Vibrational Raman Scattering of Liquid Water: Quantitative Incorporation into a Numeric Radiative Transfer Model of the Atmosphere-Ocean System and Analysis of its Impact on Remote Sensing Applications

Abstract

The inelastic (Raman) scattering of daylight due to due vibrational state transitions of liquid water is known to have a significant influence on the spectra of ocean leaving radiation. This effect therefore needs to be considered in radiative transfer (RT) models of the atmosphere-ocean system for which a high accuracy is required, e.g. for ocean color remote sensing applications. While many qualitative studies of the effect have been published in the past decades, a lack of fast radiative transfer models of the combined atmosphere-ocean system that allow for a detailed angular and spectral investigation of the effect had been identified. In this thesis, a method for the quantitative and angular resolved incorporation of water Raman scattering effects into a matrix-operator radiative transfer model of the coupled atmosphere-ocean system has been developed, implemented, validated, and applied to several problems. The theoretical and empirical basis for the optical properties of Raman scattering, including the spectral redistribution, the phase function, and the scattering coefficient, are discussed, as they are important input values for a radiative transfer model. Furthermore, the optical properties of two other inelastic scattering effects are discussed: the rotational Raman scattering of atmospheric nitrogen and oxygen, and the fluorescence of yellow substance and chlorophyll in the ocean. An approach focused on accuracy and computation speed was developed for the incorporation of water Raman scattering into an existing radiative transfer model based on the matrix-operator method. Furthermore, the new model was accompanied by preprocessors for the salinity and temperature dependent computation of elastic scattering and absorption-coefficients of water, as well as for the optical properties of dissolved and suspended oceanic matter. The new RT model version was then successfully validated by a comparison of the results for canonical problems to those of other radiative transfer models. To validate components of the model that were not featured by the other models, e.g. the precise angular dependence of the Raman contribution, sanity and consistency checks of contributing model components were performed. Applications performed with the new model include a detailed study of the Raman contribution to radiation emerging from Case 1 waters, which reaches several tens of percent in the visible spectral range for clear water. The reduction of the effect in turbid waters and the effect of the water salinity was also studied. Angular effects have proven to be significant, whereas higher orders of Raman scattering are shown to be of minor importance. The Raman contribution was also studied at the top of the atmosphere, and it was shown that the Raman scattered radiation fraction for a standard case will be detectable in all visible channels of the upcoming OLCI instrument on the ESA Sentinel-3 Satellite. Finally, the new RT model version was used in an ocean constituent retrieval scheme, which is adaptable to the spectral channels of different remote sensing satellites.

Die inelastische Raman Streuung von Licht an Vibrationszustandsübergängen des flüssigen Wassers hat einen starken Einfluss auf das Spektrum des kurzwelligen Lichtes welches mit dem Ozean in Wechselwirkung steht. Hieraus ergibt sich die Notwendigkeit, diesen Effekt für eine akkurate Beschreibung des Strahlungstransports im Ozean und der Atmosphäre zu berücksichtigen. Dies trifft insbesondere auf Strahlungstransport Simulationen für den Anwendungsbereich der Ozeanfernerkundung zu, kann aber aufgrund der Größenordnung des Effekts auch eine Rolle bei der Atmosphärenfernerkundung über dem Ozean spielen. Während einige bestehende Strahlungstransportmodelle den Effekt qualitativ berücksichtigen, bestand jedoch ein Mangel an Modellen welche den Einfluss des Effekts auf das gekoppelte Atmosphäre-Ozean System unter Berücksichtigung der azimutalen Winkelabhängigkeit vorhersagen können. In der vorliegenden Arbeit wurde daher ein Verfahren zur Berücksichtigung der inelastischen Raman Streuung an Vibrationsübergängen des flüssigen Wassers in einem numerischen Strahlungstransportmodell entwickelt, implementiert, validiert und angewendet. Zunächst werden hierzu die theoretischen und empirischen Grundlagen beschrieben, die zur genauen Berechnung des Effekts notwendig sind. Ferner wurden ebenfalls die Grundlagen weiterer inelastischer Streuprozesse, insbesondere der atmosphärischen Raman Streuung aber auch der Fluoreszenz von Ozeaninhaltsstoffen, zusammengetragen und für ersteres in Form von Vorprozessoren für die künftige Verwendung im Strahlungstransportmodell vorbereitet. In dem folgenden Abschnitt wird das Strahlungstransportmodell, mit Schwerpunkt auf den neu entwickelten Verfahren zur Einbindung der inelastischen Streuung, erläutert. Dies beinhaltet die Berechnung der Streueffekte mit Fourier-entwickelter Azimutalabhängigkeit und eine akkurate aber dennoch schnelle Methode zur Berechnung der Raman Streubeiträge in optisch dicken, homogenen Schichten. Ferner wurden einige Erweiterungen an dem Modell bezüglich der Berechnung von Streu- und Absorptionseigenschaften des Wassers in Abhängigkeit von Temperatur und Salinität vorgenommen. Ebenfalls werden die in der Arbeit Verwendung findenden bio-optischen Modelle beschrieben. Ein weiterer Abschnitt befasst sich mit der Validierung der neuen Modellversion. Dies stellte aufgrund des Mangels an zur Verfügung stehenden geeigneten Referenzmodellen, die ebenfalls die Winkelabhängigkeit der Raman Streuung korrekt berücksichtigen, eine Herausforderung dar. Daher wurde ein gemischter Ansatz gewählt, der aus Modellvergleichen für einfache kanonische Probleme, der Überprüfung der Konsistenz der beteiligten Berechnungen sowie dem qualitativen Vergleich der Winkelabhängigkeit mit erwarteten Verläufen bestand. Der letzte Abschnitt stellt einige Anwendungen des neuen Modells vor. Hervorzuheben ist eine umfangreiche Studie des Einflusses der Raman Streuung auf die Lichtfelder in Ozean und Atmosphäre im sichtbaren Spektralbereich. So beträgt der Anteil des zusätzlich erzeugten Lichtes gegenüber der Vernachlässigung des Effekts im aufwärtsgerichteten Strahlungsfeld an der Ozeanoberfläche in klaren Gewässern von 10 bis über 30%. Es stellte sich heraus dass eine Vernachlässigung der Winkelabhängigkeit des Effekts zu Fehlern in den Radianzen von mehreren Prozent führen kann. Da der Anteil des aus dem Ozean entwichenen Lichtes am Oberrand der Atmosphäre im sichtbaren Strahlungsbereich in grober Schätzung nur noch etwa 10% beträgt, wurde auch untersucht wie stark der Effekt die Signale am Oberrand der Atmosphäre beeinflusst, um Rückschlüsse auf Satelliten-Fernerkundungsverfahren zu ermöglichen. Auch hier können die Raman Beiträge etliche Prozent betragen. Dies ist hauptsächlich im blauen und grünen Spektralbereich der Fall und weniger im roten, wo der Ozean stark absorbiert. Es wird auch gezeigt, dass selbst in dem Winkelbereich über einem durch Wind aufgerauten Ozean, der durch direkte Sonnenreflexe beeinflusst ist, der Beitrag noch durchaus signifikant sein kann. Eine weitere Studie beschäftigt sich spezifisch mit dem Effekt in den Kanälen des künftigen abbildenden Spektrometers OLCI der ESA Sentinel-3 Mission. Hierbei konnte u.A. gezeigt werden, dass der Raman Beitrag selbst in den roten Spektralkanälen noch technisch von dem Instrument aufgelöst werden kann. Der abschließende Beitrag stellt ein Gemeinschaftsprojekt unseres Instituts mit der Firma Brockmann Consult vor, in der die neue Strahlungstransportmodellversion erfolgreich zur Erstellung einer Lookup- Tabelle für ein allgemeines Fernerkundungsverfahren für Inhaltsstoffe des Ozeans zur Verwendung kam.