Light scattering by rough ice crystal surfaces

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201804208545
Title: Light scattering by rough ice crystal surfaces
Author: Riskilä, Elina
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2018
Language: eng
URI: http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201804208545
http://hdl.handle.net/10138/273595
Thesis level: master's thesis
Discipline: Meteorology
Meteorologia
Meteorologi
Abstract: Ilmakehässä on jääkiteitä, jotka sirottavat auringonvaloa ja vaikuttavat siten ilmastoon. Etenkään suurikokoisten, karkeiden jääkiteiden valonsirontaan ei ole fysikaalista mallia. Tässä työssä sirontaa jääkiteen karkeasta pinnasta tutkittiin mallilla, jossa pieni pintaelementti sijoitettiin äärettömän suurelle tasolle jään ja tyhjiön rajapintaan. Karkean pintaelementin tilastollinen malli tehtiin fraktionaaliseen Brownin liikkeeseen perustuvalla Matlab-ohjelmalla Artificial Surface (vapaasti saatavilla MathWorksista). Karkeuden vaakasuuntaista skaalaa kuvattiin Hurstin eksponentilla, ja pystysuuntaista skaalaa pinnan karkeuden neliöllisellä keskiarvolla. Työssä tutkittiin sironnan herkkyyttä karkeuden vaihtelulle käyttäen yhdeksää erilaista parametriyhdistelmää. Jokaista parametriyhdistelmää vastaavia pintaelementtejä luotiin kymmenen kappaletta. Valon sirontaa karkeuselementistä tarkasteltiin vapaasti saatavilla olevalla ADDA-ohjelmalla (versio 1.34b), joka soveltaa diskreetti-dipoliapproksimaatiota pinnan lähellä olevalle sirottajalle. Laskuissa käytettiin näkyvän valon aallonpituutta (0.5 mikrometriä) ja jään taitekerrointa. Vertailukohteeksi karkealle pintaelementille luotiin vastaavan kokoluokan ja dipolimäärän sileä pintaelementti. Karkeat pintaelementit sirottivat sileitä elementtejä suuremman osan säteilystä pinnan läpi riippumatta siitä, suuntautuiko saapuva säteily tyhjiöstä jäähän vai päinvastoin. Vaikutus oli sitä suurempi, mitä karkeampi pintaelementti oli kyseessä. Lineaaripolarisaation kulmariippuvuus oli vähäisempää kaikille karkeille pintaelementeille. Karkeusparametreista pystysuuntainen parametri vaikutti sirontatuloksiin vaakasuuntaista enemmän. Yhdistämällä tämän tutkimuksen karkean pinnan malli sekä saadut sirontatulokset geometrisen optiikan sirontamalliin saataisiin valon sironnassa pinnan karkeus otettua huomioon fysikaalisella mallilla suurillekin jääkiteille. Lisää tutkimusta kuitenkin vaaditaan mm. äärettömän pinnan aiheuttamien sirontailmiöiden poistamiseksi. Tutkimuksessa käytettyä karkean pinnan mallia voi hyödyntää useissa eri sovelluksissa aina materiaalitekniikasta taivaankappaleisiin, ja geometrisen optiikan ja karkean pinnan käsittelyn yhdistävällä mallilla on useita sovelluskohteita meteorologiasta tähtitieteeseen.Atmospheric ice crystals scatter sunlight, thus affecting Earth's climate through the radiation properties of cirrus clouds. Many uncertainties remain in the characteristics of naturally occuring surface roughness and its effect on the scattering properties of ice crystals. Light scattering by ice crystals with rough surfaces was studied in this thesis by placing a small rough surface element on an infinitely large, planar vacuum-ice boundary. The surface element was generated using a statistical model based on fractional Brownian motion. The horizontal roughness scale was described by the Hurst exponent, and the vertical roughness scale with the root-mean-square roughness parameter. The surface elements were generated using a Matlab program Artificial Surface, publicly available on Mathworks. The scattering computations were performed with the surface mode of the publicly available Discrete Dipole Approximation software ADDA (version 1.34b). Several incident directions using a single visible wavelength of 0.5 micrometers from both above and below the planar surface were studied. A refractive index for ice was used throughout the computations. Results were averaged over ten rough surface realizations for specific roughness parameters. Scattering by the rough surface elements was compared to corresponding smooth surface elements. The rougher the surface element was, the more of the scattered intensity was transmitted through the planar surface. The rough surface elements had distinctively smoother angular distributions for the degree of linear polarization than their smooth counterparts. Also, it was found that while roughness itself affects polarization, the exact surface morphology did not seem to have a significant effect. The vertical roughness scale had a larger effect on the light scattering results than the horizontal scale. The model for surface roughness, along with the light scattering methodology used here, could be applied to light scattering computations for large ice crystals with surface roughness by combining the results to a geometric optics model. However, additional work is required to remove the effects caused by the infinite planar boundary. The methodology is not limited to ice crystals, and could be applied to, e.g., other atmospheric particles and atmosphereless astronomical bodies.


Files in this item

Files Size Format View

There are no files associated with this item.

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record