Российские ученые разработали методику расчета вклада аэрозольной составляющей в яркость на верхней границе атмосферы. Предложенный метод позволит ускорить анализ данных о цвете океана, полученных в процессе дистанционного зондирования. Результаты опубликованы в журнале Applied Optics.
«Современные алгоритмы атмосферной коррекции используют описание вклада аэрозольной составляющей в яркость на верхней границе атмосферы, основанное на эмпирических данных. Помимо этого, можно применить и аналитический подход, чтобы получить формулу для оценки этого вклада», — рассказала Мария Павлова, аспирантка кафедры термогидромеханики океана ФАКТ, МФТИ.
Яркость верхней границы атмосферы — величина, которую регистрируют спутниковые сканеры цвета. Она включает в себя вклады, обусловленные рассеянием света в атмосфере (в том числе рэлеевским рассеянием чистой атмосферой и рассеянием частицами аэрозоля) и отражением от поверхности моря. Вышедшее из водной толщи излучение также вносит вклад в яркость верхней границы атмосферы. Именно яркость вышедшего из воды излучения — ключевая величина для оптики океана. По ее значениям рассчитывается коэффициент яркости моря — количественная характеристика цвета моря. А уже далее исследователи получают биооптические параметры с помощью различных алгоритмов для оценки пространственно-временных особенностей рассматриваемого региона. Одной из трудностей, с которой встречаются ученые при определении яркости вышедшего из воды излучения, является ее небольшое значение по сравнению с первоначально измеренной величиной. В лучшем случае она составляет около 10 % от общего значения, что делает задачу атмосферной коррекции трудной.
Помимо этого, проблемой при оценке атмосферного вклада в регистрируемый сигнал является точный учет оптических свойств аэрозоля. Заранее они неизвестны и определяются в процессе атмосферной коррекции. Поэтому главная задача этого исследования — получение аналитической формулы для описания аэрозольного вклада, который может использоваться при атмосферной коррекции.
Необходимость разработки нового подхода объясняется также отсутствием регулярных измерительных станций для регистрации характеристик аэрозоля на территории российского сектора Арктики. Из-за этого невозможно разработать модели, основанные на большом количестве экспериментальных данных. Этот фактор обуславливает ошибки работы алгоритмов атмосферной коррекции наряду с другими особенностями региона.
Ученые предложили подход для расчета аэрозольной составляющей яркости на верхней границе атмосферы. В своем исследовании физики получили формулу, основанную на разложении решения уравнения переноса излучения атмосфера-океан по степеням оптической толщины аэрозоля. Это безразмерное значение характеризует ослабление света при прохождении через среду, в которой фотон может поглотиться или рассеяться. При выводе формулы ученые рассматривали атмосферу как оптически чистую среду из двух слоев: рэлеевской атмосферы и аэрозоля. Аналитическое выражение для яркости на верхней границе атмосферы получено в линейном приближении по оптической толщине аэрозоля. Эта формула применима для учета аэрозольного вклада в яркость на верхней границе атмосферы, если оптическая толщина аэрозоля не превышает 0,3. Такие значения характерны для арктических морей. В случае больших оптических толщин необходимо рассматривать приближения высших порядков.
Предложенный метод может обеспечить быструю обработку больших объемов данных, что особенно важно для задач моделирования яркости выходящего из воды излучения при разных условиях наблюдения.
«Мы планируем сконцентрировать внимание на численном решении уравнения переноса излучения, в частности, на решении обратной задачи. Подготовка программного обеспечения послужит основой для разработки алгоритмов атмосферной коррекции. А дальше появится ряд обязательных задач, связанных с определением границ применимости реализуемых подходов, обозначатся возможные трудности и пути их преодоления», — поделилась Мария Павлова.
В работе принимали участие ученые из МФТИ, МИФИ и Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН.
