Planetary surface characterization by modeling radar scattering

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-1567-6
Title: Planetary surface characterization by modeling radar scattering
Author: Virkki, Anne
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2016-01-08
Belongs to series: URN:ISSN:1799-3032
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-1567-6
http://hdl.handle.net/10138/159223
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Planetary radar can be considered humankind's strongest instrument for post-discovery characterization and orbital refinement of near-Earth objects. After decades of radar observations, extensive literature describing the radar properties of various objects of the Solar System is currently available. Simultaneously, there is a shortage of work on what the observations imply about the physical properties of the planetary surfaces. The goal of my thesis is to fill part of this gap. Radar scattering as a term refers to alterations experienced by electromagnetic radiation in the backscattering direction when interacting with a target particle. In the thesis, I investigate by numerical modeling what role different physical properties of planetary surfaces, such as the electric permittivity, size of scatterers, or their number density, play in radar scattering. In addition, I discuss how radar observations can be interpreted based on modeling. Because all codes have their own limitations, it is crucial to compare results obtained with different methods. I use Multiple Sphere $T$-matrix method (MSTM) for clusters of spherical particles to understand scattering by closely-packed regolith particles. I use the discrete-dipole approximation code ADDA to comprehend single-scattering properties of inhomogeneous or irregular regolith particles in wavelength-scale. And finally, I use a ray-optics algorithm with radiative transfer, Siris, to simulate radar scattering by large irregular particles that mimic planetary bodies. The simulations for clusters of spherical particles reveal polarization enhancement at certain bands of sizes and refractive indices in the backscattering direction. The results from computations using MSTM and ADDA imply that the electric permittivity plays a strong part in terms of circular polarization. From the results of ray-optics computations for large, irregular particles, I derive a novel semi-analytic form for the radar scattering laws. And, by including diffuse scattering using wavelength-scale particles with laboratory-characterized geometries, we are able to simulate the effect of numerous physical properties of a realistic planetary surface on radar scattering. Our model using Siris is among the most quantitative models for radar scattering by planetary surfaces. The results support and improve the current understanding of the effects of the surface geometry, the electric permittivity, and the coherent-backscattering mechanism and can be used to interpret radar observations. Furthermore, I underscore that the roles of the absorption and the scatterer geometry must not be underestimated, albeit determining realistic values for the variables can be challenging.Planetaarista tutkaa voidaan pitää ihmiskunnan tehokkaimpana instrumenttina Maan lähiasteroidien löytämisen jälkeiseen radan ja fysikaalisten ominaisuuksien määrittelyyn. Tutkahavaintoja on tehty vuosikymmeniä, minkä seurauksena on kerääntynyt laaja tietokanta satojen asteroidien tutkahavainnoista. Samaan aikaan ei kuitenkaan ole tehty riittävää määrää teoreettista työtä näiden havaintojen tulkitsemiseksi. Väitöskirjani tavoite on tutkia planetaarisella tutkalla tehtyjen havaintojen tulkitsemista sähkömagneettista sirontaa mallintamalla ja siten täydentää puutteellista teoreettista työtä. Planetaarinen tutka lähettää ympyräpolarisoituneen signaalin, joka kohteeseen osuessaan muuttuu. Kaiun kirkkauden ja polarisaation eli aaltojen värähtely- tai pyörimissuunnan muutoksista saadaan tietoa kohteesta. Tutkasironta voidaan ymmärtää mikroaaltojen, eli aallonpituudeltaan senttimetriluokan aaltojen takaisinsirontana, sisältäen säteilyn heijastumisen, taittumisen ja imeytymisen. Tätä prosessia mallintamalla voidaan ymmärtää, minkälaiset materiaalit ja rakenteet muuttavat tutkasignaalia ja millä lailla. Ongelmana planetaaristen pintojen tapauksessa on monimutkainen rakenne. Kaikki mallit taas ovat yksinkertaistuksia todellisesta, monimutkaisemmasta maailmasta. Kaikilla koodeilla on omat vahvuutensa ja heikkoutensa. Siksi monimutkaisten järjestelmien mallintamisessa on myös tärkeää hyödyntää eri koodien vahvuuksia. Tutkasironta on kuitenkin hyvin riippuvaista geometriasta, jolloin yksinkertaistuksissa mennään helposti pieleen. Esimerkiksi palloilla voidaan helposti rakentaa monimutkaisempia rakenteita, mutta pallojen symmetrian takia niiden tutkasironnassa nähdään interferenssipiikkejä, joita ei ilmene luonnollisissa ympäristöissä. Tutkimus alkaa yksinkertaisempien geometrioiden, kuten pallojen tutkasirontaominaisuuksien tarkastelusta ja etenee epäsäännöllisempien geometrioiden mallintamiseen. Tutkin kuinka materiaali (kivi tai jää), sirottavien kappaleiden koko, muoto ja lukumäärätiheys vaikuttavat tutkasirontaan. Tulokset tukevat aiempaa tietoa tutkasironnasta mutta myös tarkentavat sitä merkittävästi. Osoitamme väitöskirjaan sisältyvissä julkaisuissamme, että pallojen käyttö sirottavina kappaleina johtaa merkittäviin virheisiin. Lisäksi annamme tulkintoja poikkeuksellisille tutkahavainnoille malleihimme perustuen.
Subject: tähtitiede
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
planetar.pdf 3.673Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record