Rotational Raman scattering in the Earth's atmosphere ... - SRON

More documents

Recommendations

Info

132 van de polarisatie-eigenschappen van het meervoudig verstrooide licht in het geval dat inelastische Raman-verstrooiing wordt meegenomen. De benadering waarin de polarisatie-eigenschappen van licht worden verwaarloosd heet de scalaire benadering. Hierbij wordt slechts de intensiteit I gemodelleerd in plaats van de volledige intensiteitvector I = [I,Q,U,V ] T , waarbij Q en U lineare polarisatie van het licht beschrijven en V circulaire polarisatie beschrijft. Het werk dat beschreven wordt in dit proefschrift begon met het ontwikkelen van een scalair stralingstransportmodel dat in staat is om meervoudige verstrooiing in de aardatmosfeer te berekenen en ook meervoudige Raman-verstrooiing meeneemt. Dit model wordt beschreven in hoofdstuk 2 en is gebaseerd op de doubling-adding-methode. Om inelastische verstrooiing mee te nemen was het nodig om de doubling-adding-formules aan te passen. Eén van de vragen waar we met name in geïnteresseerd waren was tot in welke mate hogere ordes van Raman-verstrooiing belangrijk zijn voor het modelleren van de reflectie in het ultraviolette en zichtbare golflengtebereik. Met behulp van een versimpelde modelatmosfeer en uitgaande van een instrument met een vergelijkbare spectrale resolutie als GOME vonden we dat de opvulling door enkelvoudige Raman-verstrooiing wel 21% kan zijn bij de Ca II K- en H-lijnen rond 393 nm en 397 nm. De meervoudige Raman-verstrooiingsbijdrage aan de totale opvulling is echter slechts 0,6% voor deze lijnen. Nabij 325 nm is moleculaire verstrooiing sterker, maar zijn de Fraunhoferlijnen minder sterk dan de Ca II-lijnen. Hier is de bijdrage van enkelvoudige en meervoudige Raman-verstrooiing aan de totale opvulling respectievelijk 4% en 0,2%. Hieruit hebben we geconcludeerd dat het voor metingen waarbij de spectrale resolutie vergelijkbaar is als die van GOME volstaat om één orde inelastische Raman verstrooiing mee te nemen voor de meeste toepassingen. In hoofdstuk 3 hebben we de polarisatie-aspecten van terugverstrooid zonlicht bestudeerd. Het gevolg van het verwaarlozen van polarisatie werd onderzocht met een nieuw ontwikkeld vectorstralingstransportmodel. Dit model maakt gebruik van de stralingstransport-storingstheorie waarbij inelastische Raman-verstrooiing behandeld wordt als een verstoring van het elastische Rayleighverstrooiingsprobleem Deze aanpak levert een storingsreeksontwikkeling op van de intensiteitsvector, waarbij iedere term het effect van één extra orde Raman-verstrooiing beschrijft. Dit model is in detail uitgewerkt voor de eerste orde. De berekening van de eerste orde Raman-verstrooiingscorrectie kon significant versneld worden door gebruik te maken van de terugwaartse formulering van stralingstransporttheorie. We hebben numerieke simulaties voor het ultraviolette golflengtebereik gedaan om het effect van Raman-verstrooiing op I, Q en U van het weerkaatste zonlicht te bestuderen. We vonden dat de Ring-structuren in een spectrum van de graad van lineaire polarisatie ( √ Q 2 + U 2 /I) voornamelijk het gevolg zijn van Ring-structuren in het spectrum van I. De Ring-structuren in spectra van Q en U zijn minder belangrijk. Twee veelgebruikte benaderingen om de Ring-structuren in metingen door instrumenten zoals GOME te simuleren werden nader onderzocht: de enkelvoudige verstrooiingsbenadering en de scalaire benadering. We vonden dat de enkelvoudige verstrooiingsoplossing niet de juiste amplitude van de Ring-structuren kan simuleren. De opvulling van de Ca II-lijnen werd bijvoorbeeld onderschat met een factor 2. Dit betekent dat het cruciaal is om meervoudige Rayleigh-verstrooiing mee te nemen voor zowel het continuüm als voor de berekening van de opvulling van de Fraunhoferlijnen. Vervolgens bestudeerden we de benadering waarin de Ringstructuren worden gesimuleerd met een scalair model, maar waarin het continuüm berekend wordt
Samenvatting 133 met een vector-model. We vonden dat deze benadering gerechtvaardigd is voor de meeste toepassingen, omdat de geïntroduceerde afwijkingen over het algemeen één orde kleiner zijn dan de ruis van het satellietinstrument. Alleen in het geval van de sterke Ca II-Fraunhoferlijnen dienen de Ring-structuren op zowel I als Q meegenomen te worden. Voor de berekening van de Ring-structuren in metingen van instrumenten zoals GOME is het zeer belangrijk dat er een nauwkeurig zonnespectrum gebruikt wordt. Behalve de Ring-structuren bevat de reflectie ook hoog-frequente spectrale structuren die geïntroduceerd worden door een Dopplerverschuiving tussen de zonne- en de Aarde-metingen. Deze structuren ontstaan doordat het zonneirradiantiespectrum geïnterpoleerd wordt op het Aarde-radiantie-golflengtegrid om zo de reflectie te kunnen bepalen. In hoofdstuk 4 introduceren wij een nieuwe aanpak die zowel het vereiste zonnespectrum levert als mede het ontstaan van interpolatiefouten voorkomt. Om dit te bereiken wordt een zonnespectrum afgeleid op een golflengtegrid dat veel fijner is dan het GOME-golflengtegrid. Echter, wanneer dit afgeleide zonnespectrum gebruikt en wanneer interpolatiefouten vermeden worden houdt men uiteindelijk toch fouten van ongeveer 0.5% over in de gesimuleerde Aarde-radiantiespectra. Deze fouten zijn het gevolg van undersampling door GOME. GOME heeft namelijk te weinig samplepunten om alle hoog-frequente spectrale structuren te ”vangen”, waardoor de reconstructie van het gemeten zonnespectrum op een fijner grid dan dat van GOME niet helemaal volledig is. We hebben verder laten zien dat de undersampling-fouten effectief verwijderd kunnen worden wanneer het zonnespectrum wordt afgeleid uit de GOME zonnemeting en één GOME Aarde-meting. Met deze aanpak kunnen de gemiddelde verschillen tussen gesimuleerde en gemeten Aarde-radiantiespectra teruggebracht worden tot het ruisniveau van het instrument. Dit toont aan dat het Ring effect op adequate wijze gemodelleerd kan worden. Zoals eerder genoemd bevat het Ring effect informatie over wolken. Deze informatie kan gebruikt worden het beter bepalen van concentraties van gassen uit bewolkte waarnemingen. In het laatste hoofdstuk, hoofdstuk 5, onderzoeken we de mogelijkheid om wolkenparameters te af te leiden uit nabij-ultraviolette metingen waar zich prominente Ring-structuren bevinden. We vergelijken deze aanpak met een andere, meer gebruikelijke aanpak waarbij absorptiebanden van zuurstof en het botsingscomplex van zuurstof worden gebruikt. We waren met name geïinteresseerd welke spectrale band of welke combinatie van banden het meest geschikt is voor het bepalen van wolkenparameters voor huidige en toekomstige GOME-achtige satellietinstrumenten. Om de bepaling van wolkentophoogte, wolkenfractie en optische dikte van de wolk uit gesimuleerde reflectiemetingen te bestuderen hebben we drie spectrale gebieden geselecteerd: 350–400 nm met significante Ring-structuren, 460–490 nm met een absorptieband van het botsingscomplex van zuurstof (O 2 -O 2 ) en 755–775 nm met een absorptieband van zuurstof, de zogenaamde O 2 A band. Het bepalen van de wolkenparameters is uitgevoerd voor ruis-scenarios die reprensentatief zijn voor hedendaagse ruimte-spectrometers. Zowel de spectrale band 350–400 nm als de O 2 A band leveren apart meer informatie op over de wolkenparameters dan de 460–490 nm band. De beste resultaten worden verkregen door de combinatie van de banden bij 350–400 nm en 755-775 nm. In dit geval kunnen alle drie de wolkenparameters onafhankelijk bepaald worden en is de bepaling beter bestand tegen ruis. We vonden echter dat in deze combinatie van spectrale banden het Ring effect niet significant bijdraagt aan de wolkeninformatie. De extra informatie over wolkenfractie en wolkentophoogte komt in deze combinatie uit de O 2 A band in plaats van uit
Page 1 and 2:
VRIJE UNIVERSITEIT Rotational Raman
Page 5 and 6:
Contents 1 Introduction 1 1.1 Obser
Page 7 and 8:
1 Introduction 1.1 Observing skylig
Page 9 and 10:
Introduction 3 Extracting the wealt
Page 11 and 12:
Introduction 5 and Spurr, 1997, Vou
Page 13 and 14:
Introduction 7 energy: E rot (v,J)
Page 15 and 16:
Introduction 9 Figure 1.4: Probabil
Page 17 and 18:
Introduction 11 scattered radiance
Page 19 and 20:
Introduction 13 approximation in wh
Page 21 and 22:
Introduction 15 scattering have bee
Page 23 and 24:
2 A doubling-adding method to inclu
Page 25 and 26:
A doubling-adding method to include
Page 27 and 28:
Page 29 and 30:
Page 31 and 32:
Page 33 and 34:
Page 35 and 36:
Page 37 and 38:
Page 39 and 40:
Page 41 and 42:
Page 43:
Page 46 and 47:
40 Chapter 3 nm with a spectral res
Page 48 and 49:
42 Chapter 3 contributions of lower
Page 50 and 51:
44 Chapter 3 if we use the effectiv
Page 52 and 53:
46 Chapter 3 This in turn results i
Page 54 and 55:
48 Chapter 3 This may be shown in a
Page 56 and 57:
50 Chapter 3 The forward and adjoin
Page 58 and 59:
52 Chapter 3 Here, ∆ = diag [1, 1
Page 60 and 61:
54 Chapter 3 Figure 3.3: Relative R
Page 62 and 63:
56 Chapter 3 biases the simulation
Page 64 and 65:
58 Chapter 3 3.4.2 Approximation me
Page 66 and 67:
60 Chapter 3 where I ram,app and I
Page 68 and 69:
62 Chapter 3 3.5 Simulation of pola
Page 70 and 71:
64 Chapter 3 Figure 3.10: Relative
Page 72 and 73:
66 Chapter 3 dependence on the vert
Page 74 and 75:
68 Chapter 3 Figure 3.13: Same as F
Page 76 and 77:
70 Chapter 3 3.6 Summary A vector r
Page 78 and 79:
72 Chapter 3 where λ is the wavele
Page 80 and 81:
74 Chapter 3 where S l is the expan
Page 82 and 83:
76 Chapter 3 3.C Appendix: Evaluati
Page 85 and 86:
4 Accurate modeling of spectral fin
Page 87 and 88: Accurate modeling of spectral fine-
Page 103 and 104: 5 Retrieval of cloud properties fro
Page 105 and 106: Retrieval of cloud properties from
Page 125 and 126: References Aben, I., F. Helderman,
Page 127 and 128: References 121 Ellery, A., D. Wynn-
Page 129 and 130: References 123 Lacis, A. A., J. Cho
Page 131 and 132: References 125 Schulz, F., K. Stamn
Page 133 and 134: Summary A spectrum of sunlight that
Page 135 and 136: Summary 129 Earth radiance spectrum
Page 137: Samenvatting Het door de aardatmosf
Page 141: List of publications Peer-reviewed
show all

Rotational Raman scattering in the Earth's atmosphere ... - SRON

Create successful ePaper yourself

Delete template?

Save as template?