09 марта 2016г.
Проблема расчета характеристик излучения, прошедшего через атмосферу, является актуальной при решении многих современных вопросов оптики, физики атмосферы, климатологии, теории переноса излучения и сигналов. На сегодняшний день существующие программные продукты позволяют рассчитать лишь коэффициент ослабления (Mie plot), что влечет за собой использование устаревших бумажных таблиц при решении прикладных задач.
Настоящая статья посвящена разработке численной модели среды для расчета таких оптических характеристик как коэффициент ослабления (αext), коэффициент поглощения (αabs), альбедо однократного рассеяния (Λ) и коэффициент обратного рассеяния (βsc). В качестве среды рассматривается совокупность частиц объемных форм. При этом используется решение Ми [1] для отдельной частицы, включающее в себя возможность определения оптических характеристик частиц с размерами много меньше длины волны, соизмеримыми с длиной волны и значительно превосходящими ее. Для расчета оптических характеристик используются следующие соотношения:
Для расчета характеристик, указанных выше, реализован комплекс программ для среды визуального программирования С++. При его создании использовалась «палитра компонентов», разделенная карточными вкладками на несколько функциональных групп. При этом были модифицированы функциональные возможности поставляемых компонентов и разработаны компоненты, обладающие новым оригинальным поведением. Помимо стандартных элементов управления Windows (кнопки, радиогруппы, поля ввода и редактирования, списки и др.) в программе использовалась библиотека, которая содержит компоненты поддержки диалогов и обслуживания баз данных. Для удобства работы с комплексом программ организован интерфейс ввода данных и вывода числовых результатов, сопровождающихся представлением графиков.
На Рисунке 1 иллюстрируется интерфейс главного окна программного комплекса для расчета оптических характеристик в рамках модели, представленной системой частиц сферической формы. Интерфейс меняется в зависимости от установки «флажков» или выбора действий (например, «расчет»). В частности, указав «лед», появляется возможность вызвать данные реальной и мнимой частей показателя преломления n = n(λ) и χ = χ(λ) для длины волны λ от ультрафиолетовой до микроволновой области спектра [2]. После завершения расчетов появляется новое окно (Рисунок 2), в котором можно просмотреть полученные результаты в виде таблицы и построить графики.
На Рисунке 3 – Рисунке 5 представлены результаты расчетов коэффициентов ослабления, поглощения и альбедо однократного рассеяния. Использовались следующие входные параметры: комплексный показатель преломления 
, длина волны, параметры распределения частиц по размерам (N – концентрация частиц, эффективный радиус частиц (a), безразмерный параметр (m), характеризующий крутизну склонов функции гамма-распределения.
Спектральные зависимости оптических характеристик ( n% = n%(λ) (лед)) рассчитаны при μ=10, N=1 (L-3).
График 1 – для a =1 мкм, график 2
– для a =5 мкм, график 3 – для a =10 мкм, график 4 – для a =50 мкм. Выше приведенные графики
иллюстрируют особенности оптических характеристик для частиц
с различными средними размерами.
Заметим, что для рассмотренных микрофизических параметров среды коэффициент обратного рассеяния в зависимости от длины волны из диапазона, указанного на Рисунке
2, на многих участках видимой
и ближней инфракрасной областях, представляет собой быстро осциллирующие кривые,
которые в используемом здесь масштабе представлять нецелесообразно.
В целом, построена математическая модель на основе теории
Ми и разработан программный комплекс для получения оптических характеристик излучения, прошедшего
через атмосферные образования в широком диапазоне длин волн, что позволяет моделировать реальные рассеивающие среды даже с такими характеристиками, которые
часто невозможно смоделировать в лабораторных условиях.
Проверена достоверность результатов, которые не противоречат физическим законам, а также данным,
полученным другими исследователями. Программный комплекс может быть использован для определения оптических характеристик полидисперсной среды, состоящей
из хаотически ориентированных частиц
с различными оптическими и микрофизическими параметрами.
Список литературы
1. Scattering, Absorption, and Emission of Light by Small
Particles / Ed. by M.I.
Mishchenko, L.D. Travis, and A.A. Lacis. – Cambridge,
UK. NASA, 2002. – 445 p.
2. Warren S.G. // J. Appl. Opt. 1984.
– V. 23. – P. 1206 – 1225.
