Национальный цифровой ресурс Руконт - межотраслевая электронная библиотека (ЭБС) на базе технологии Контекстум (всего произведений: 634840)
Контекстум
Руконтекст антиплагиат система
Оптика атмосферы и океана

Оптика атмосферы и океана №4 2012 (752,40 руб.)

0   0
Страниц86
ID200462
АннотацияЖурнал посвящен проблемам атмосферной оптики, включая спектроскопию, турбулентность, нелинейные явления в атмосфере и океане. Кроме того, к основным направлениям журнала относятся дистанционное зондирование атмосферы и подстилающей поверхности с космических, наземных, судовых и самолетных станций; исследования, связанные с климатом и экологией, а также созданием, испытанием и применением приборов и методов для таких исследований, включая обработку получаемой информации (обратные задачи, передача изображений, адаптивная оптика, лазеры, лидары.
Оптика атмосферы и океана : Научный журнал .— Новосибирск : Издательство Сибирского отделения Российской академии наук .— 2012 .— №4 .— 86 с. — URL: https://rucont.ru/efd/200462 (дата обращения: 27.04.2024)

Предпросмотр (выдержки из произведения)

«Оптика атмосферы и океана», 25, № 4 (2012) РАСПРОСТРАНЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛН УДК 551.593.13:621.396.96 Спектры мерцаний, формируемых неоднородностями с переменной анизотропией <...> А.М. Обухова РАН 119017, г. Москва, Пыжевский пер., 3 Поступила в редакцию 8.07.2011 г. Проведены расчеты спектров мерцаний звезд, наблюдаемых сквозь атмосферу Земли на космических аппаратах. <...> Рассмотрены три различные модели 3D-спектра неоднородностей, формирующих мерцания: изотропные, анизотропные и неоднородности с переменной анизотропией. <...> Вычислены 2D- и 1D-спектры мерцаний для фазового экрана в приближении слабых мерцаний. <...> Показано, что одномерные спектры для разных моделей неоднородностей могут быть близки друг к другу. <...> Ключевые слова: зондирование атмосферы из космоса, турбулентность, анизотропные и изотропные неоднородности, переменная анизотропия, спектры слабых мерцаний; sounding of atmosphere from space, turbulence, anisotropic and isotropic irregularities, variable anisotropy, weak scintillation spectra. <...> Второй анизотропные неоднородности, которые рассматривались в работах по сильным мерцаниям [57]. <...> © Федорова О.В., 2012 возможность возникновения сильно анизотропных неоднородностей температуры и скорости ветра в нелинейном поле случайных внутренних волн в устойчиво-стратифицированной атмосфере. <...> Для изотропных неоднородностей использовался спектр КолмогороваОбуховаКорзина [4] с внутренним и внешним масштабами: 1 (k) = C2 (K 2 + *2 ) 11 6 exp K2 2 2 2 , K = k + kz , (1) 2m где kz вертикальное волновое число; k волно2 2 2 вое число в горизонтальной плоскости: k = k x + k y. <...> 2 Структурная характеристика С задает «мощность» изотропных неоднородностей, *, m определяют соответственно внешний 2/* и внутренний 2/m масштабы. <...> Для анизотропных неоднородностей, аналогично [57], использовалась следующая модель 3Dспектра: 297 жении слабых мерцаний. <...> Такая формула обеспечивает для горизонтального спектра относительных флуктуаций температуры пропорциональность волновому числу в сте5 пени 5/3 [10]. <...> Спектр, формируемый изотропными неоднородностями <...>
Оптика_атмосферы_и_океана_№4_2012.pdf
«Îïòèêà атмосферы и îêåàíà», 25, ¹ 4 (2012) РАСПРОСТРАНЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛН УДК 551.593.13:621.396.96 Спектры мерцаний, формируемых неоднородностями с переменной анизотропией * О.В. Федорова Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН 119017, ã. Ìîñêâà, Пыжевский ïåð., 3 Поступила в редакцию 8.07.2011 ã. Проведены расчеты спектров мерцаний звезд, наблюдаемых сквозь атмосферу Земли на космических аппаратах. Рассмотрены три различные модели 3D-спектра неоднородностей, формирующих мерцания: изотропные, анизотропные и неоднородности с переменной анизотропией. Вычислены 2D- и 1D-спектры мерцаний для фазового экрана в приближении слабых мерцаний. Показано, что одномерные спектры для разных моделей неоднородностей могут быть близки друг к другу. Учет переменной анизотропии не меняет радикально характер спектров по сравнению с моделью неоднородностей с постоянной анизотропией. Ключевые слова: зондирование атмосферы из космоса, турбулентность, анизотропные и изотропные неоднородности, переменная анизотропия, спектры слабых ìåðöàíèé; sounding of atmosphere from space, turbulence, anisotropic and isotropic irregularities, variable anisotropy, weak scintillation spectra. Введение Атмосфера содержит неоднородности плотности различных типов, влияющие на общую циркуляцию и определяющие статистические свойства световых и акустических волн, распространяющихся сквозь атмосферу. Исследование неоднородностей в верхней тропосфере и нижней стратосфере имеет важное практическое значение, связанное с безопасностью полетов воздушной техники [1]. Одним из способов изучения неоднородностей является активно развивающийся в последние десятилетия метод наблюдения со спутников сквозь атмосферу мерцаний излучения звезд либо источников, находящихся на борту космических аппаратов, в оптическом или радиодиапазонах. Как показали эти исследования, в устойчиво-стратифицированных слоях атмосферы неоднородности вытянуты в горизонтальном направлении [2, 3]. Свойства трехмерных неоднородностей характеризуются их 3D-спектром, который определяет вид 2D- и 1D-спектров формируемых мерцаний. Поскольку 2D-спектры мерцаний измерять трудно, в эксперименте, как правило, измеряются 1D-спектры. В настоящей статье рассматриваются спектры мерцаний, порождаемые тремя различными типами неоднородностей. Первый тип – изотропные неоднородности. Формируемые ими спектры мерцаний исследуются давно [4], и мы приводим их только для сравнения. Второй – анизотропные неоднородности, которые рассматривались в работах по сильным мерцаниям [5–7]. Третий из рассматриваемых здесь 3D-спектров вначале был предложен И.П. Чунчузовым в [8], где была развита теория, показавшая ______________ * Ольга Владимировна Федорова (ovfedorova@mail.ru). © Федорова Î.Â., 2012 возможность возникновения сильно анизотропных неоднородностей температуры и скорости ветра в нелинейном поле случайных внутренних волн в устойчиво-стратифицированной атмосфере. Затем этот спектр был модифицирован в [9, 10], где было учтено плавное уменьшение анизотропии неоднородностей при уменьшении их вертикального масштаба. Спектры мерцаний, формируемые неоднородностями с переменной анизотропией, до сих пор не исследовались. Здесь они вычисляются и сравниваются со спектрами, формируемыми изотропными и анизотропными неоднородностями. 1. Уравнения для трех вариантов 3D-спектра ных флуктуаций N – показателя преломления: ν = ( = –.N NN Для изотропных неоднородностей использовался спектр Колмогорова–Обухова–Корзина [4] с внутренним и внешним масштабами: Будем рассматривать 3D-спектры относитель) Φ= + κ  κ 1 ( )k CK νν( 22 –2 *  2 11 ) exp – , m 6  22 2,zKk k (1) K 2 =+ ⊥ Структурная характеристика С ν 2 задает «мощность» где kz – вертикальное волновое число; k⊥ – волновое число в горизонтальной плоскости: k ⊥ 2 = k x 2 + k y 2. изотропных неоднородностей, κ*, κm определяют соответственно внешний 2π/κ* и внутренний 2π/κm масштабы. Для анизотропных неоднородностей, аналогично [5–7], использовалась следующая модель 3Dспектра: 297
Стр.1
Φ= η + κ  κ 22 –5 22 2( 2* 2 ν k CKan ) ( Kk zk an =η ⊥ + 22 2 ) exp – , w  2  K 2, (2) где η – коэффициент анизотропии. В экспоненту в (2) вертикальное и горизонтальное волновые числа входят одинаковым образом, так как внутренний масштаб κw связан с молекулярной вязкостью. При κ* << κw спектр (2) имеет достаточно протяженный интервал κ* << Kan << κw, внутри которого приближенно выполняется степенная зависимость Φ2ν ∼ η2K an –5. Этот спектр переходит в изотропный при масштабировании по оси Z. 3D-спектр относительных флуктуаций показателя преломления, основанный на предложенном в [9, 10] 3D-спектре относительных флуктуаций температуры, имеет вид Φ= ωηCT k  η 3(k) ν 30 BV z 2gkz 24 2 * 2 52 () exp – κw 2 Ч  κ Rkk k+ ⊥     22 exp – . zz  22 ×  kkz 2kz ⊥ () (3) Здесь T0 – температура невозмущенной среды на данной âûñîòå; ωBV – частота Áðåíòà–Âÿéñÿëÿ; g – ускорение силы тяжести. Уравнение (3) так же, как и (1) и (2), включает два характерных ìàñøòàáà. Вблизи внутреннего масштаба κw происходит сток энергии в турбулентность из-за процессов обрушения волн. Кроме того, в (3) неявно присутствует третий характерный масштаб κM. Он появляется в уравнении, характеризующем зависимость коэффициента анизотропии от вертикального волнового числа: η= κw () η0 221 k kz Mz  2  +  κ+ . (4) В (4) предполагается, что большая анизотропия крупномасштабных неоднородностей начинает существенно меняться при возрастании kz до некоторого κM > κ*. При дальнейшем возрастании kz коэффициент анизотропии начинает убывать очень медленно, выходя на некоторое постоянное значение, равное η0 > 1. Такая формула обеспечивает для горизонтального спектра относительных флуктуаций температуры пропорциональность волновому числу в степени –5/3 [10]. Íàêîíåö, kkR() (1zz +κ 5 ** kz κ= κ + 5 * ) – регуляризирующая функция, включение которой в (3) необходимо для того, чтобы существовала дисперсия ν. 2. Двумерные и одномерные спектры мерцаний Спектры относительных флуктуаций интенсивности излучения рассчитывались для используемой в [5–7, 11, 12] модели фазового экрана в ïðèáëè298 жении слабых мерцаний. Двумерный спектр в плоскости наблюдения следующим образом связан с 3Dспектром неоднородностей [13]: Fk k C k kz Iz y(, ) (1) y =Φ   ν(0, , ) sin 2 () Lk k zy 2k0 +  22  , (5) где L – расстояние от фазового экрана до плоскости наблюдения; k0 = 2π/λ, λ – длина âîëíû. Параметр C здесь нас интересовать не будет, так как все вычисленные спектры будут нормироваться на дисперсию мерцаний β 0 ∞∞ 2, пропорциональную C: β= ∫∫ –– 2(1) 0 ∞∞ При расчетах использовались следующие значения параметров: L = 3000 êì, λ = 500 íì, κm = 1 ðàä/ì, κw = 1 ðàä/ì, κ* = 0,005 ðàä/ì, коэффициент анизотропии для (2) принят равным 10, так как для такого значения слабо сказывается влияние сферичности, которая здесь не учитывается. Для модели (3) максимальное значение коэффициента анизотропии ηmax, соответствующее kz = 0, также принималось равным 10, откуда κM = 0,5 ðàä/ì. Для принятых значений L и λ радиус Френеля RF равен 0,489 ì, поэтому безразмерные величины масштабов составляют κmRF = κwRF = 0,489, κ*RF = 0,00244. Принятые значения параметров являются модельными, но расчеты, проведенные для других значений масштабов, показывают, что основные полученные закономерности сохраняются. Далее все результаты представлены в безразмерных координатах. Спектр, формируемый изотропными неоднородностями (1), является функцией одной переменной, но в моделях (2) и (3) присутствует анизотропия, поэтому соответствующие им 2D-спектры необходимо изображать на двумерном графике (рис. 1). Так же, как в [12], спектральная плотность умножена на оба волновых числа и, кроме того, нормирована на β 0 2. 2D-ñïåêòð для (1) симметричен. Максимумы спектров для (2) и (3) сдвинуты влево относительно (1) на порядок и более из-за присутствия анизотропии. Друг от друга спектры для (2) и (3) отличаются, главным образом, в области максимума. Для (3) эта область смещена вправо и вытянута по сравнению с областью до (2). Кроме того, правый конец спектра (3) сжат по вертикали. Одномерные спектры получаются интегрированием двумерного спектра. 1D-спектр, измеренный вдоль прямой, наклоненной под углом α к вертикали, вычисляется следующим образом: ∞ Vk F kII( cos – sin , sin cos ) , –∞ (1) ( , ) α= ′′ ′ ∫ (1) α k kα α + α k dk где k – волновое число вдоль этой ïðÿìîé. При α = 0 измеряется вертикальный спектр, интегрирование производится по горизонтальной ïðÿìîé. Угол α = 90° соответствует горизонтальному спектру, интегрирование идет по вертикальной прямой. В случае проФедорова Î.Â. I zy z y Fk k (, )dk dk . (6)
Стр.2
моделей с анизотропией должны отличаться от спектра для изотропной модели. На рис. 2 приведены спектр мерцаний для модели (1), а также вертикальные и горизонтальные спектры для моделей (2) и (3). а Рис. 2. Спектр модели (1), вертикальные и горизонтальные спектры для моделей (2), (3), вертикальный спектр модели (3) для значения ηmax плотности на волновые числа нормированы на дисперсии мерцаний β 0 = 100. Произведения спектральной 2 Кроме того, для сравнения показан вертикальб ный спектр для (3) при значении ηmax = 100 (ãîâîðèòü о горизонтальном спектре для этого случая нельзя без учета сферичности). Произведения спектральной плотности на соответствующие волновые числа также нормированы на дисперсии мерцаний β 0 2. Можно в Ðèñ. 1. 2D-ñïåêòðû ìåðöàíèé: а – для модели (1); б – для модели (2); в – для модели (3). Приведены линии уровней величины lg kk IF k k {}. Цифры на линиях (1) β  zy z y ( , ) 2 0 соответствуют следующим значениям: 1 – –5; 2 – –4,5; 3 – –4; 4 – –3,5; 5 – –3; 6 – –2,5; 7 – –2; 8 – –1,5 извольного угла зондирования прямые при представлении в логарифмическом масштабе преобразуются в изогнутые траектории, примеры которых приведены в [12]. Уже по виду 2D-ñïåêòðîâ на рис. 1 можно заключить, что вертикальные спектры для всех моделей должны быть похожи друг на друга, так как максимумы спектров расположены примерно на одном уровне по вертикальной координате, в то время как горизонтальные спектры для отметить большее сходство вертикального спектра для (2) с изотропным спектром, чем с вертикальным спектром для (3), хотя положение максимумов различается не более чем в 3 раза. Горизонтальные спектры для (2) и (3) отличаются более существенно. Спектр (3) распространяется вправо на больший интервал волновых чисел. Однако можно сделать вывод, что различия одномерных спектров недостаточно велики, чтобы можно было с уверенностью сделать выбор в пользу одной из этих моделей. Спектр для (3) с ηmax = 100 занимает промежуточное положение между вертикальными и горизонтальными спектрами для (2) и для (3) с ηmax = 10. В [12] было показано, что для анизотропных спектров мерцаний с η = 10 ч 30 при увеличении угла α приближение формы одномерного спектра к форме горизонтального спектра происходит в узком интервале α вблизи 90°. Рассмотрение этого же приближения демонстрирует отличия между моделями (2) и (3). На рис. 3 показано, как трансформируются одномерные спектры при переходе от вертикального зондирования к горизонтальному. Сравнивая верхнюю панель для (2) с нижней для (3), âèäèì, что для модели (3) спектр быстрее приближается к горизонтальному при увеличении угла наклона α: если для (2) при α = 85° спектр еще Спектры мерцаний, формируемых неоднородностями с переменной анизотропией 299
Стр.3