Light Scattering Reviews 10: Light Scattering and Radiative Transfer

355 Pages·2016·14.34 MB·English

by  Alexander A. Kokhanovsky (auth.)

Light
Scattering
Reviews 10
ALEXANDER A. KOKHANOVSKY
EDITOR
Light Scattering Reviews 10
Light Scattering and Radiative Transfer
Alexander A. Kokhanovsky (Editor)
Light Scattering
Reviews 10
Light Scattering and Radiative Transfer
Published in association with
Praxis Publishing
Chichester, UK
Editor
Dr. Alexander A. Kokhanovsky
EUMETSAT
Darmstadt, Germany
SPRINGER–PRAXIS BOOKS IN ENVIRONMENTAL SCIENCES (LIGHT SCATTERING SUB-SERIES)
EDITORIAL ADVISORY BOARD MEMBER: Dr. Alexander A. Kokhanovsky, Ph.D., Institute of Environmen-
tal Physics, University of Bremen, Bremen, Germany
ISBN 978-3-662-46761-9 ISBN 978-3-662-46762-6 (eBook )
DOI 10.1007/978-3-662-46762-6
Library of Congress Control Number: 2014950797
Springer Heidelberg New York Dordrecht London
© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2016

This work is subject to copyright. All rights are reserved by the Publisher, whether the whole or part
of the material is concerned, specifically the rights of translation, reprinting, reuse of illustrations,
recitation, broadcasting, reproduction on microfilms or in any other physical way, and transmission
or information storage and retrieval, electronic adaptation, computer software, or by similar or
dissimilar methodology now known or hereafter developed.
The use of general descriptive names, registered names, trademarks, service marks, etc. in this
publication does not imply, even in the absence of a specific statement, that such names are exempt
from the relevant protective laws and regulations and therefore free for general use.
The publisher, the authors and the editors are safe to assume that the advice and information in this
book are believed to be true and accurate at the date of publication. Neither the publisher nor the
authors or the editors give a warranty, express or implied, with respect to the material contained
herein or for any errors or omissions that may have been made.
Cover design: Jim Wilkie
Project copy editor: Christine Cressy
Author-generated LaTex, processed by EDV-Beratung Herweg, Germany
Printed on acid-free paper
Springer-Verlag GmbH Berlin Heidelberg is part of Springer Science+Business Media (www.springer.com)
Contents
List of contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX
Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XI
Part I Polarimetry
1 Polarization of light in the atmosphere and ocean
George W. Kattawar, Ping Yang, Yu You, Lei Bi, Yu Xie, Xin Huang, and
Souichiro Hioki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Brief history of polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Stokes–Mueller formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4 Stokes parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.5 Mueller matrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.6 Neutral points in the atmosphere and ocean . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.7 Polarotaxis for marine animals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.8 Application of polarization to atmospheric studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.9 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2 Recent developments in the use of light polarization for marine
environment monitoring from space
Tristan Harmel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.2 Brief history of the discovery of polarization patterns in the marine
environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.3 Potentialities of polarimetric remote sensing of marine biogeochemical
parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.4 Theoretical basis on radiative transfer through the atmosphere–ocean
system. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.5 Impact of the marine components on polarization state of light . . . . . . . 49
2.5.1 Phytoplankton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.5.2 Colored dissolved organic matter (CDOM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.5.3 Suspended sediments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.5.4 Air–sea interface: impacts on above-water radiometric
measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
VI Contents
2.6 Benefits of polarization measurements for field and satellite remote
sensing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.6.1 Estimation of chlorophyll fluorescence through the polarization
discrimination technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.6.2 Measuring the polarization state of water-leaving radiation . . . . 63
2.6.3 Aerosol determination and atmospheric correction . . . . . . . . . . . . 65
2.6.4 Near-surface wind-speed estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3 Polarimetry in terrestrial applications
Sergey N. Savenkov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.2 Mueller matrices of deterministic and depolarizing objects . . . . . . . . . . . . 86
3.3 Mueller matrix polarimetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.4 Radar polarimetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.5 Applications of optical and radar polarimetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
3.5.1 Vegetation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
3.5.2 Soil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
3.5.3 Atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
3.5.4 Contamination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
3.5.5 Sea ice and water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
3.5.6 Geology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
4 Modeling polarized solar radiation of the ocean–atmosphere
system for satellite remote sensing applications
Wenbo Sun, Rosemary R. Baize, Constantine Lukashin, Gorden Videen,
Yongxiang Hu, and Bing Lin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
4.2 Radiative-transfer model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
4.3 Surface-reflection model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
4.4 Numerical calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
4.4.1 Validation of the ADRTM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
4.4.2 A super-thin cloud detection method revealed by the ADRTM
and PARASOL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
4.4.3 Effects of water vapor, surface, wavelength, and aerosol on
polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
4.5 Summary and conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
Part II Atmospheric optics and inverse problems
5 Vertical profiles of optical and microphysical characteristics of
tropospheric aerosol from aircraft measurements
Mikhail V. Panchenko and Tatiana B. Zhuravleva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
Contents VII
5.2 Specific comprehensive experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
5.2.1 Instrumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
5.2.2 Specific experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
5.3 Long-term observations of vertical profiles of tropospheric aerosol
characteristics: Usage in models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
5.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
6 Light absorption in the atmosphere
Helmuth Horvath . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
6.2 Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
6.2.1 Absorption coefficient, extinction coefficient, scattering
coefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
6.2.2 Scattering function, phase function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
6.2.3 Asymmetry parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
6.2.4 Model phase functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
6.2.5 Radiance of a layer of gas/aerosol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
6.3 Light absorption by gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
6.3.1 Attenuation law for line spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
6.4 Light absorption by solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
6.5 Refractive index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
6.5.1 Refractive index of mixtures of two light-absorbing substances . 246
6.5.2 Data for the refractive index of materials forming absorbing
particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
6.5.3 Wavelength dependence of the refractive index . . . . . . . . . . . . . . . 251
6.6 Mie theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
6.7 Influence of the refractive index on the absorption coefficient and
related properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
6.7.1 Absorption coefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
6.7.2 Coated sphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
6.7.3 Single-scattering albedo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
6.7.4 Volume-scattering function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
6.8 Wavelength dependence of the optical properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
6.8.1 Absorption coefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
6.9 Multiple scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
6.9.1 Radiance of the horizon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
6.9.2 Reflected and transmitted light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
6.10 Light-absorbing particles in the atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
6.10.1 Mineral dust particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
6.10.2 black carbon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
6.10.3 Brown carbon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
6.11 Measurement of light absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
6.11.1 Absorption by the subtraction method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
6.11.2 Absorption by elimination of scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
6.11.3 Use of various physical effects for determining light absorption . 277
6.12 Data on atmospheric light absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
VIII Contents
6.13 Influence of black carbon on cloud cover and global warming . . . . . . . . . 279
6.13.1 The influence on clouds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
6.13.2 Light-absorbing particles and global warming . . . . . . . . . . . . . . . . 279
6.14 Photophoresis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
6.15 Health effects of black carbon particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
7 Neural networks for particle parameter retrieval by multi-angle
light scattering
Vladimir V. Berdnik and Valery A. Loiko . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
7.2 Formation and training of neural networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
7.2.1 Multilayer perceptron neural networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
7.2.2 Radial basis function neural networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
7.2.3 High-order neural networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
7.2.4 Sequences of neural networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
7.3 Formation of training data and input signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
7.4 Testing of neural networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
7.4.1 Parameter retrieval by intensity of scattered radiation . . . . . . . . 305
7.4.2 Parameter retrieval by non-standardized intensities of
scattered radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
7.4.3 Parameter retrieval by experimental data of scanning
cytometry: comparison with the fitting method . . . . . . . . . . . . . . 322
7.5 Absorbing particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
7.6 Sizing of soft spheroidal particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
7.7 Sizing of spheroidal and cylindrical particles in a binary mixture . . . . . . 332
7.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
List of Contributors
Baize, Rosemary R. Horvath, Helmuth
NASA Langley Research Center University of Vienna
Mail Stop 420 Faulty of Physics
Hampton Aerosol and Environmental Physics
VA 23681 Boltzmanngasse 5
USA 1090 Vienna