Моделирование полей излучения плоского анизотропно рассеивающего однородного слоя произвольной оптической толщины
Ключевые слова:
однородный плоский слой, принцип инвариантности Амбарцумяна — Чандрасекара, нелинейные интегральные уравнения, адаптивная параметризация, фотометрические инварианты, единая фотометрическая функция, коэффициенты яркости, интенсивности поля излучения, однократное рассеяние, поправочные функции, индикатриса Хеньи — ГринстейнаАннотация
Проведено моделирование полей излучения плоского однородного слоя произвольной оптической толщины при сильно вытянутых индикатрисах рассеяния. Для реализации этой задачи использовалась модификация классического принципа инвариантности Амбарцумяна — Чандрасекара, позволившая получить новые нелинейные интегральные уравнения для азимутальных Фурье-гармоник обобщенной единой фотометрической функции излучения и фотометрических инвариантов, которые объединяют интенсивности восходящего и нисходящего излучения на произвольных зеркально-симметричных оптических уровнях в зеркальных направлениях визирования при фиксированных азимутах и зенитных расстояниях Солнца. Параметризация полученных нелинейных интегральных уравнений показала, что при отсутствии отражающей подстилающей поверхности на уровне нижней границы слоя пространственно-угловые свойства фотометрических инвариантов и единой фотометрической функции в случае сильно вытянутых индикатрис рассеяния с максимальными значениями вблизи малых углов рассеяния при малом истинном поглощении излучения в среде позволяют приближенно представить общее поле излучения в виде интенсивностей однократно рассеянного излучения с адаптивными поправочными множителями. Эти функциональные поправки обусловлены многократным рассеянием излучения и имеют четкое физическое обоснование. Использование принципа зеркального отображения (симметрии) позволило учесть указанные особенности реальных индикатрис рассеяния при численном моделировании фотометрических инвариантов и единой фотометрической функции. Проведенный анализ показал доминирующую роль однократного рассеяния при формировании полей излучения анизотропно рассеивающего однородного слоя в случае слабого поглощения излучения при сильно вытянутых индикатрисах рассеяния.Литература
1. Амбарцумян В.А. Научные труды // Ереван: Изд-во АН Арм. ССР. 1960. Т. 1. 429 с.
2. Chandrasekhar S. Radiative transfer // Oxford: Oxford Univ. Press. 1950. 394 p.
3. Соболев В.В. Рассеяние света в атмосферах планет // М.: Наука. 1972. 335 с.
4. van de Hulst H.G. Multiple light scattering: Tables, Formulas and Applications // New York: Academic Press. 1980. 739 p.
5. Минин И.Н. Теория переноса излучения в атмосферах планет // М.: Наука. 1988. 264 с.
6. Bohren C.F., Clothiaux E.E. Fundamentals of Atmospheric Radiation // John Wiley & Sons. 2006. 479 p.
7. Thomas G.E., Stamnes K. Radiative Transfer in the Atmosphere and Ocean // Cambridge University Press. 2006. 540 p.
8. Budak V.P., Klyuykov D.A., Korkin S.V. Complete matrix solution of radiative transfer equation for pile of horizontally slabs // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2011. vol. 117. Issue 7. pp. 1141–1148.
9. Budak V.P., Kaloshin G.A., Shagalov O.V., Zheltov V.S. Numerical modeling of the radiative transfer in a turbid medium using the synthetic iteration // Optics Express. 2015. vol. 23. no. 15. pp. 829–835.
10. Будак В.П. и др. Быстрый и точный алгоритм численного моделирования переноса излучения в мутной среде на основе метода синтетических итераций // Оптика атмосферы и океана. 2016. Т. 29. № 9. С. 739–746.
11. Budak V.P., Klyuykov D.A., Korkin S.V. Convergence acceleration of radiative transfer equation solution at strongly anisotropic scattering // Light Scattering Reviews 5: Single Light Scattering and Radiative Transfer. Berlin: Springer Praxis Books. 2010. pp. 147–204.
12. Ilyushin Ya.A. The advanced small angle approximation with application to the numerical radiative transfer calculations // Proceedings of International Radiation Symposium (IRS/IAMAS). 2013. pp. 105–109.
13. Smokty O.I. Analytical spatial-angular structure of uniform slab radiation fields for strongly elongated phase functions // Proceedings of Computation Sci. and Applications (ICCSA’2016). 2016. Part I. pp. 110–128.
14. Atberger C. Advances in remote sensing of agriculture: context description, existing operational monitoring systems and major information needs // Remote Sens. 2013. vol. 5(2). pp. 949–981.
15. Biophysical applications of satellite remote sensing/ Edited by Hanes T.U. // Springer Science & Business Media. 2014. 230 p.
16. Зеге Э.П., Иванов А.П., Кацев И.Л., Прихач А.С. Восстановление оптических характеристик аэрозольной атмосферы и поверхности Земли путем совместной обработки различной спутниковой информации // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2014. Т. 50. № 2. С. 215–223.
17. Belov V.V., Tarasenko M.V. On the accuracy and speed of RTM algorithms for atmospheric correction of satellite images in the visible and UV ranges // Atmos. and Ocean Opt. 2014. vol. 27. no. 1. pp. 56–61.
18. Duanabc S.-B. et al. Atmospheric correction of highspatial-resolution satellite images with adjacency effects: Application to EO-1 ALI data // Int. J. Rem. Sens. 2015. vol. 36. no. 19–20. pp. 5061–5074.
19. Веретенников В.В. Восстановление микроструктурных параметров грубодисперсного аэрозоля с использованием их регрессионных связей со спектральным ослаблением света в ИК-диапазоне // Оптика атмосферы и океана. 2017. Т. 30. № 8. С. 696–704.
20. Лысенко С.А. Атмосферная коррекция многоспектральных спутниковых снимков на основе аппроксимационной модели переноса солнечного излучения // Оптика атмосферы и океана. 2017. Т. 30. № 9. С. 775–788.
21. Seidel F.C., Kokhanovsky A.A., Schaepman M.E. Fast and simple model for atmospheric radiative transfer // Atmos. Meas. Tech. Discuss. 2010. vol. 3. no. 4. pp. 1129–1141.
22. Васильев А.В., Кузнецов А.Д., Мельникова И.Н. Аппроксимация многократно рассеянного солнечного излучения в рамках приближения однократного рассеяния // Ученые записки РГГУ. 2016. № 42. С. 94–103.
23. Катковский Л.В. Параметризация уходящего излучения для быстрой атмосферной коррекции гиперспектральных изображений // Оптика атмосферы и океана. 2016. Т. 29. № 9. С. 778–784.
24. Smokty O.I. Analytical approximation for homogeneous slab brightness coefficients in the case of strongly elongated phase functions Radiation Processes in the Atmosphere and Ocean // Proceedings of International Radiation Symposium (IRS/IAMAS) (IRS’2016). 2017. pp. 145–149.
25. Hovenier J.W. A unified treatment of reflected and transmitted intensities of homogeneous plane-parallel atmospheres // Astrom. and Astrophys. 1978. vol. 68. pp. 239–250.
26. Смоктий О.И. Моделирование полей излучения в задачах космической спектрофотометрии // Л.: Наука. 1986. 352 с.
27. Smokty O.I. Development of radiative transfer theory methods on the base of mirror symmetry principle // Proceedings of International Radiation Symposium (IRS’2000): Current Problems in Atmospheric Radiation. 2001. pp. 341–344.
28. Smokty O.I. The mirror symmetry principle for radiation fields in a vertically non-uniform atmospheric slab //AIP Conference Proceedings. Ser. “Radiation processes in the atmosphere and ocean (IRS’2012)”: Proceedings of the International Radiation Symposium (IRC/IAMAS). 2013. pp. 135–138.
29. Yanovitsky E.G. Light scattering in inhomogeneous atmospheres // Berlin: Springer. 1997. 371 p.
30. Smokty O.I. Improvements of methods of radiation fields numerical modeling on the basis of mirror reflection principle // Proceedings of Computational Sci. and Applications (ICCSA’13). 2013. pp. 1–16.
31. Перенос радиации в рассеивающих и поглощающих средах. Стандартные методы расчета / Под ред. Ж. Ленобль // Л.: Гидрометеоиздат. 1990. 264 с.
32. Смоктий О.И., Аниконов А.С. Рассеяние света в средах большой оптической толщины // СПб.: Наука. 2008. 440 с.
33. Press W., Flannery B., Teukolsky S., Veerferling W. Numerical Recipes. The art of Scientific Computing (Fortran Version) // Cambridge: Cambridge Univ. Press. 1989. 702 p.
2. Chandrasekhar S. Radiative transfer // Oxford: Oxford Univ. Press. 1950. 394 p.
3. Соболев В.В. Рассеяние света в атмосферах планет // М.: Наука. 1972. 335 с.
4. van de Hulst H.G. Multiple light scattering: Tables, Formulas and Applications // New York: Academic Press. 1980. 739 p.
5. Минин И.Н. Теория переноса излучения в атмосферах планет // М.: Наука. 1988. 264 с.
6. Bohren C.F., Clothiaux E.E. Fundamentals of Atmospheric Radiation // John Wiley & Sons. 2006. 479 p.
7. Thomas G.E., Stamnes K. Radiative Transfer in the Atmosphere and Ocean // Cambridge University Press. 2006. 540 p.
8. Budak V.P., Klyuykov D.A., Korkin S.V. Complete matrix solution of radiative transfer equation for pile of horizontally slabs // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2011. vol. 117. Issue 7. pp. 1141–1148.
9. Budak V.P., Kaloshin G.A., Shagalov O.V., Zheltov V.S. Numerical modeling of the radiative transfer in a turbid medium using the synthetic iteration // Optics Express. 2015. vol. 23. no. 15. pp. 829–835.
10. Будак В.П. и др. Быстрый и точный алгоритм численного моделирования переноса излучения в мутной среде на основе метода синтетических итераций // Оптика атмосферы и океана. 2016. Т. 29. № 9. С. 739–746.
11. Budak V.P., Klyuykov D.A., Korkin S.V. Convergence acceleration of radiative transfer equation solution at strongly anisotropic scattering // Light Scattering Reviews 5: Single Light Scattering and Radiative Transfer. Berlin: Springer Praxis Books. 2010. pp. 147–204.
12. Ilyushin Ya.A. The advanced small angle approximation with application to the numerical radiative transfer calculations // Proceedings of International Radiation Symposium (IRS/IAMAS). 2013. pp. 105–109.
13. Smokty O.I. Analytical spatial-angular structure of uniform slab radiation fields for strongly elongated phase functions // Proceedings of Computation Sci. and Applications (ICCSA’2016). 2016. Part I. pp. 110–128.
14. Atberger C. Advances in remote sensing of agriculture: context description, existing operational monitoring systems and major information needs // Remote Sens. 2013. vol. 5(2). pp. 949–981.
15. Biophysical applications of satellite remote sensing/ Edited by Hanes T.U. // Springer Science & Business Media. 2014. 230 p.
16. Зеге Э.П., Иванов А.П., Кацев И.Л., Прихач А.С. Восстановление оптических характеристик аэрозольной атмосферы и поверхности Земли путем совместной обработки различной спутниковой информации // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2014. Т. 50. № 2. С. 215–223.
17. Belov V.V., Tarasenko M.V. On the accuracy and speed of RTM algorithms for atmospheric correction of satellite images in the visible and UV ranges // Atmos. and Ocean Opt. 2014. vol. 27. no. 1. pp. 56–61.
18. Duanabc S.-B. et al. Atmospheric correction of highspatial-resolution satellite images with adjacency effects: Application to EO-1 ALI data // Int. J. Rem. Sens. 2015. vol. 36. no. 19–20. pp. 5061–5074.
19. Веретенников В.В. Восстановление микроструктурных параметров грубодисперсного аэрозоля с использованием их регрессионных связей со спектральным ослаблением света в ИК-диапазоне // Оптика атмосферы и океана. 2017. Т. 30. № 8. С. 696–704.
20. Лысенко С.А. Атмосферная коррекция многоспектральных спутниковых снимков на основе аппроксимационной модели переноса солнечного излучения // Оптика атмосферы и океана. 2017. Т. 30. № 9. С. 775–788.
21. Seidel F.C., Kokhanovsky A.A., Schaepman M.E. Fast and simple model for atmospheric radiative transfer // Atmos. Meas. Tech. Discuss. 2010. vol. 3. no. 4. pp. 1129–1141.
22. Васильев А.В., Кузнецов А.Д., Мельникова И.Н. Аппроксимация многократно рассеянного солнечного излучения в рамках приближения однократного рассеяния // Ученые записки РГГУ. 2016. № 42. С. 94–103.
23. Катковский Л.В. Параметризация уходящего излучения для быстрой атмосферной коррекции гиперспектральных изображений // Оптика атмосферы и океана. 2016. Т. 29. № 9. С. 778–784.
24. Smokty O.I. Analytical approximation for homogeneous slab brightness coefficients in the case of strongly elongated phase functions Radiation Processes in the Atmosphere and Ocean // Proceedings of International Radiation Symposium (IRS/IAMAS) (IRS’2016). 2017. pp. 145–149.
25. Hovenier J.W. A unified treatment of reflected and transmitted intensities of homogeneous plane-parallel atmospheres // Astrom. and Astrophys. 1978. vol. 68. pp. 239–250.
26. Смоктий О.И. Моделирование полей излучения в задачах космической спектрофотометрии // Л.: Наука. 1986. 352 с.
27. Smokty O.I. Development of radiative transfer theory methods on the base of mirror symmetry principle // Proceedings of International Radiation Symposium (IRS’2000): Current Problems in Atmospheric Radiation. 2001. pp. 341–344.
28. Smokty O.I. The mirror symmetry principle for radiation fields in a vertically non-uniform atmospheric slab //AIP Conference Proceedings. Ser. “Radiation processes in the atmosphere and ocean (IRS’2012)”: Proceedings of the International Radiation Symposium (IRC/IAMAS). 2013. pp. 135–138.
29. Yanovitsky E.G. Light scattering in inhomogeneous atmospheres // Berlin: Springer. 1997. 371 p.
30. Smokty O.I. Improvements of methods of radiation fields numerical modeling on the basis of mirror reflection principle // Proceedings of Computational Sci. and Applications (ICCSA’13). 2013. pp. 1–16.
31. Перенос радиации в рассеивающих и поглощающих средах. Стандартные методы расчета / Под ред. Ж. Ленобль // Л.: Гидрометеоиздат. 1990. 264 с.
32. Смоктий О.И., Аниконов А.С. Рассеяние света в средах большой оптической толщины // СПб.: Наука. 2008. 440 с.
33. Press W., Flannery B., Teukolsky S., Veerferling W. Numerical Recipes. The art of Scientific Computing (Fortran Version) // Cambridge: Cambridge Univ. Press. 1989. 702 p.
Опубликован
2018-02-02
Как цитировать
Смоктий, О. И. (2018). Моделирование полей излучения плоского анизотропно рассеивающего однородного слоя произвольной оптической толщины. Труды СПИИРАН, 1(56), 214-243. https://doi.org/10.15622/sp.56.10
Раздел
Математическое моделирование и прикладная математика
Авторы, которые публикуются в данном журнале, соглашаются со следующими условиями:
Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и передают журналу право первой публикации вместе с работой, одновременно лицензируя ее на условиях Creative Commons Attribution License, которая позволяет другим распространять данную работу с обязательным указанием авторства данной работы и ссылкой на оригинальную публикацию в этом журнале.
Авторы сохраняют право заключать отдельные, дополнительные контрактные соглашения на неэксклюзивное распространение версии работы, опубликованной этим журналом (например, разместить ее в университетском хранилище или опубликовать ее в книге), со ссылкой на оригинальную публикацию в этом журнале.
Авторам разрешается размещать их работу в сети Интернет (например, в университетском хранилище или на их персональном веб-сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению, а также к большему количеству ссылок на данную опубликованную работу (Смотри The Effect of Open Access).
