Моделирование излучательной способности морского льда - Sea ice emissivity modelling

С повышенным интересом к морскому льду и его влиянию на мировую климат необходимы эффективные методы для мониторинга как его масштабов, так и обменных процессов. Спутниковая, микроволновая печь радиометры, такой SSMI, AMSR и АМСУ, являются идеальным инструментом для решения этой задачи, поскольку они могут видеть сквозь облачный покров и имеют частый глобальный охват. Пассивный микроволновый прибор обнаруживает объекты по испускаемому излучению, поскольку разные вещества имеют разные спектры излучения. Для более эффективного обнаружения морского льда необходимо моделировать эти процессы выбросов. Взаимодействие морского льда с электромагнитное излучение в микроволновом диапазоне до сих пор не очень хорошо изучены.^[1][2][3] В целом собираемая информация ограничена из-за крупномасштабной изменчивости из-за излучательной способности морского льда.^[4]

Общий

Спутниковые микроволновые данные (а также данные в видимом и инфракрасном диапазонах в зависимости от условий), собранные с датчиков, предполагают, что поверхность океана является двойной (покрытой льдом или свободной ото льда), и наблюдения используются для количественной оценки потока излучения. Весной и летом в периоды таяния льда температура поверхности морского льда выше нуля. Таким образом, пассивные микроволновые измерения могут обнаруживать повышение яркостной температуры, поскольку коэффициент излучения увеличивается почти до уровня черного тела, и когда жидкость начинает формироваться вокруг кристаллов льда, но когда таяние продолжается, образуется слякоть, а затем плавильные пруды а яркостная температура опускается до температуры свободной ото льда воды. Поскольку излучательная способность морского льда изменяется со временем и часто в короткие промежутки времени, данные и алгоритмы, используемые для интерпретации результатов, имеют решающее значение.^[5]

Эффективная диэлектрическая проницаемость

Как было установлено в предыдущем разделе, наиболее важной величиной в расчетах переноса излучения морского льда является величина относительная диэлектрическая проницаемость. Морской лед представляет собой сложный композит, состоящий из чистого льда и включающий карманы с воздухом и высокой соленостью рассол. Электромагнитные свойства такой смеси будут отличаться от них и обычно находятся где-то между ними (хотя и не всегда - см., Например, метаматериал ), составляющих его. Поскольку важен не только относительный состав, но и геометрия, расчет эффективные диэлектрические проницаемости вводит высокий уровень неопределенности.

Vant et al. ^[6]выполнили фактические измерения относительной диэлектрической проницаемости морского льда на частотах от 0,1 до 4,0 ГГц, которые они заключили в следующую формулу:

${ displaystyle epsilon ^ {*} = aV_ {b} + b}$

куда ${ displaystyle epsilon ^ {*}}$ - действительная или мнимая эффективная относительная диэлектрическая проницаемость, V_б относительный объем рассола - см. процессы роста морского льда -и а и б являются константами. Эта эмпирическая модель показывает некоторое согласие с модели диэлектрической смеси на основе Уравнения Максвелла в предел низкой частоты, например, эта формула из Сихволы и Конга

^[7]

${ displaystyle epsilon _ {eff} = epsilon _ {1} + { frac {V_ {b} epsilon _ {1} ( epsilon _ {2} - epsilon _ {1}) / ( epsilon _ {1} + P ( epsilon _ {2} - epsilon 1)} {1-PV_ {b} ( epsilon _ {2} - epsilon _ {1}) / left [ epsilon _ {1 } + P ( epsilon _ {2} - epsilon _ {1}) right]}}}$

куда ${ displaystyle epsilon _ {1}}$ - относительная диэлектрическая проницаемость фонового материала (чистый лед), ${ displaystyle epsilon _ {2}}$ - относительная диэлектрическая проницаемость материала включения (рассола) и п - коэффициент деполяризации, основанный на геометрии включений рассола. Включения рассола часто моделируются как вертикально ориентированные иглы, для которых коэффициент деполяризации равен п= 0,5 в вертикальном направлении и п= 0. Две формулы, хотя и сильно коррелируют, расходятся как по относительной, так и по абсолютной величине.^[2]

Чистый лед - почти идеальный диэлектрик с реальной диэлектрической проницаемостью примерно 3,15 в микроволновая печь диапазон, который практически не зависит от частоты, в то время как мнимая составляющая незначительна, особенно по сравнению с рассолом, который имеет очень большие потери.^[8]Между тем диэлектрическая проницаемость рассол, который имеет как большую действительную, так и большую мнимую части, обычно вычисляется по сложной формуле, основанной на Дебай релаксация кривые.^[8]

Электромагнитные свойства льда

Диаграмма, показывающая перенос излучения в прерывистой среде, такой как морской лед.^[1]

Когда рассеяние не учитывается, излучательную способность морского льда можно смоделировать с помощью перенос излучения. На диаграмме справа показан луч, проходящий через ледяной покров с несколькими слоями. Эти слои представляют воздух над льдом, слой снега (если применимо), лед с различными электромагнитными свойствами и воду подо льдом. Границы раздела между слоями могут быть непрерывными (в случае льда с различным содержанием соли вдоль вертикальной оси, но сформированного таким же образом и в один и тот же период времени), и в этом случае коэффициенты отражения, р_я будет нулевым или прерывистым (в случае границы раздела лед-снег), и в этом случае необходимо рассчитать коэффициенты отражения - см. ниже. Каждый слой характеризуется своими физическими свойствами: температура, Т_я, комплексная диэлектрическая проницаемость, ${ displaystyle epsilon _ {я}}$ и толщина, ${ displaystyle Delta z_ {i}}$, и будет иметь восходящую составляющую излучения, ${ displaystyle T_ {i} uparrow}$, и компонент, направленный вниз, ${ displaystyle T_ {i} downarrow}$, проходя через него. Поскольку мы предполагаем плоскопараллельную геометрию, все отраженные лучи будут находиться под одним и тем же углом, и нам нужно только учитывать излучение вдоль одной прямой видимости.

Суммирование вкладов каждого слоя дает следующие редкий система линейных уравнений:

${ displaystyle T_ {i} uparrow - tau _ {i} (1-R_ {i}) T_ {i + 1} uparrow - tau _ {i} R_ {i} T_ {i} downarrow = (1- tau _ {i}) T_ {i}}$

${ displaystyle T_ {i} downarrow - tau _ {i} (1-R_ {i-1}) T_ {i-1} downarrow - tau _ {i} R_ {i-1} T_ {i } uparrow = (1- tau _ {i}) T_ {i}}$

^[2]

куда р_я это яth коэффициент отражения, рассчитанный через Уравнения Френеля и ${ Displaystyle тау _ {я}}$ это яth коэффициент передачи:

${ displaystyle tau _ {i} = exp left (- { frac { alpha _ {i} , Delta z_ {i}} { cos theta _ {i}}} right)}$

куда ${ displaystyle theta _ {я}}$ угол передачи в я-й слой, из Закон Снеллиуса, ${ displaystyle Delta z_ {i}}$ - толщина слоя и ${ displaystyle alpha _ {я}}$ это коэффициент затухания:

${ displaystyle alpha _ {i} = { frac {4 pi nu} {c}} mathrm {Imag} , n_ {i}}$

куда ${ displaystyle nu}$ частота и c это скорость света - см. Закон пива.Самая важная величина в этом расчете, а также самая трудная, которую трудно установить с какой-либо достоверностью, - это сложная показатель преломления,п_я.^[2] Поскольку морской лед не-магнитный, его можно рассчитать по относительной диэлектрическая проницаемость один:

${ displaystyle n_ {i} = { sqrt { epsilon _ {i}}}}$

Рассеяние

Расчеты излучательной способности, основанные исключительно на переносе излучения, как правило, недооценивают яркостные температуры морского льда, особенно на более высоких частотах, потому что как рассол, так и воздушные карманы во льду будут иметь тенденцию разбросать радиация.^[9]Действительно, по мере того, как с увеличением частоты лед становится более непрозрачным, перенос излучения становится менее важным, а процессы рассеяния начинают преобладать. Рассеяние в морском льду часто моделируется с помощью Борновское приближение^[10]например, в теории сильных флуктуаций.^[11][12]

Коэффициенты рассеяния, рассчитанные на каждом слое, также необходимо интегрировать по вертикали. Модель микроволнового излучения слоистого снежного покрова (MEMLS)^[13]использует модель переноса излучения с шестью потоками, чтобы интегрировать как коэффициенты рассеяния, так и эффективные диэлектрические проницаемости с коэффициентами рассеяния, рассчитанными либо эмпирически, либо с помощью искаженного борновского приближения.

Процессы рассеяния в морском льду относительно плохо изучены, а модели рассеяния плохо подтверждаются эмпирически.^[1][3]

Прочие факторы

Есть много других факторов, не учтенных в описанных выше моделях. Миллс и Хейгстер,^[2] например, показать, что образование гребней морского льда может оказывать значительное влияние на сигнал. В таком случае лед больше не может быть смоделирован с использованием плоскопараллельной геометрии. Помимо образования гребней, необходимо также учитывать поверхностное рассеяние из-за мелких шероховатостей.

Поскольку микроструктурные свойства морского льда имеют тенденцию анизотропный, диэлектрическая проницаемость идеально моделируется как тензор. Эта анизотропия также повлияет на сигнал в более высоких Компоненты Стокса, актуально для поляриметрических радиометров, таких как WINDSAT.Как наклонная ледяная поверхность, как в случае гребня - см. поляризационное смешение,^[1]а также рассеяние, особенно от несимметричных рассеивателей,^[14]вызовет передачу интенсивности между различными компонентами Стокса - см. векторный перенос излучения.

Смотрите также

• Сокращение морского льда в Арктике
• Метаматериал
• Процессы роста морского льда
• Сплоченность морского льда
• Толщина морского льда

Рекомендации