­ мок в интервале длин волн 0,5—5 мкм в призем­ ном слое атмосферы в зимний (а) и осенний (б) сезоны, по данным измерений группы С. О. Мнрумянца на Звенигородском полигоне ИФА АН

СССР.

В указанных комплексных исследованиях впервые одновременно измерялись объемные коэффициенты рас­ сеяния дымок, спектры размеров и химический состав частиц. Анализ результатов исследований указывает на существование имеющей важное значение в формирова­ нии объемных коэффициентов рассеяния фракции твер­ дых частиц, а также конгломератов частиц с различным

61

химическим составом. Весьма интересным является факт уверенно обнаруживаемого максимума в спектральном ходе объемного коэффициента рассеяния в районе длин­ новолнового окна прозрачности атмосферы (диапазон длин воли 10—12 мкм). Как видно из рис. 15 и 16, в этом районе для дымок, состоящих нз водяных частиц, на­ блюдается наиболее глубокий и широкий минимум объ­ емного коэффициента рассеяния.

Таким образом, представленные на рис. 15 и 16 и в табл. 6. данные об объемных коэффициентах рассеяния дымки не могут, конечно, претендовать на точное описа­ ние оптических свойств всего многообразия атмосфер­ ных дымок. Тем не менее они представляют определен­ ный интерес, во-первых, потому, что они правильно отра­ жают общий ход зависимости объемных коэффициентов от длины волны, в чем можно убедиться, сравнив рис. 15 и 16 с рис. 17; во-вторых, они, безусловно, дают пра­ вильное представление о порядке величины абсолютных значений коэффициентов рассеяния.

Кроме того, следует подчеркнуть, что пока совершен­ но недостаточно данных о спектрах размеров, химиче­ ском составе и форме частиц атмосферных дымок, что­ бы можно было провести соответствующий последова­ тельный расчет их объемных коэффициентов рассеяния. Да и алгоритмы самого расчета для частиц неправиль­ ной формы — пока еще не решенная задача. По-види- мому, наиболее быстрый прогресс здесь следует ожидать из комплексных, грамотно поставленных экспериментов, в том числе и экспериментов по лазерному зондирова­ нию аэрозолей.

В заключение кратко рассмотрим вопрос о верти­ кальном профиле объемных коэффициентов рассеяния дымок. Наибольший вклад в решение этого вопроса внесли группы чл.-корр. АН СССР К- Я. Кондратьева (кафедра физики атмосферы Ленинградского универси­ тета), проф. Г. В. Розенберга (отдел атмосферной оп­ тики Института физики АН СССР) и д-ра Л. Эльтермана (Кембриджские научно-исследовательские лаборато­ рии ВВС США).

На рис. 18 представлен вертикальный профиль объ­ емного коэффициента рассеяния дымки в видимой обла­ сти спектра, определенный В. В. Николаевой-Терешковой и Г. В. Розенбергом по данным измерений с космиче­

62

ского корабля [18]. Иа рисунке отчетливо видны два максимума, относящиеся к высотам примерно 12 и 20 км.

В серим работ К. Я- Кондратьева с сотрудниками с помощью уникальной спектральной аппаратуры, подни­ маемой на различные высоты на аэростатах, получены вертикальные профили послойного ослабления солнечной радиации атмосферным аэрозолем до высот 25—30 км [19]. В результате этих работ обнаружено большое разнообразие вертикальных профилей объемных коэф­ фициентов рассеяния аэрозолей. В этих экспериментах,

мощью прожекторов, лазеров (см. ниже) и с помощью сумеречного метода.

Г. В. Розенберг [20] построил сводный график вы­ сотной зависимости объемного коэффициента рассеяния атмосферной дымки для ряда длин волн видимого участ­ ка спектра, положив в основу данные различных опти­ ческих измерений. Из этого графика следует общее зако­ номерное примерно экспоненциальное убывание объем­ ного коэффициента рассеяния с высотой. При измене­ нии высоты от 0 до 100 км этот коэффициент убывает примерно на шесть порядков. Для всех высот объемный коэффициент рассеяния дымки оказался по крайней мере в несколько раз больше объемного коэффициента

63

молекулярного рассеяния. Исключение составляют два относительно узких интервала высот (примерно от 5 до

8—9 км и от 25 до 30 км).

На рис. 19 приведен вертикальный профиль объем­ ного коэффициента рассеяния атмосферной дымки для длины волны излучения 0,55 мкм, построенный Эльтерманом [21] на основе усреднения 105 индивидуальных профилей, полученных по методу прожекторного зон­ дирования атмосферы (кривая 1). Анализ этих профилей

объемного молекулярного коэффициента рассеяния (кри­

Отношения объемных коэффициентов аэрозольного и молекулярного рассеяния на различных высотах, полу­ ченные разными авторами, не совпадают. Причины рас­ хождений могут быть связаны как с различными усло­ виями, при которых проводились измерения в атмосфере, так и с недостаточной точностью измерений. К этому вопросу мы еще вернемся.

Объемные коэффициенты рассеяния осадков [2]. Ча-

64

•стмцы дождей для -всех длин воли видимой, ближней и средней инфракрасной областей спектра могут рассмат­ риваться как большие частицы, для которых функция /<(р) = 2 . В этом случае объемный коэффициент рассея­ ния выражается в виде

СО

а.,эр (X) = 2 N j ~ a ’f (a) da — 2 Q,

|энергии, то можно не интересоваться, как распределя­ ется эти потери по углам рассеяния,

j Для большого числа задач оптики атмосферы и |лрежде всего задач лазерного зондирования атмосферы Ьесьма важно знать, как распределена рассеянная энерЬия по углам рассеяния, т. е. какова диаграмма или ин­ дикатриса рассеяния. Углы рассеяния отсчитывают от Управления распространения излучения: так, например, тлы 0 и 180° соответствуют направлениям вперед и (азад.

Дадим краткую характеристику имеющихся данных об индикатрисах рассеяния земной атмосферы. Для мо­ лекулярного рассеяния индикатриса симметрична (см. рис. 8) относительно направления распространения.

Рассмотрим индикатрису рассеяния аэрозольных ча­ стиц на примере хорошо изученных сферических частиц. Частицы с малым значением параметра р и с комплекс­ ным показателем преломления, близким к единице,

Рис. 20. Индикатрисы рассеяния водяных сферических частиц ( т =

—1,33) для различных значений параметра р:

а) р = 1, 0) р = 3, о) р = 9, .’ ) р равно 15 и 30.

имеют индикатрису рассеяния, аналогичную молекуляр­ ной. Но уже у малых абсолютно отражающих частиц индикатриса рассеяния резко вытянута назад. Следует, однако, отметить, что для частиц атмосферных аэрозо­ лей в видимой области спектра обычно принимаются значения показателя преломления, заключенные в ин­

тервале от 1,33 до 1,55.

С увеличением параметра р индикатриса рассеяния сферических частиц непрерывно изменяет свою форму, становясь все более и более вытянутой вперед (рис. 20). Приведем численный пример, характеризующий асим­ метрию индикатрисы рассеяния прозрачных частиц с показателем преломления 1,5 и радиусом 0,5; 1;5; 5,0 и 12,5 мкм для длины волны излучения 0,5 мкм. Парл-

66

А -“км

Рис. 21. Индикатрисы рассеяния водяных облаков и туманов для параметров гамма-распределения г = 5 ыкм и р = 2 для различных длин волн лазерного излучения.

3*

метр р в этом примере принимает значение 6,28; 18,84; 62,8 и 157. Отношение рассеянных в переднюю и заднюю полусферу излучений, называемое коэффициентом асим-

Рис. 23 Индикатрисы рассеяния водяной дымки с юпговским распределением частиц по размерам ф = 3, ат ш = 0.05 мкм, в|па.ч= 5,0 мкм) для различных длин волн лазерного излучения,

метрии индикатрисы рассеяния, оказывается соответ­ ственно равным 17, 74, 823 и 16 000.

Применительно к проблеме лазерного зондирования атмосферных аэрозолей нас в первую очередь должны интересовать индикатрисы рассеяния реальных аэрозолей

69