Поляризационные характеристики теплового радиоизлучения ячейки
и плоского слоя дождя в миллиметровом диапазоне волн

Наблюдаемое из космоса поле теплового радиоизлучения Земли формируется как атмосферой, так и подстилающей поверхностью. Частичная поляризация теплового излучения миллиметрового диапазона, вызванная сплющиванием падающих дождевых капель, является характерным признаком дождевой атмосферы [1]. Как известно, вектор Стокса в базисе горизонтальной и вертикальной линейных поляризаций (h,v-базис) выражается через соответствующие компоненты вектора напряженности электрического поля. Компоненты вектора Стокса имеют размерность интенсивности.
В технике пассивных измерений компоненты вектора Стокса удобно выражать через яркостные температуры в приближении Рэлея-Джинса. По первому параметру Стокса I можно определять интенсивность дождя. Второй параметр Стокса Q чувствителен к форме частиц и следовательно позволяет оценить распределение капель по размерам. Третий параметр Стокса U чувствителен к азимутальной асимметрии распределенных источников теплового излучения, обусловленной несфероидальной формой дождевых частиц и их преимущественной ориентацией.
В работе проведено компьютерное моделирование восходящего радиотеплового излучения в системе "дождевая атмосфера - поверхность". Для модели плоского слоя дождя вычисления яркостной температуры восходящего излучения проводились по методу инвариантного погружения Амбарцумяна. В предлагаемой модели также учитывается многократное рассеяние на каплях в дождевом слое и различие коэффициентов ослабления на вертикальной и горизонтальной поляризациях.
Были проведены также расчеты радиояркостных температур собственного теплового излучения изолированной кубической дождевой ячейки. Численное решение уравнения переноса излучения проводилось с помощью разностных схем методом итераций.
По результатам моделирования, были проведены сравнения параметров Стокса радиояркостных температур однородного плоского слоя и изолированной кубической дождевой ячейки. Компьютерное моделирование показало значительные различия при больших надирных углах визирования. Угловые распределения яркости излучения, уходящего с верхней грани кубической ячейки, приближаются к решению для однородной плоскослоистой среды по мере увеличения горизонтальных размеров прямоугольной ячейки.
Для исследованных длин волн (3 и 8 мм) средние угловые распределения яркостных температур всей наблюдаемой поверхности кубической ячейки значительно отличаются от угловых распределений для плоского слоя. Однако, поляризационные эффекты (различие яркостных температур для различных поляризаций) приблизительно равны по порядку величины.
По результатам моделирования показано, что для интерпретации данных спутникового зондирования требуется пространственное разрешение микроволнового радиометра, не хуже размера дождевой ячейки. В настоящее время, горизонтальное пространственное разрешение приборов составляет около 15 км. Оно может быть значительно улучшено применением радиометра-интерферометра миллиметровых волн с двумерным синтезом апертуры для измерения четырех компонент вектора Стокса теплового излучения гидрометеоров [2]. Оценки показывают, что в миллиметровом диапазоне волн возможно изготовление интерферометра с пространственным разрешением 1-2 км, что значительно меньше типичного размера дождевой ячейки, с чувствительностью 0.3-0.5 К. При этом окажется возможным измерение второго параметра Стокса, для исследования областей выпадения осадков. Наиболее целесообразным вариантом конструкции является фазированная антенная решетка Y-типа. В настоящее время обсуждается возможность установки радиометра-интерферометра K-диапазона на Международной Космической Станции (МКС). Технически возможна установка антенны с размером апертуры 3 м.
Таким образом, в работе получены оценки различия радиояркостных температур дождевой атмосферы в миллиметровом диапазоне на вертикальной и горизонтальной поляризации в зависимости от длины волны и угла наблюдения. Теоретические и экспериментальные результаты также свидетельствуют о значительной поляризации нисходящего теплового радиоизлучения атмосферных осадков. Таким образом, для эффективного учета поляризационных эффектов в интерпретации спутниковых данных зондирования необходимо значительно увеличить пространственное разрешение микроволновых радиометров. Одним из вариантов решения проблемы является использование интерферометра с синтезированной апертурой.
Авторы выражают искреннюю благодарность администрации НИВЦ МГУ за предоставление доступа к вычислительным ресурсам суперкомпьютерного комплекса параллельных вычислений СКИФ-ГРИД МГУ "Чебышев".
ЛИТЕРАТУРА
[1] B.G.Kutuza, G.K.Zagorin, A.Hornbostel and A.Schroth, "Physical modeling of passive polarimetric microwave observations of the atmosphere with respect to the third Stokes parameter", Radio Science, v. 33, № 3, pp. 677-695, 1998.
[2] B.G.Kutuza, and G.K.Zagorin "Two-dimensional synthetic aperture millimeter-wave radiometric interferometer for measuring full-component Stokes vector of emission from hydrometeors", Radio Science, vol. 38, № 5, pp. 11-1 - 11-7, 2003.