Computer modeling of light scattering by atmospheric dust particles with spheroids and ellipsoids

Abstract

I have studied how well average optical properties of different mineral dust and ash samples can be modeled using simplified model particle shapes, and whether using these kinds of model particles could be used to improve the accuracy of models involving scattering. Measured scattering matrices have been emulated by modeling light scattering from an ensemble of different shapes of spheroids and ellipsoids and adjusting their shape distributions for improved fits. By using these model particles, it is not suggested that dust particles really have ellipsoidal or spheroidal forms, but rather that the single-scattering properties of dust particle ensembles might be simulated numerically by using suitable ensembles of ellipsoidal or spheroidal model particles.

The results are encouraging in that the simplified model particles, spheroids and ellipsoids, when used in ensembles of differently shaped particles, seem to work well e.g. by providing considerably better agreements with the measurements than do plain spheres. They however were also found to have shortcomings and proved to be insufficient for retrievals of refractive index. This might imply inadequacies as well in other retrieval usages of ellipsoidal model particles. Balancing our efforts between seeking an easily managed model with a low number of parameters, yet one that accurately works both in forward modeling and retrievals, will thus need to continue further into the future.

In this thesis, I have found that ellipsoidally or spheroidally shaped model particles could be used to improve modeling of the light scattering by atmospheric mineral dust, Martian dust analog particles (namely palagonite dust) and volcanic ash particles. Results of these studies have been used to improve ECHAM climate models of the Finnish Meteorological Institute, and plans are also in place to incorporate the results into remote sensing data analysis software of AATSR satellite instrument.

Olen tässä väitöskirjassa tutkinut sitä, voitaisiinko valon sirontaa ilmakehän pienhiukkaisista mallintaa nykyistä paremmin ja käytännöllisemmin käyttämällä yksinkertaistettuja mallihituja. Olen pyrkinyt toistamaan pölyhiukkasten mitattuja optisia ominaisuuksia käyttämilläni malleilla, joissa mallihitujen muotoina on käytetty ellipsoidimuotoja. Mallihiukkasten oletetut muodot eivät kuitenkaan tarkoita, että olettaisimme oikeiden hiukkasten muotojen olevan samankaltaisia, vaan ellipsoidit, sekä niiden sferoidi osajoukko, ovat tässä ainoastaan mallinnuksen välineitä.

Tulokset ovat rohkaisevia; mitatut optiset ominaisuudet saadaan toistettua paljon tarkemmin kuin yleisesti käytetyllä pyöreän hiukkasmuodon aproksimaatiolla. Kuitenkaan mitään yleisesti kaikkiin tilanteisiin sopivaa muotojakaumaratkaisua ei löytynyt ja tulokset erosivat paljon eri materiaaleilla ja valon aallonpituuksilla. Myös etenkin käänteinen ongelma osoittautui haastavaksi: ellipsoidimuotoja käyttäessä totuudenmukaisimmat tulkinnat saatiin aikaiseksi täysin väärillä mallin materiaaliominaisuuksilla. Työ parempien mallinnustyökalujen löytämiseksi jatkuu.

Tässä väitöskirjassa ellipsoidi- ja sferoidimuotoisia mallihiukkasia on käytetty parantamaan ilmakehän pölyn sirontamallinnusta. Erityisesti tutkimuksen kohteena ovat olleet mineraalipölyhiukkaset, Marsin pölyanalogina usein käytetty palagoniitti, sekä tulivuorituhka. Tuloksia on jo käytetty Ilmatieteen laitoksen ECHAM ilmastomallin sirontakäsittelyn parantamiseen ja tulevaisuudessa niitä tullaan käyttämään myös mm. AATSR satelliitti-instrumentin kaukokartoitusmittausten datan käsittelyyn.