Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В ходе выполнения первого этапа Гранта были выполнены следующие работы: 1. Были выполнены измерения степени поляризации неба при помощи разработанного ранее командой проекта поляриметра. Эксперимент проводился преимущественно во время утренних сумерек, чтобы а) захватить отрицательную ветвь кривой поляризации б) исключить влияние подстилающей поверхности в измеряемую яркость неба. 2. На многочастотном поляризационном лидаре, расположенном в ИАПУ ДВО РАН были проведены систематические измерения оптических и микрофизических параметров аэрозолей. Из результатов исследований в 2019-2020 гг было установлено, что наиболее вероятное значение показателя преломления ≈1.38+0,003i, тем не менее в весенний период значения коэффициента преломления изменяются и принимают значения ≈1,40+0.01i в обоих случаях это соответствует обводненному аэрозолю с разным содержанием сажи, аэрозольное деполяризационное отношение принимает значения до 7% для высотных слоев, в то время как внутри ППС оно не превосходило 4-5%, эффективные радиус в высотных слоях не превышал 0,25 мкм, в то время, как внутри ППС он не превосходил 0,15 мкм. 3. Проведено моделирование угловых зависимостей степени линейной поляризации, измеренных на длине волны 0.67 мкм в вечерних сумерках над г. Владивосток 30 марта и 4 апреля 2020 года. В применении к данным 30 марта, было получено хорошее количественное согласие с данными измерений в 9 различных предположениях относительно химического состава частиц аэрозоля, при этом соответствие измерениям достигалось при различных распределениях по размерам. Тем не менее, оказалось, что отражательная способность во всех 9 сценариях хорошо согласуется между собой. Подобный результат получен также и для измерений 4 апреля 2020 года, но при меньшем разбросе модельных параметров. 4. Проведена оценка геометрического альбедо частиц аэрозоля, измеренных 30 марта и 4 апреля 2020 года, с помощью ранее опубликованных в научной литературе диаграмм Умова. Показано, что восстанавливаемая с помощью эффекта Умова отражательная способность частиц аэрозоля 30 марта и 4 апреля 2020 года количественно согласуется с результатами, полученными моделированием полного углового профиля степени линейной поляризации. Таким образом, подтверждена гипотеза о возможности практического использования эффекта Умова. (рисунок 5 приложения - диаграммы Умова, на основании которых восстановлено геометрическое альбедо) В рамках выполнения данного проекта, методом компьютерного моделирования угловой зависимости степени линейной поляризации была восстановлена отражательная способность частиц атмосферного аэрозоля во время натурных измерений 30 марта (A(180°) = 0.057 +/- 0.021) и 4 апреля 2020 года (A(180°) = 0.016 +/- 0.002). Полученные результаты обладают высокой степенью надежности поскольку основываются на одновременном рассмотрении множества измеряемых величин поляризации. В этом смысле эффект Умова, использующий единственную характеристику рассеянного света Pmax, накладывает гораздо менее строгие ограничения на модель светорассеяния частицами атмосферного аэрозоля. Тем не менее результаты использования обоих подходов практически совпали между собой, что показывает высокую надежность использования эффекта Умова в атмосферных приложениях. 5. Выполнено изучение продуктов, предоставляемых спутника GCOM-C и архивных данных радиометров семейства POLDER. Показано, что анализируя весь снимок можно восстановить участок кривой поляризации для фазовы улов 10° <alpha<85°. Исходя из анализа спутниковых данных за длительный период времени были выделены 6 районов по доминирующему типу атмосферного аэрозоля, для каждого из них были сформирована база данных гидрометеорологических и оптических и микрофизических характеристики атмосферных аэрозолей. Эти данные будут использоваться на следующем этапе при моделировании прямой задачи переноса излучения в атмосфере. Расчеты по модели 6SV показали, что в преобладающем большинстве случаев вклад подстилающей поверхности в восходящее излучение на длине волны 870 нм не существенен, с солнечной стороны ориентации сканера. На основе совместного анализа поляризационных и яркостных спутниковых данных проведен поиск критериев и зависимостей, которые помогли бы идентифицировать тип атмосферного аэрозоля или помогли бы его локализовать. Показано, что диаграммы рассеяния «степень поляризации»–«фазовый угол» позволяют разделить районы по доминирующему вкладом различных физических процессов в в восходящее излучение, которые на яркостной картине не разделяются. 6. В ходе выполнения работ по разработке модели переноса: а) Реализован и верифицирован алгоритм, позволяющий рассчитывать интенсивность многократно рассеянного излучения методом локальной оценки при наблюдении как с поверхности Земли, так и из космоса с учетом эффектов сферичности атмосферы. 7. Была выполнена систематизация данных солнечных фотометров AERONET в Дальневосточном регионе, минимально удаленных от ИАПУ ДВО РАН и кампуса ДВФУ для станций Ussuriysk, Liangning и Hokkaido_University. Для них был проведен статистический анализ продуктов восстановления микрофизических свойств аэрозольных частиц 2-го уровня качества. Были рассчитаны значения действительной и мнимой части показателя преломления, медианных радиусов логнормального распределения, полуширин и объемных концентраций для квантилей [0.25 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.75]. Как показал анализ, каждая из локаций характеризуется достаточно узким разбросом параметров логнормального распределения и коэффициентов преломления, что достаточно сильно ограничивает область определения эффекта Умова, что приводит к существованию линейной зависимости вида Reff=A*Pmax+B между степенью поляризации и эффективным радиусом. Как показал анализ, для Уссурийска A=-1.88, B=1.55; для Xinglong A=-2.32, B=1.80; для Hokkaido University A = -1.62, B=1.34. 8. Методом физической оптики были рассчитаны матрицы рассеяния для очень больших частиц (размерный параметр 1000, что на длине волны 0.67 мкм соответствует частице с радиусов 106 мкм) и различных значений показателя преломления для частицы агломерата с фактором заполнения 32%. Показано, что для таких частиц также выполняется закон Умова, однако с ростом мнимой части показателя преломления (при величине 0.002) она становится полностью поглощающей частицей. 9. Выполнялись расчеты матриц рассеяния для частиц агломератов, которые удовлетворительно описывают оптические и поляризационные свойства пылевого и городского аэрозолей, до размерного параметра x<=83.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
1. Разработана методика определения геометричческого альбедо и концентрации частиц атмосферного аэрозоля (не сферического) на основе измерений деполяризационного отношения. Метод позволяет оценить не толко геометрическое альбедо, но и показатель преломления. Zubko, Evgenij, Konstantin Shmirko, Andrey Pavlov, Wenbo Sun, Gregory L. Schuster, Yongxiang Hu, Snorre Stamnes, et al. 2021. “Active Remote Sensing of Atmospheric Dust Using Relationships Between Their Depolarization Ratios and Reflectivity.” Opt. Lett. 46 (10): 2352–55. https://doi.org/10.1364/OL.426584. 2. На основе обработки большого объема экспериментальных данных показано, что добавление показателя преломления в регрессионную модель существенно улучшает качество аппроксимации (R2=0.94 против R2=0.84). Определены границы применимости подхода на основе регрессионных соотношений - доля сферического аэрозоля < 15%. 3. В результате численных экспериментов получено, что: (а) вклад поляризации поверхности в поляризацию восходящего излучения на уровне верхней границы атмосферы незначителен и в большинстве случаев не превышает 5-6%; вместе с тем, вклад поверхности в отраженную радиацию в целом является существенным и может достигать 25-35%; (б) применение закона Ламберта и использование предположения об изотропности поверхности при ее анизотропности приводит к большим ошибкам в расчетах вектора Стокса при наблюдении из космоса и не позволяет выявить тонкие особенности угловой структуры отраженной радиации, обусловленные сильной угловой асимметрией матрицы отражения BPDF. 4. Показано, что рассмотрение диаграмм рассеяния степени поляризации на динах волн 490, 670, 865 позволяет выделить особенности, характерные для различных состояний атмосферы и подстилающей поверхности в оптически-трудных районах. 5. Разработана методика проведения поляризационных измерений при закатном небе. Она позволяет восстанавливать функцию распределения частиц по размерам. 6. Создан банк данных оптических свойств частиц различной формы (сферы, сфероиды, агломераты обломков, выпуклые многогранники).

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
1) С 2021 г. по 2022 г., В течении 10 дней, нами былo проведенo 55 измерений атмосферы с использованием оборудования Уссурийской астрофизической обсерватории Института прикладной астрономии РАН: телескопа RC-500 (D = 0.5 м, F = 4 м), штатного поляриметра, светофильтра R Кузиновской фотометрической системы (λ = 0.64 мкм, Δλ = 0.16 мкм) и приемника излучения ZWO ASI 6200 pro (разрешение 9576 пикселя × 6388 пикселя, размер пикселя 3.76 мкм). Данная оптическая система используется в поляриметрических исследованиях комет и астероидов. В приложении к частицам атмосферного аэрозоля, измерения проводились главным образом, в гражданских сумерках; отрицательный угол места Солнца, до 6° под горизонтом. При этом, верхние слои атмосферы оказываются освещены солнечным светом, а нижние слои атмосферы и подстилающая поверхность находятся в тени. В утренних гражданских сумерках, она уменьшается от 35 км до 0 км (рассвет). Наши измерения охватывали весь этот диапазон. Моделирование угловых профилей степени линейной поляризации в 70% случаев показало неоднородность микрофизических свойтсв частиц взвешенных в атмосфере. Обнаружено присутствие в атмосфере аэрозолей основных типов химического состава: водяного льда, минеральной пыли, городского аэрозоля, продуктов горения и, вероятно, частиц, образовавшихся в результате выпадения межпланетной пыли в атмосферу Земли. Во всех случаях, когда измерения охватывали диапазон малых фазовых углов, нами обнаружено явление отрицательной поляризации света, имеющего амплитуду |Pmin| ≈ 6%. Моделирование показывает, что такая амплитуда отрицательной поляризации накладывает важные ограничение на мнимую часть показателя преломления Im(m) ≤ 0.02 и показатель степени в степенном законе распределения частиц по размерам n ≤ 3. Нами было обнаружено присутствие в атмосфере аэрозолей основных типов химического состава: водяного льда, минеральной пыли, городского аэрозоля, и продуктов горения. Кроме того, было обнаружено присутствие частиц, состоящих из тугоплавких материалов, на больших высотах, > 20 км. 2) Лидарные и солнцефотометрические исследования в переходной зоне материк-океан, проводимые нами в период выполнения проекта показали, что для случая линейной деполяризации >10% (предположительно пылевые выносы из пустынь Гоби, Такламакан, Бадын-Джаран), существует хорошее совпадение с теоретическима расчетами [1] зависимости lgA от mu_L. Далее, мы провели разведывательный анализ накопленных экспериментальных данных, который показал, что наиболее выжные переменные для оценки и прогнозирования значений действительной части показателя преломления это: лидарное отношение, аэрозольное деполяризационое отношение, параметр ангстрема для ослабления. Учитывая эт факторы нами была построена модель классификации, позволяющаяя с R2 = 80% предсказать значение действительной части показателя преломления атмосферного аэрозоля. Надо отметить, что все выделенные параметры определяются при помощи аэрозольного лидара. 3) Намы были проведены расчеты и проанадизировано поведение графиков Умова для случая круаных частиц с размером более 100 мкм. В этом случае удалось выделить две области: где закон Умова выполняется, и где он нарушается. Параметром для разделения этих областей является значение мнимой части показателя преломления. Таким образом был сделан важный вывод: эффект Умова для крупных (размерный параметр больше 1000) частиц наблюдается в ограниченном диапазоне значений мнимой частиц показателя преломления. В случае больших значений мнимой части показателя преломления рассеяния на крупной частицы определяется только внешним отражением от частицы, поскольку прошедшее внутрь частицы излучение полностью поглощается средой. Таким образов в области, где справедлив эффект Умова одновременное измерение геометрического альбедо и максимума степени поляризации позволяет определить значение вещественной части показателя преломления даже при неизвестных мнимой части показателя преломления и размере частиц. Также установлено, что в области, где выполняется эффект Умова, степень деполяризационного отношения также связана с комплексным значением показателя преломления и размером частицы. Однако в области, в которой решение переходит в режим насыщения, то есть в случае, когда мнимая часть показателя преломления больше 0.001 – 0.01(для рассматриваемых в проекте частиц размерами 100-200 мкм), восстановление микрофизических параметров становиться практически не возможно, поскольку максимум степени поляризации и деполяризационное отношение достигают своих экстремумов, а геометрическое альбедо определяется главным образом геометрическим сечением частицы. 4) Реализован и внедрен в радиационную модель MCPOLART (Monte Carlo codes for POLArised Radiative Transfer simulation) алгоритм метода Монте-Карло, предназначенный для моделирования переноса поляризованного излучения в атмосфере над анизотропной поверхностью. С помощью обновленной модели проведены расчеты вектора Стокса и степени поляризации в безоблачной атмосфере с использованием разных типов аэрозольных частиц (континентальный, городской и морской типы аэрозоля) и моделей отражения излучения от подстилающей поверхности; проведены расчеты вектора Стокса и степени поляризации в атмосфере со сплошной жидкокапельной или кристаллической облачностью для различных значений оптических параметров облаков, показано, что сплошная облачность является главенствующим фактором, формирующим угловое распределение интенсивности излучения и вектора Стокса в целом; поляризационные эффекты, сопоставимые в некоторой степени с наблюдаемыми поляризационными эффектами в безоблачной атмосфере, проявляются преимущественно лишь при оптически тонкой сплошной перистой облачности; с использованием нового алгоритма проведены расчеты вектора Стокса и степени поляризации, позволяющие оценить погрешности ΔI, обусловленные пренебрежением свойств поверхностного слоя океана при моделировании отражения излучения; анализ результатов численных экспериментов свидетельствуют о том, что (а) в зависимости от параметров наблюдения и освещения ошибка ΔI может достигать порядка 10%, (б) при зондировании атмосферы при зенитных углах Солнца более 75° или в периоды, когда Солнце находится вблизи горизонта, влияние значений концентрации хлорофилла и феофитина фитопланктона на вектор Стокса и параметр I в частности следует считать несущественным, (в) для рассмотренного диапазона изменения входных параметров ошибка расчета степени поляризации p может достигать 20%, если при моделировании пренебрегать процессами, происходящими в поверхностном слое и использовать МТ-модель (модель Мищенко-Трэвиса) отражения света от океанической поверхности. 5) Анализируя данные многоугловыз поляризационых измерений нами были выявлены следующие прараметры, с помощью которых можно определить тип атмосферного арозоля и классифицторовать подстилающую поверхность. К такой характеристике относится поляриметрический цвет, формируемый из максимальных значений степени поляризации (Pmax) в диапазоне фазовых углов 20-120 градусов на трех длинах волн: 490 нм, 670 нм и 865 нм. (Либо вместо максимальных значений могут быть использованы значения степени поляризации при фазовом угле 90 градусов (P90)). Показано, что угол, на котором степень поляризации максимальна (a_Pmax); угол, на котором степень поляризации минимальна (a_Pmin); угол, на котором находится точка перегиба на зависимости степени поляризации (P) от фазового угла (a_Pmid) являются чувствительными к смене воздушных масс. Проанализировано 8 комбинаций состоящих из 4 типов атмосферы и 4 типов подстилающей поверхности: облачность, наличие пылевого аэрозоля, чистая атмосфера, наличие водной дымки и вынос большого количества взвешенных веществ, относительно чистые морские воды, где оптические характеристики определяются процессами функционирования клеток фитопланктона. Предложенные выше характеристики позволят разделить такие ситуации.