是否有测量或计算表明大气冰板的水平度在0.1度以内?

Question

这个问题描述了最近发布的关于DSCOVR卫星在地球上的次太阳点看到的闪光的解释，该卫星位于地球和太阳之间的一个特殊轨道上，距离地球约150万公里。

我不会在这里重复完整的问题。我想问的是下面这篇论文中关于100微米大小的平板冰板的讨论，在海拔5000到8000米的地方，在陆地上的薄云中。具体来说，几十公里宽的区域可能包含共面板块——与地球表面平行，更重要的是彼此平行，误差在0.1度以内。

虽然这里是论文讨论部分的一部分，卫星和太阳的几何形状的进一步解释在有关的问题．

最近的讨论部分，网上有从深空看到的地球闪烁:从拉格朗日点探测到的定向冰晶Alexander Marshak, Tamás Várnai和Alexander Kostinski, doi: 10.1002/2017GL073248包含以下文本:

基于卷云的原位测量，[Korolev et al.， 2000;McFarquhar等人，2002]，微小的六角形片状冰，以近乎完美的水平排列漂浮在空气中，可能是EPIC在陆地上观测到的闪光的原因。因为EPIC仪器的视场为0.62度(参见，https://epic.gsfc.nasa.gov/epic)和一个2048x2048像素的CCD，镜面信号的角度只有$~3x10^{-4}$度(图2)必须包含光滑的大定向冰板或小定向板发回衍射光。这种晶体的尺寸分布很大程度上取决于云的温度和湿度，但范围从几十微米到毫米。取0.5微米的波长和50微米的冰晶尺寸，就会产生绕射方向的衍射瓣的比例或角半宽度$10^{-2}$或一个度的量级[Crawford, 1968, p.486]。这比像素的角宽度宽，但比像素覆盖区域的天顶方向变化(0.1°)窄。

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问题:这种集体水平排列即使在1度，更不用说0.1度的情况下，也是已知的影响吗?在这么大的区域内，这种情况是否被测量过，甚至计算过?

尽管结果是初步的，讨论也很简短，但作者认为这种均匀的水平排列根本不是不寻常的现象。例如，在后面的讨论中:

在总共收集的4106张图像中，336张包含蓝色通道的陆地闪烁，之所以选择蓝色通道，是因为它具有最高的空间分辨率(为了减少从DSCOVR传输的数据量，对于所有其他通道，4个像素在航天器上平均)。336/4106 = 8.2%这个比例，我们能理解吗?为了排除可能闪烁位置有海洋的图像，我们将8.2%除以EPIC热带波段的陆地部分(1/4)，得到32.8%。因此，大约三分之一的中央陆地图像包含冰云的闪烁。这与热带地区被冰云覆盖的地球面积相匹配，后者也约为三分之一[King et al.， 2013]。这一一致性表明，从深空看到的地面闪烁提供了探测云冰的有效手段，其反射比周围像素强至少5-6倍，并可能大大增加云的反照率[Takano和Liou, 1989]，相对于随机取向的冰粒的漫反射。这一点很重要，因为卷云主要由非球面粒子组成，覆盖了地球表面的30%以上，在辐射收支中起着重要作用[Stephens et al.， 1990]。

我感兴趣的是是否有任何解释为什么这可能会发生。我知道有一种现象叫做日柱“这涉及到大气中这样的冰板的反射，我不太明白为什么柱子垂直上很高，但横向上不宽，但这可能是一个不同的问题。然而，它可能涉及同一种冰板。所以我添加了这张“太阳柱晶体”的图片来帮助讨论。在解释从DSCOVR上看到的亮点时，光是正常入射到晶体平面上的，而不是这里所示的斜入射。

上图:“太阳柱晶体”来自在这里．目前的问题涉及正常入射的反射，而不是这里所示的斜入射。

Answer 1

虽然Marshak等人的论文中列出的先前几项研究已经观察到冰晶的水平排列，但尚不清楚在完美的水平位置周围有多少冰晶摆动。确定倾斜角度的范围将是非常有趣的!

为什么冰板可以水平排列的原因在1998年的文章“次太阳与低雷诺数流动作者J. I. Katz, 1998，(《大气科学杂志》，第55卷，3358)。该条包括以下一款:

在什么条件下，一块小而薄的下落冰板会保持准确的水平方向?在高雷诺数Re > 1时，下落板留下湍流尾迹(Willmarth et al. 1964;Pruppacher和Klett 1978)。其阻力中心靠近其前缘或表面;任何稳定的方向都是不稳定的;它会翻滚，它的路径是不规则的，因为在它翻滚的过程中产生了巨大的水平力(冰晶不像飞机、火箭和箭，没有稳定的尾部!)这很容易通过将一枚硬币扔进一罐水中的实验来验证，在这个实验中Re≈3000;它会翻滚，通常会撞到两边。当Re≈100时，一个下落的圆盘可能会在水平方向上周期性地振荡，因为它会留下一个规则的涡街。这可以通过将不同半径的铝箔圆盘放入水中看到。 At Re < 100, however, tumbling and oscillations are strongly damped by viscosity. Intuitive concepts from our everyday experience with high Re flows are still qualitatively applicable and show that a vertical orientation (edge on to the flow) is unstable; if the plate tilts the hydrodynamic force on its leading edge acts to amplify the tilt. However, the horizontal orientation (face on to the flow) is stable; if the plate tilts the wake of the leading edge partly shields the trailing edge from the flow, reducing the drag on it; the resulting torque restores the horizontal orientation and the disturbance is quickly damped.