Satellite remote sensing measurement of a geophysical parameter is always based on measurement of e.m. radiation. Apart from almost direct measurements of radiation budget at the top of the atmosphere, in the best of the cases the geophysical variable is estimated by analysing some property of the measured e.m. that would interact with variable itself. In some case the measurement is based on some relationship between the variable of interest and some other variable that would interact with the e.m. radiation (for example wind from roughness)
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Satellite remote sensing measurement of a geophysical parameter is always based on measurement of e.m. radiation. Apart from almost direct measurements.
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Satellite remote sensing measurement of a geophysical parameter is always based on measurement of e.m. radiation.
Apart from almost direct measurements of radiation budget at the top of the atmosphere, in the best of the cases the geophysical variable is estimated by analysing some property of the measured e.m. that would interact with variable itself. In some case the measurement is based on some relationship between the variable of interest and some other variable that would interact with the e.m. radiation
Any volume of matter at absolute temperature > 0 K emits radiation as a function of:
-its temperature and wavelength (Planck Law in Local Thermodynamic Equilibrium conditions)
- its composition (dielectric properties -> emissivity) (Kirchoff Law)
Thermal Emission
Proprieta’ fisiche delle singole molecole e Aerosols (composizione)
(p,T)Proprieta’ ottiche delle singole molecole e Aerosols (λ,Ω)
Proprieta’ ottiche del volume (λ,Ω)
Equazione del trasporto radiativo (λ,Ω)Proprieta’ ottiche della superficie/boundaries (λ,Ω)
Soluzione (∫ ∫ …dλdΩ)
GRANDEZZE OTTICHE MACROSCOPICHE DELLO STRATO:
• RIFLETTANZA
• ASSORBANZA• EMISSIVITA'
• TRANSMITTANZA
Proprieta’ fisiche delle singole molecole e Aerosols (composizione)
Proprieta’ ottiche delle singole molecole e Aerosols (λ,Ω)
Proprieta’ ottiche del volume (λ,Ω)
Equazione del trasporto radiativo (λ,Ω)
Soluzione (∫ ∫ …dλdΩ)
Processi radiativi d’interazione
Calcolo delle proprieta’ ottiche di volume:Spessore ottico, albedo di singolo scattering, proprieta’ angolari dello scattering (per es: g o matrice di diffusione) o T,R,A
Risoluzione numerica dell’eq. Del trasporto radiativo
Risoluzione numerica di eventuali integrazioni angolari e spettrali
e.m. Interaction processes• Absorption (Molecular + associated with
Schematic of Fundamental Spectroscopic Parameters of a Line Transition in
HITRAN.
Scattering/Diffusione (Reflectance).
Scattering/Diffusione (Reflectance).Si manifesta come variazione della direzione di propagazione (e della polarizzazione) rispetto a quella dell’onda e.m. incidente.
Scattering/Diffusione (Reflectance).Si manifesta come variazione della direzione di propagazione (e della polarizzazione) rispetto a quella dell’onda e.m. incidente. Puo’ anche essere associato ad assorbimento della radiazione.
Scattering/Diffusione (Reflectance).E’ dovuto al passaggio di un onda e.m. da un mezzo ad un altro con differenti proprietà di propagazione (indice di rifrazione complesso*).
* Si introduce l’indice di rifrazione complesso:
m=n+i n’
per poter tener conto dell’assorbimento utilizzando la formula per la propagazione dell’onda:
e i(ωt-mkz)
SCATTERING:
Principio di Huygens
Quante lunghezze d’onda l’onda ‘spende’ all’interno del mezzo con differenti caratteristiche ottiche di propagazione?
Scattering: a geometric optics representation
Scattering/Diffusione (Reflectance).
Dipende da:- composizione (indice di rifrazione complesso) del mezzo.- cammino ottico relativo* (rispetto alla lunghezza d’onda della radiazione incidente) all’interno della discontinuità (forma, dimensioni ed orientamento della discontinuità)
* Per es per le sfere di raggio r ed indice di rifrazione reale m:
Size Parameter x=2πr/λ oppure
ρ=2 x (m-1)
Scattering/Diffusione (Reflectance).L’effetto della singola particella scatterante per una data lunghezza d’onda può essere rappresentato da 3 proprieta’:
- efficienza nello scatterare.- efficienza nell’assorbire.- efficienza, in funzione della geometria nel ridistribuire angolarmente la radiazione in funzione dello stato di polarizzazione.
Scattering: numerical representation Proprietà ottiche di singolo scattering (Single
Scattering Optical Properties SSOP) - Cross Sections C (Efficiencies Q nel caso di
sfere) - Single scattering albedo: ω- Phase function: Scattering Matrix,Tavola
P(γ), Coefficienti dei Polinomi di Legendre, Asymmetry factor (g), Approximations (e.g.: HG)
Diffraction limit
Yang et al., “Single-scattering properties of complex ice crystals in terrestrial Atmosphere”, Contr. Atmos. Phys., 71, 223-248, 1998.
Scattering: Polarization
http://www.astro.uva.nl/scatter/
Metodi numerici per il calcolo delle proprieta’ ottiche di singola particella
Esempi di distribuzione dimensionale descritta dalla funzione in basso con 2 valori di a e 3 di b
Calcolo delle proprieta’ di singolo scattering per una polidispersione
Calcolo dei coefficienti di scattering per 2 specie: A, M.
(p,T)
La radiazione scatterata da un generico volume dipende dalla intensita’ e distribuzione angolare della radiazione incidente sul volume che pero’ dipende, atraverso lo scattering dei volumi vicini a sua volta dalla radiazione scatterata
Scattering Multiplo: Metodi Numerici
• Ordini di scattering successivi• Doubling or Adding• Invariant imbedding• Funzioni X e Y• Discrete – Ordinate• Armoniche sferiche• Sviluppo in eigenfuction• Montecarlo• Soluzioni analitiche• Pseudo-assorbimento
Accorgimenti numerici: δ-Eddington
Doubling or adding method
Si definisce per la trasmissione diffusa e per la riflessione:
Un prodotto R1R2 implica:
RIFLESSIONE - leggi di ottica geometrica che regolano il
passaggio di radiazione tra mezzi con indice di rifrazione differente
- Formule di Fresnel per luce polarizzata- casi limite: riflettore speculare, riflettore - modellizzazione di superficie corrugate- applicazioni possibili: vento alla superficie, oil
spills, tipo di vegetazione- varie combinazioni flussi radianze del concetto di
riflettanza.
Definizioni S: sorgenteO: osservatore
P: puntualeD: diffusa
Surface reflectance - BRDF
Tipi di riflessione
Calcolo delle proprieta’ di riflettanza: BRDF
Geometria e composizione (indice di rifrazione complesso) degli elementi di superficie
Ottica geometrica
Θo=cost
* *
1 2* *
1 2
*1 2
* 1 2
cos cos 2 ...
cos cos 2 ...1
sin sin 2 ...2 / 2Resin sin 2 ...
2 Im
v v h ho
v v h h o
v h
v h
E E E EI I II
E E E E Q Q QQ
U UU E EV UV
E E
L
Surface emissivity - Oceans
Directional wind roughened surface: Sea-water permittivity Fresnel equations (I, Q, U, V)Large-scale wavesGravity-capillary, capillary waves (>
2m/s)Whitecaps (> 7 m/s)Foam (> 10-12 m/s)
EMISSIONE TERMICA
• CORPO GRIGIO
• LEGGE DI KIRCHOFF
• BRIGHTNESS TEMPERATURE
Any volume of matter at absolute temperature > 0 K emits radiation as a function of:
-its temperature and wavelength (Planck Law in Local Thermodynamic Equilibrium conditions)
- its composition (dielectric properties -> emissivity) (Kirchoff Law)
Thermal Emission
http://www.icess.ucsb.edu/modis/EMIS/html/em.html
Source Function (SF) in Non-Local Thermodynamic Equilibrium (LTE)
• In generale la SF e’ una funzione della popolazione dei livelli coinvolti in ogni transizione
• In LTE la popolazione dei livelli dipende solo dalla temperatura e quindi la SF e’ la funzione di Planck
• In generale la popolazione dei livelli di una molecola dipende dal campo di radiazione in cui la molecola si trova
• In LTE le collisioni sono cosi’ frequenti da portare molto velocemente la popolazione di un livello alla distribuzione di Boltzmann corrispondente alla Temperatura cinetica del gas
• In Non-LTE le collisioni termiche sono meno importanti e quindi gli stati eccitati non si deattivano per urto ma per altri fenomeni. Cosi’ la popolazione dei livelli NON ha relazione con la Temperatura cinetica
• Il problema di trovare la SF in Non-LTE si trasferisce nel problema di trovare la popolazione dei livelli energetici coinvolti nell’interazione radiazione materia
Sviluppo di algoritmi d’inversione
EmpiriciNeural network Modelli numerici di trasferimento radiativo
Radiative transfer modeling•Model type/purpose: simulazione di strumenti, calcolo di flussi radiativi (per s all’interno di modelli di previsione numerica)•Spectral range/integration•Angular integration•Polarization•Physical Processes/level of parametrization•Geometry: plane parallel, spherical, 3D.•Input•Output•User friendly•Examples
OBSERVATION GEOMETRY (S, V, )
SURFACE ( (S, V, , ) ,zo)
CLOUDS (SSOP( ,z)*,( ,z))
AEROSOLS (SSOP( ,z)*,( ,z))
INSTRUMENT CHARACTERISTICS :
NOISE, FILTER RESPONSES, MULLER SIMULATED
INSTRUMENT
MODEL
RADIATIVE
TRANSFER
EQUATION SOLVER
ALTITUDE
INCLINATION
PERIOD
EQ. PASS. TIME
SCANNING
CHARACTERISTICS
ORBIT MODEL
SCANNING MODEL
EARTH SUBSATELLITE POSITION
INSTRUMENT SIMULATOR• GAS ABSORPTION FROM MAJOR AND MINOR GASES
• MULTIPLE SCATTERING
• POSSIBILITY TO INTRODUCE USER DEFINED DETAILED INPUT
ESEMPI DI MOTIVAZIONI PER LA POSIZIONE DEI CANALI PER
ALCUNI STRUMENTI(MODIS e SEVIRI)
CLM: Cloud microphysical properties
Dataset terminologyLEVEL 0: Raw data [binary counts] Space agencyLEVEL 1: Image data in sensor co-ordinates. Individual
calibrated channels.[Radiances] Algorithm developers.CalibrationLEVEL 2: Derived geophysical variables geolocated but
generally still in image coordinates UsersL1→L2 Algorithm Theoretical Basis Document: ATBDValidationLEVEL 3: Composite (time and space: e.g. monthly 1°x1°)
geophysical products resampled into standard map projection (single sensor can still contain gaps) Users
LEVEL 4: As level 3 with gaps filled. This can be done by merging level 3 from different sensors or filling the gaps with models (objective analysis, forecast model etc..) Users