Влияние пространственной структуры осадков на поляризационные характеристики теплового микроволнового излучения дождевой атмосферы.

В связи с развитием средств пассивного микроволнового зондирования природной среды [1], в течение последнего времени интенсивно изучается взаимодействие микроволнового излучения с осадками и облаками различных типов. Многие из них состоят из частиц несферической формы, обладающих преимущественной ориентацией (падающие дождевые капли, снег и другие кристаллические частицы льда). По сравнению с макроскопически изотропными средами, в распространении излучения в таких средах особенно существенную роль играют поляризационные эффекты. Сочетание эффектов рассеяния, значительной пространственной неоднородности выпадающих осадков в атмосфере и в некоторой степени также отражающих свойств поверхности приводит к необходимости рассмотрения полей микроволнового излучения в трехмерно-неоднородной среде, обладающей дихроизмом.

В представленной работе в рамках теории переноса излучения сделаны теоретические оценки интенсивности и поляризации теплового радиоизлучения дождевых осадков, при наблюдении их микроволновыми радиометрами из космоса.
В рамках построенной модели вычислены радиационные характеристики среды (поглощение и рассеяние электромагнитных волн заданной частоты и поляризации единицей объема для длин волн 3, 8, 15.4 и 22 мм. Комплексная диэлектрическая проницаемость жидкой воды определяется формулой Дебая [1]. Приближенно принято, что падающие капли имеют форму сплюснутого сфероида с вертикально ориентированной осью симметрии. Отношение осей сфероида задается известной приближенной формулой [2]. Распределение капель по размерам в дождевых осадках задается формулой Маршалла-Пальмера[2]. Сечения ослабления и рассеяния для сфероидальных частиц фиксированной ориентации вычислены методом Т-матриц с помощью общедоступных компьютерных кодов [3].

В работе исследована модель дождевой ячейки в виде куба 3 х 3 х 3 км, равномерно заполненного падающими дождевыми каплями. Подстилающая поверхность приближенно считается плоской поверхностью серого тела, тепловое радиоизлучение которого изотропно и незначительно поляризовано в вертикальной плоскости. В миллиметровом диапазоне длин волн эта модель является разумным приближением для большинства земных почв и грунтов и растительных покровов. Поглощение жидкокапельными облаками и молекулами атмосферных газов учитывается отдельно и проводится оценка их влияния на исследуемое поле теплового радиоизлучения.

Численное решение векторного уравнения переноса излучения (ВУПИ) в трехмерной области проводилось итерациями конечно - разностного метода дискретных ординат (ДО). Интеграл рассеяния вычислялся с помощью гауссовской квадратурной формулы Лебедева G29 с 302 узлами на сфере направлений.

В работе показана определяющая роль ячеистой структуры дождевых осадков в формировании пространственно-углового распределения интенсивности и поляризации наблюдаемого теплового излучения, и необходимость рассмотрения переноса излучения в трехмерно-неоднородной рассеивающей среде для моделирования и анализа полей радиотеплового излучения реальных дождевых осадков.

Исследование выполнено при поддержке гранта РФФИ 13-02-12065 офи-м "Фундаментальные задачи микроволнового дистанционного зондирования Земли из космоса". Авторы благодарят администрацию НИВЦ МГУ им. М.В.Ломоносова за предоставленный доступ к вычислительным ресурсам высокопроизводительных параллельных суперкомпьютерных комплексов СКИФ-ГРИД "Чебышев" и "Ломоносов".

Литература
1. А.Ye. Basharinov, А.S.Gurvich, S.Т. Egorov "Radio emission of the Earth as a planet", М.: Nauka, 1974.
2. Czekala H., Simmer C. Microwave radiative transfer with nonspherical precipitating hydrometeors, Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 1998. V.60. N.3. PP.365-374
3. A. Moroz, "Improvement of Mishchenko's T-matrix code for absorbing particles," 2005. Appl. Opt. V.44. PP.3604-3609.