Способ определения оптической толщины атмосферы
METHOD OF DETERMINING OPTICAL THICKNESS OF ATMOSPHERE

Изобретение относится к средствам диагностики характеристик атмосферы, в частности к дистанционному определению оптической толщины безоблачной атмосферы в широком спектральном диапазоне.
Оптическая толщина (далее ОТ) атмосферы определяется рассеянием света на аэрозольных частицах (аэрозольное рассеяние) и на молекулах (молекулярное рассеяние или рассеяние Рэлея).
2
Аэрозольные частицы, присутствующие в атмосфере, непосредственно влияют на величины составляющих радиационного баланса системы «Земля-атмосфера»: ослабляют потоки прямой солнечной радиации, приходящей к поверхности; активно участвуя в процессах конденсации водяного пара, приводят к изменению характеристик облачного покрова, т.е. к изменению суммарного альбедо облачного покрова Земли. В некоторых случаях, если аэрозольные частицы обладают поглощающими свойствами, они влияют на перераспределение теплового излучения в толще атмосферы. Таким образом, атмосферный аэрозоль может вызывать климатические изменения посредством так называемого «радиационного форсинга». Суммарный прямой эффект влияния аэрозольной составляющей на радиационное выхолаживание атмосферы оценивается величиной от -0,9 до -0,1 Вт/м. В среднем это компенсирует 1/3 величины радиационного прогрева атмосферы за счет углекислого газа. В условиях сегодняшнего внимания к проблеме климатических изменений необходимо получение экспериментальных данных о вариациях аэрозоля в различных регионах планеты. Известны «всплески» аэрозольного замутнения после взрывных извержений вулканов Эль-Чичон (1982 г.) и Пинатубо (1991 г.). В этих эпизодах увеличение оптической толщины определялось, прежде всего, выбросом продуктов вулканической деятельности в стратосферу, т.е. стратосферным аэрозолем.
ОТ атмосферы играет важную роль в дистанционном зондировании морской поверхности. ОТ атмосферы определяет угловое распределение яркости безоблачного неба. Знание ОТ позволяет моделировать угловое распределение яркости неба в задачах оптической дистанционной диагностики морской поверхности, таких как определение спектра волнения по оптическому изображению морской поверхности, загрязнений на морской поверхности, проявлений приповерхностных процессов (нестационарных ветров, внутренних волн и т.д.).
ОТ атмосферы определяется по результатам фотометрирования прямого солнечного излучения (метод прозрачности) в нескольких спектральных участках из соотношения (Е.Н. Русина, В.Ф. Радионов, Е.Е. Сибир. Результаты мониторинга аэрозольной составляющей атмосферы в средних и высоких широтах и над акваторией мирового океана. Проблемы Арктики и Антарктики. 2016, №2):
h
0
2
2
где S - измеренная при высоте Солнца h и приведенная к среднему расстоянию от Земли до Солнца прямая солнечная радиация (кВт/м); S - заатмосферная солнечная постоянная; Р - коэффициент интегральной прозрачности. ОТ позволяет косвенно судить об аэрозольном ослаблении в атмосфере, поскольку представляет собой ОТ атмосферы для прямой солнечной радиации в диапазоне длин волн Δλ=0,3-4 мкм. Ее вариации в этом диапазоне длин волн определяются главным образом содержанием в атмосфере аэрозоля и водяного пара.
В измерениях используются стандартные солнечные фотометры с узкоугольным полем зрения. Например, в сети солнечных фотометров AERONET ОТ атмосферы определяется в нескольких узкополосных спектральных диапазонах (шириной 5-10 нм). Знание ОТ в определенных спектральных диапазонах необходимо для восстановления дисперсного состава аэрозоля в атмосфере, также рассчитывается влагосодержание атмосферы по данным измерения солнечной радиации в каналах 0,97 мкм (полоса поглощения водяного пара) и 0,87 мкм.
Также для измерений аэрозольной оптической толщины используется фотометр SPM, разработанный в ИОА СО РАН, который регистрирует и записывает сигналы, приходящие от Солнца при безоблачном небе в 10 узкополосных спектральных каналах 339, 373, 439, 499, 673, 871, 939, 1044, 1555 и 2139 нм (К.М. Фирсов, Е.В. Бобров. Восстановление оптической толщи аэрозоля из наземных измерений солнечным фотометром SPM. ISSN 2222-8896. Вестн. Волгогр. гос. ун-та. Сер. 1, Мат. Физ. 2014. №2 (21)). В определении прямой солнечной радиации участвует весь атмосферный слой, поэтому ОТ атмосферы, определенная солнечным фотометром, еще называется интегральной ОТ.
Солнечные фотометры требуют периодической калибровки коэффициента пропускания света во всех спектральных диапазонах, знания заатмосферной солнечной постоянной. Кроме того, они определяют ОТ только в направлении на Солнце и не могут регистрировать пространственное распределение ОТ.
Также известны лидарные и спутниковые методы измерения ОТ атмосферы. Достоинством спутниковых систем является широта охвата, позволяющая описывать поля распределения оптических характеристик атмосферы и подстилающей поверхности Земли (например, радиометры MODIS на спутниках TERRA и AQUA). Однако неопределенность в отражательной способности поверхности над территорией суши приводит к тому, что аэрозольная оптическая толща измеряется в ограниченном спектральном интервале, и как следствие, восстановление дисперсного состава аэрозоля представляет значительную проблему.
Все эти способы требуют дорогостоящего оборудования, специальной калибровки оборудования, программного обеспечения для восстановления оптической толщины на основе различных моделей атмосферы.
Основной особенностью, отличающей дистанционные методы исследования от контактных, является непрямой характер наблюдения физических процессов и измерения их параметров. Дистанционные методы определения ОТ основаны на моделях атмосферы, среди которых наиболее распространена модель непоглощающей плоскопараллельной атмосферы.
Наиболее близким по технической сущности к разработанному способу является описанный в работе Баханов В.В., Демакова А.А., Титов В.И. «Пригоризонтный максимум яркости безоблачного неба» (Морской гидрофизический журнал. 2018. Т. 34. №6(204). С. 477-488,. doi:10.22449/0233-7584-2018-6-477-488) способ определения ОТ атмосферы с помощью фотоаппарата в R,G,B спектральных диапазонах света в реальном времени, который не требует сложного дорогостоящего оборудования и его калибровки.
В данной работе показано, что в рамках модели однократного рассеяния света в плоскопараллельной атмосфере описывается так называемый пригоризонтный максимум яркости неба. В частности, оказалось, что угловая высота над горизонтом максимума яркости безоблачного неба зависит от длины волны света: при увеличении длины волны света угловая высота уменьшается. В работе предложен алгоритм оценки ОТ атмосферы, в котором используется значение угловой высоты пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба для трех спектральных окон оптического спектра R,G,B. С помощью предложенного алгоритма по цифровым фотоснимкам горизонта моря получены оценки ОТ атмосферы для трех спектральных окон оптического спектра R, G и В. Полученные оценки ОТ находятся в согласии с известными результатами натурных измерений ОТ атмосферы (Д.В. Калинская. Исследование особенностей оптических характеристик пылевого аэрозоля над Черным морем. Морской гидрофизический институт НАН Украины, г. Севастополь. 2012).
В данном способе с помощью фотоаппарата получают оптическое изображение неба вблизи горизонта с «захватом» линии горизонта в трех спектральных окнах оптического спектра, сканируют оптические изображения в направлении, перпендикулярном изображению линии горизонта от некоторой точки на линии горизонта для получения углового распределения яркости неба вблизи горизонта в каждом спектральном окне, изменением положения точки на линии горизонта определяют азимутальную зависимость ОТ, строят экспериментальную угловую зависимость яркости неба вблизи горизонта и вычисляют экспериментальное значение угловой высоты пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба в каждом спектральном окне, при этом ОТ атмосферы получают, решая задачу «обращения» модельной зависимости угловой высоты пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба от ОТ атмосферы в некотором направлении визирования, определяющемся выбором точки на линии горизонта, причем для решения задачи «обращения» в каждой точке модельной зависимости угловой высоты пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба от ОТ атмосферы для середины каждого спектрального окна используют сравнение с угловой высотой пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба, определенной по экспериментальной угловой зависимости яркости неба вблизи горизонта, при этом в расчетах модельной зависимости угловой высоты пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба от ОТ атмосферы учитывают зенитное и азимутальное угловые расстояния солнца относительно направления наблюдения в момент регистрации углового распределения яркости неба вблизи горизонта и длину волны света, соответствующую середине каждого спектрального окна.
Такой способ позволяет получать пространственное распределение ОТ по азимуту с одного снимка в угловом диапазоне, определяемом направлением визирования фотоаппарата и угловой шириной диаграммы направленности объектива фотоаппарата. Пространственное распределение ОТ может определяться изменчивостью пространственного распределения аэрозоля (например, так называемые «выносы» аэрозоля). Также такой способ не требует калибровки коэффициента пропускания света, так как основан не на измерении пропускания света (метод прозрачности), как в солнечных фотометрах, а на регистрации положения угловой высоты пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба. Способ не требует сложного дорогостоящего оборудования.
Недостатками прототипа являются невозможность получения значений ОТ с высоким спектральным разрешением (в случае фотоаппарата ширина спектральных окон R,G,B достаточно велика: они имеют ширину 50-100 нм и даже частично перекрываются) в широком спектральном диапазоне, а также низкое временное разрешение, которое ограничивается временем получения одного снимка фотоаппаратом.
Таким образом, существует потребность в разработке способа определения оптической толщины атмосферы, имеющего такие преимущества прототипа, как отсутствие калибровки, простота и дешевизна, но обеспечивающего измерение ОТ атмосферы в узких спектральных окнах в широком диапазоне оптического спектра, как в солнечных фотометрах в сети AERONET, а также хорошим пространственным и временным разрешением, что позволит решать новые задачи такие, как восстановление дисперсности аэрозоля.
Задачей, решаемой настоящим изобретением, является разработка способа определения ОТ атмосферы, который обладает более высокой по сравнению с прототипом спектральной точностью (более высоким спектральным разрешением) в широком диапазоне оптического спектра, как у фотометра, а также высоким пространственным и временным разрешением.
Положительный эффект достигается тем, что в способе определения оптической толщины атмосферы получают не менее чем одно оптическое изображение неба вблизи горизонта с «захватом» линии горизонта не менее чем в трех спектральных окнах оптического спектра, строят экспериментальную угловую зависимость яркости неба вблизи горизонта и вычисляют экспериментальное значение угловой высоты пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба в каждом спектральном окне, при этом оптическую толщину атмосферы получают, решая задачу «обращения» модельной зависимости угловой высоты пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба от оптической толщины атмосферы в некотором направлении визирования, причем для решения задачи «обращения» в каждой точке модельной зависимости угловой высоты пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба от оптической толщины атмосферы для середины каждого спектрального окна используют сравнение с угловой высотой пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба, определенной по экспериментальной угловой зависимости яркости неба вблизи горизонта, при этом в расчетах модельной зависимости угловой высоты пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба от оптической толщины атмосферы учитывают зенитное и азимутальное угловые расстояния солнца относительно направления наблюдения в момент регистрации углового распределения яркости неба вблизи горизонта и длину волны света, соответствующую середине каждого спектрального окна.
Новым является то, что получают одномерные оптические изображения неба вблизи горизонта с «захватом» линии горизонта с синхронизированных оптических систем с высокой частотой кадров (десятки и сотни герц) на основе линеек ПЗС-фотодиодов с одинаковым азимутальным направлением с чувствительностью в различных узких спектральных окнах в широком диапазоне оптического спектра, определяемых установленными на объективах линеек узкополосными оптическими интерференционными фильтрами либо наборами узкополосных быстросменных оптических интерференционных фильтров, при этом повышения пространственного разрешения достигают путем использования оптических систем на основе линеек ПЗС-фотодиодов, сканирующих по азимуту, либо путем использования не менее чем двух наборов оптических систем на основе линеек ПЗС-фотодиодов с одинаковыми направлениями визирования, осуществляющих наблюдение в разных азимутальных направлениях.
Способ поясняется следующими чертежами:
Фиг. 1а.  Одномерные оптические изображения с захватом линии горизонта и части неба под малыми углами наблюдения для трех длин волн света 450 нм, 520 нм и 670 нм, соответствующих серединам трех узких спектральных окон.
Фиг. 1б. Зависимость угловой высоты пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба от ОТ для длины волны света 520 нм. Зенитное угловое расстояние солнца 60°, азимутальное угловое расстояние от солнца до направления наблюдения ψ=180°.
Фиг. 1в. Оптические толщины атмосферы, восстановленные по одномерным оптическим изображениям части неба с захватом линии горизонта для трех длин волн света 450 нм, 520 нм и 670 нм, соответствующих серединам трех узких спектральных окон (фиг. 1а). Сплошная линия 1 - ОТ (сумма аэрозольной и рэлеевской оптических толщин), штрих-пунктирная линия 2 - аэрозольная оптическая толщина, штриховая линия 3 - рэлеевская оптическая толщина.
Способ осуществляют следующим образом.
Получают одномерные оптические изображения неба вблизи горизонта с «захватом» линии горизонта с синхронизированных оптических систем с высокой частотой кадров (десятки и сотни герц) на основе линеек ПЗС-фотодиодов с одинаковым азимутальным направлением с чувствительностью в различных узких спектральных окнах в широком диапазоне оптического спектра, определяемых установленными на объективах линеек узкополосными интерференционными фильтрами либо наборами узкополосных быстросменных интерференционных фильтров, при этом повышения пространственного разрешения достигают путем использования оптических систем на основе линеек ПЗС-фотодиодов, сканирующих по азимуту, либо путем использования не менее чем двух наборов оптических систем на основе линеек ПЗС-фотодиодов с одинаковыми направлениями визирования, осуществляющих наблюдение в разных азимутальных направлениях, считывают с изображений экспериментальную угловую зависимость яркости неба вблизи горизонта и вычисляют экспериментальное значение угловой высоты пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба в каждом узком спектральном окне, при этом оптическую толщину атмосферы получают, решая задачу «обращения» модельной зависимости угловой высоты пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба от оптической толщины атмосферы в некотором направлении визирования, причем для решения задачи «обращения» в каждой точке модельной зависимости угловой высоты пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба от оптической толщины атмосферы для середины каждого узкого спектрального окна используют сравнение с угловой высотой пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба, определенной по экспериментальной угловой зависимости яркости неба вблизи горизонта, при этом в расчетах модельной зависимости угловой высоты пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба от оптической толщины атмосферы учитывают зенитное и азимутальное угловые расстояния солнца относительно направления наблюдения в момент регистрации углового распределения яркости неба вблизи горизонта и длину волны света, соответствующую середине каждого узкого спектрального окна.
В частном случае реализации способа по п. 2 дополнительно определяют значения аэрозольной толщины атмосферы, чтобы, например, точнее определять дисперсный состава аэрозоля в атмосфере, как это делают солнечные фотометры.
В качестве примера далее рассмотрено использование трех оптических систем на основе линеек ПЗС-фотодиодов с одинаковыми направлениями визирования. Данный пример иллюстрирует предлагаемое изобретение, но не ограничивает его.
Для данного конкретного примера вычисление модельной зависимости угловой высоты пригоризонтного максимума яркости от ОТ атмосферы для безоблачного неба проводили в приближении однократного рассеяния солнечного света в плоскопараллельной непоглощающей атмосфере, как и в прототипе, в соответствии с формулой (Chapman, R.D. Visibility of RMS variations on the sea surface // Applied Optics. 1981. Vol. 20, iss. 11. P. 1959-1966):
λ
s
s
s
n
где I- яркость неба,  πS - табулированная спектральная солнечная постоянная, h и z - угловая высота точки неба и зенитное угловое расстояние солнца, ϕ=cosz sinh+sinz coshcosψ - угол рассеяния солнечного света, ψ - азимутальное угловое расстояние солнца относительно направления наблюдения, ƒ(ϕ) - безразмерная нормированная индикатриса рассеяния света, которая является суммой релеевской и аэрозольной индикатрис рассеяния.
Здесь ОТ атмосферы в рамках этого приближения представляется суммой рэлеевской и аэрозольной толщин атмосферы, значения которых зависят от длины волны света:
r
а
где τ и τ- безразмерные рэлеевская и аэрозольная толщины атмосферы, значения которых зависят от длины волны света.
Для вычисления модельной зависимости угловой высоты пригоризонтного максимума яркости от ОТ атмосферы для безоблачного неба зададим рэлеевскую (или молекулярную) оптической толщины в зависимости от длины волны света λ в нм следующим модельным выражением (Л.С. Долин, И.М. Левин. Справочник по теории подводного видения. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 229 с.):
r
Значение рэлеевской оптической толщины для света с длиной волны 550 нм задают равным: τ(550)=0,098.
s
Для вычисления модельной зависимости угловой высоты пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба от ОТ атмосферы для середины каждого узкого спектрального окна задают значения зенитного углового расстояния солнца z, азимутального угловго расстояния солнца относительно направления наблюдения ψ в момент регистрации экспериментальной зависимости углового распределения яркости неба вблизи горизонта, длины волны света λ в нанометрах и задают некоторое значение ОТ атмосферы τ. После этого по формулам (2) - (5) вычисляют модельную зависимость углового распределения яркости неба вблизи горизонта в направлении наблюдения и по этому распределению определяют модельное значение угловой высоты пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба для данного значения ОТ атмосферы. Модельную зависимость угловой высоты пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба от ОТ атмосферы вычисляют путем «перебора» значений ОТ в некотором диапазоне значений. Диапазон значений ОТ задают исходя из предположительных значений ОТ, известных по литературным данным. Если полученное экспериментальное значение угловой высоты пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба не совпадает с модельным значением угловой высоты пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба в выбранном диапазоне значений ОТ, диапазон значений ОТ при вычислении модельной зависимости угловой высоты пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба от ОТ расширяют до определения ОТ по экспериментальному значению угловой высоты пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба.
На фиг. 1а приведен пример угловых распределений яркости неба с захватом линии горизонта и части неба под малыми углами наблюдения для трех узких спектральных окон света с центрами 450 нм, 520 нм и 670 нм, считанных с помощью трех оптических систем на основе линеек ПЗС-фотодиодов с одинаковыми направлениями визирования с различными узкополосными оптическими интерференционными фильтрами. Видны пригоризонтные максимумы яркости, угловая высота которых составляет несколько градусов и уменьшается с увеличением длины волны света. Здесь 0° - линия горизонта, вертикальные линии при угловых высотах 1,8°, 4,1° и 9,9° отмечают пригоризонтные максимумы для света с длиной волны 670 нм, 520 нм и 450 нм.
На фиг. 1б представлена рассчитанная модельная зависимость угловой высоты пригоризонтного максимума яркости неба в градусах от ОТ атмосферы для длины волны света λ=520 нм (середина спектрального окна G). Здесь жирной горизонтальной линией отмечена высота пригоризонтного максимума, определенная по фиг. 1а для длины волны света 520 нм. Абсцисса пересечения этой линии с модельной зависимостью угловой высоты пригоризонтного максимума яркости неба в градусах от ОТ атмосферы дает значение оптической толщины, (фиг. 1в, сплошная линия 1, значение для длины волны 520 нм). Аналогичные операции проводят для всех трех спектральных окон для выбранного направления визирования.
При использовании оптических систем на основе линеек ПЗС-фотодиодов, сканирующих по азимуту, либо путем использования (применительно к данному примеру) не менее чем двух наборов оптических систем на основе линеек ПЗС-фотодиодов с одинаковыми направлениями визирования, осуществляющих наблюдение в разных азимутальных направлениях, в результате получаем двумерный массив данных ОТ атмосферы в различных узких спектральных окнах и в разных азимутальных направлениях, который можно использовать для решения различных задач.
r
а
а
r
На фиг. 1в приведены оптические толщины атмосферы, восстановленные по экспериментальной зависимости яркости неба вблизи горизонта (фиг. 1б) для трех длин волн света 450 нм, 520 нм и 670 нм, соответствующих серединам трех узких спектральных окон. Сплошная линия 1 - сумма аэрозольной и рэлеевской оптических толщин, штрих-пунктирная линия 2 - аэрозольная оптическая толщина, штриховая линия 3 - рэлеевская оптическая толщина. Рэлеевская толщина атмосферы τ в зависимости от длины волны света определяется по известной модельной формуле (5), а аэрозольная оптическая толщина τ определяется как разница между полученным значением ОТ и рэлеевской толщины атмосферы (формула (4)): τ=τ-τ.
В данном примере расчеты модельной зависимости угловой высоты пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба от оптической толщины атмосферы выполнены для естественного неполяризованного света. Можно применять оптические системы на основе линеек ПЗС-фотодиодов с поляроидами, только надо пересчитать модельные расчеты для поляризованного света.
В данном примере для расчетов использовалось приближение однократного рассеяния солнечного света в плоскопараллельной непоглощающей атмосфере, как в прототипе.
Как известно, существуют различные оптические модели атмосферы. В общем случае предлагаемый способ позволяет использовать более сложные оптические модели атмосферы с помощью компьютерного моделирования, в отличие от прототипа, который был ограничен упомянутым приближением. При этом содержание предлагаемого способа не изменится. В частности, можно развить используемую оптическую модель атмосферы с учетом рассеяния света более высоких кратностей, что актуально для света неба в УФ диапазоне, где увеличиваются значения оптических толщин, учесть стратификацию по высоте оптических толщин атмосферы, учесть поглощение света в окнах поглощения газов в атмосфере. Таким образом, можно уточнить получаемые значения ОТ в разных спектральных диапазонах.
Также преимуществом предложенного способа является отсутствие необходимости дополнительной обработки исходного изображения, поскольку использование оптических систем на основе ПЗС-фотодиодов позволяет сразу регистрировать угловую зависимость яркости неба вблизи горизонта в отличие от прототипа, в котором присутствуют операции перебора точек на линии горизонта и сканирования в каждой точке. Кроме того, в предложенном способе используют оптические системы на основе линеек ПЗС-фотодиодов с высокой частотой кадров (десятки и сотни герц). Все это в совокупности позволяет осуществлять способ в реальном времени, т.е. существенно повысить временное разрешение (быстродействие).
Кроме того, использование узкополосных оптических интерференционных фильтров либо наборами быстросменных оптических интерференционных фильтров (например, барабанного, или револьверного типа) при необходимости уменьшения количества оптических систем на основе линеек ПЗС-фотодиодов позволяет получать ОТ атмосферы в узких спектральных окнах широкого диапазона оптического спектра, как в солнечных фотометрах, т.е. повысить спектральную точность по сравнению с прототипом.
Помимо этого, использованием оптических систем на основе линеек ПЗС-фотодиодов, сканирующих по азимуту (при необходимости уменьшения количества оптических систем на основе линеек ПЗС-фотодиодов), либо нескольких наборов оптических систем на основе линеек ПЗС-фотодиодов с одинаковыми направлениями визирования, осуществляющих наблюдение в разных азимутальных направлениях, достигается высокое пространственное разрешение.