Influence of aerosols on polarization of skylight in gaseous absorption bands

Abstract

The theme of this thesis is “Influence of aerosols on polarization of skylight in gaseous absorption bands”. Measurements of the spectral and angular polarization signature of solar radiation reflected or transmitted by the Earth’s atmosphere provide superior results in the retrieval of aerosol properties such as refractive index, multimodal particle size distribution and particle type, compared to those obtained using only intensity. The reason is that polarization features are very sensitive to particle size, shape, and refractive index. Intensity measurements alone often lead to ambiguous solutions of e.g. aerosol size distribution, aerosol type, or refractive index. Another advantage of polarimetric measurements is that the calibration accuracy that can be achieved is much higher than for intensity measurements and thus the error in the retrieval can be reduced. Therefore long term observations of the spectral and angular polarization signatures of atmospheric light are important to increase our state of knowledge regarding aerosol properties. In this thesis we analyze the sensitivity of the degree of linear polarization in the Sun’s principal plane; the influence of aerosol altitude, microphysics and optical thickness on simulations of the degree of linear polarization of the zenith skylight in the spectral region of the O2A band and the sensitivity of the degree of linear polarization and intensity at top-of-atmosphere in the spectral regions of O2 and CO2 absorption bands to changes of scattering layer altitude and surface albedo.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Einfluss von Aerosoleigenschaften auf die Polarisation atmosphärischen Streulichtes in Gas-Absorptionsbanden. Mittels Strahlungstransportsimulationen, unter Berücksichtigung von Polarisation, wird der Einfluss mikrophysikalischer und optischer Aerosoleigenschaften auf den Polarisationgrad untersucht. Anhand von Polarisationsmessungen im Kontinuum, an Tagen mit geringer und starker Aerosolbelastung in Cabauw, Niederlande, werden mikrophysikalische Aerosoleigenschaften abgeleitet. Des Weiteren wird der Einfluss der vertikalen Verteilung von Aerosolen, der Einfluss optischer- und mikrophysikalischer Eigenschaften von Aerosolen und der Einfluss der Bodenalbedo auf die Intensität und den linearen Polarisationsgrad des transmittierten und reflektierten atmosphärischen Streulichtes im Spektralbereich der Sauerstoff A-Bande, der schwachen Kohlendioxidbande bei 1610 nm, und der starken Kohlendioxidbande bei 2060 nm untersucht. Für Strahlungstransportsimulationen in Ansorptionsbanden werden zwei bestehende Methoden kombiniert. Als spektrale Approximationstechnik wird die k-binning Methode genutzt. Diese wird kombiniert mit monochromatischen Strahlungstransportsimulationen beruhend auf der doubling-adding Methode für Mehrfachstreungen unter Berücksichtigung von Polarisation. Verglichen mit sehr präzisen line-by-line Berechnungen zeigt sich das diese Methode deutlich kürzere Rechenzeit beansprucht und dabei eine hohe Genauigkeit beibehält.