Numerical simulation of the laser pulse propagation in thin cloud layers

Abstract

This article investigates the characteristics of laser pulse propagation in thin cloud layers using numerical modeling methods. The study primarily focuses on the influence of micro-physical properties of clouds on the polarization and transmission of laser pulses during re-mote sensing of the atmosphere. We use a dual approach that includes both direct numerical solutions of the radiation transfer equation and Monte Carlo simulations, exploring scenarios with and without polarization effects. Our results reveal important insights into how laser pulses interact with cloud layers, providing valuable conclusions for improving atmospheric sounding methods and remote navigation. The study explores the possibility of probing cloud layers using horizontal laser sounding from an aircraft, assessing the impact of cloud thick-ness and scattering properties on the behavior of both polarized and unpolarized light. Addi-tionally, the research emphasizes the importance of polarization analysis in structuring the diffuse field within clouds, potentially leading to the development of new atmospheric models based on observed propagation characteristics. The study contributes to a better understanding of atmospheric dynamics and supports the development of environmental monitoring methods and atmospheric physics.

• numerical modeling
• radiative transfer equation
• thin cloud layers
• polarization effects
• Monte Carlo simulation

Аннотация (на русском)

Численное моделирование распространения импульсов лазерного излучения в тонких облачных слоях

В этой статье исследуются характеристики распространения лазерных импульсов в тонких слоях облаков с использованием методов численного моделирования. Исследование в первую очередь сосредоточено на влиянии микрофизических свойств облаков на поляризацию и передачу лазерных импульсов во время дистанционного зондирования атмосферы. Мы используем двойной подход, включающий как прямое численное решение уравнения переноса излучения, так и моделирование Монте-Карло, изучая сценарии с учетом и без учета эффектов поляризации. Наши результаты раскрывают важные сведения о том, как лазерные импульсы взаимодействуют с облачными слоями, что дает ценные выводы для улучшения методов зондирования атмосферы и дистанционной навигации. Исследование изучает возможность зондирования облачных слоев с помощью горизонтального лазерного зондирования с самолета, оценивая влияние толщины облаков и рассеивающих свойств на поведение как поляризованного, так и неполяризованного света. Кроме того, исследование подчеркивает важность анализа поляризации в структурировании диффузного поля внутри облаков, что потенциально приводит к разработке новых атмосферных моделей на основе наблюдаемых характеристик распространения. Исследование способствует лучшему пониманию динамики атмосферы и поддерживает развитие методов мониторинга окружающей среды и физики атмосферы.

For citation

References

1. Cahalan R.F., McGill M., Kolasinski J., et al. THOR-Cloud thickness from offbeam lidar returns // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 2005. V. 22, N 5. P. 605-627.
2. Polonsky I.N., Love S.P., Davis A.B. Wide-angle imaging lidar deployment at the ARM Southern Great Plains site: Intercomparison of cloud property retrievals // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 2005. V. 22, N 6. P. 628-648.
3. Prigarin S.M., Aleshina T.V. Monte Carlo simulation of ring-shaped returns for CCD LIDAR systems // Russian Journal of Numerical Analysis and Mathematical Modelling. 2015. V. 30, N 4. P. 251-257.
4. Prigarin S.M. Monte Carlo simulation of the effects caused by multiple scattering of ground-based and spaceborne lidar pulses in clouds // Atmospheric and Oceanic Optics. 2017. V. 30, P. 79-83.
5. Ilyushin Y.A. Transient polarized radiative transfer in cloud layers: numerical simulation of imaging lidar returns // JOSA A. 2019. V. 36, N 4. P. 540-548.
6. Ilyushin Y.A. Dynamic backscattering halo of pulsed laser beams in thin cloud layers // Radiophysics and Quantum Electronics. 2019. V. 62, N 3. P. 192-200.
7. Lebedev V.I. Quadrature formulas for the sphere of 25th to 29th order accuracy // Sibirsk. Mat. Zh. 1977. V. 18, N 1. P. 132-142.
8. Deirmendjian D. Electromagnetic scattering on spherical polydispersions. American Elsevier Pub. Co. 1969. 290 p.
9. Moroz A. Improvement of Mishchenko's T-matrix code for absorbing particles // Applied Optics. 2005. V. 44, N 17. P. 3604-3609.
10. Robert D.R., Morton K.W. Difference Methods for Initial-Value Problems / Bers L., Courant R., Stoker J.J.Interscience Publishers. 1967. 262 p.
11. Ilyushin Y.A., Kutuza B.G. Influence of a spatial structure of precipitates on polarization characteristics of the outgoing microwave radiation of the atmosphere // Izvestiya - Atmospheric and Oceanic Physics. 2016. V. 52, P. 74-81.
12. Sadovnichy V., Tikhonravov A., Voevodin V., et al. "Lomonosov": supercomputing at Moscow state university // Contemporary High Performance Computing. 2017. P. 283-307.