Multi-dimensional Polarized Radiative Transfer Modeling of Titan's Atmosphere
Ein multi-dimensionales, polarisiertes Strahlungstransportmodell für Titans Atmosphäre
by Santo Valentin Salinas Cortijo
Date of Examination:2003-06-23
Date of issue:2003-07-25
Advisor:Prof. Dr. Franz Kneer
Referee:Dr. Horst Uwe Keller
Referee:Prof. Dr. Karsten Bahr
Referee:Prof. Dr. Andreas Tilgner
Persistent Address:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-2858
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Description:Dissertation
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Abstract
English
The primary purpose of this thesis work is to develop a multi-dimensional radiative transfer model, which includes polarization, for Titan"s atmosphere and to validate this model. The model is capable of solving the monochromatic radiative transfer equation in full spherical geometry. Polarization is considered by using the four Stokes parameters and the 4 x 4 scattering phase matrix. The radiative transfer equation can be solved for systems containing thermal and/or collimated (solar) radiant sources. Boundary conditions account for two types of surface reflection i.e. Fresnel and Lambert types.The model is validated for the 1-dimensional polarized radiative transfer by comparing its results to benchmark cases available in the literature. The validation confirms that the model functions properly in the plane-parallel case. Further, a limiting test case is performed to validate the pseudo- spherical implementation which is build on top of the one-dimensional algorithm. Though the 3-D case cannot be fully validated yet since there are no comparison data, specially for the polarization case. However, some tests are included taking into account limiting cases and direct comparison with in-situ measurements. For the latter, the Martian atmosphere is chosen as a test case scenario. These tests have shown reasonable results within the constrains of the data and the model limitations.Another aspect of this research, is to apply the model to Titan"s atmosphere using its atmospheric properties as they are known at the moment in order to demonstrate that the model produces feasible results and to show how different these results are from plane-parallel (1-D) as compared to full spherical treatment of the atmosphere. Simulations results for the internal polarized radiation field of Titan are presented taken into account the microphysics of the atmosphere and were performed considering the geometry, frequency, angular resolution and other parameters prescribed for the Huygens/DISR experiments which will take place in early 2005.
Keywords: Titan; Huygens; Radiative Transfer; Polarization
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Das Ziel dieser Doktorarbeit ist die Entwicklung und Validierung eines mehrdimensionalen Strahlungstransportmodelles unter Berücksichtigung von Polarisation für Titans Atmosphäre. Das Modell ist in der Lage die monochromatische Strahlungstransportgleichung in spärischer Geometrie zu lösen. Polarisation wird durch die vier Stokesparameter und die 4 x 4 Streuwinkelmatrix berücksichtigt. Die Strahlungstransportgleichung kann für Systeme mit thermischen und/oder solaren Strahlungsquellen gelöst werden. Randbedingungen berücksichtigen zwei Arten (Fresnel und Lambert) der Oberflächenreflektion.Das Modell wird für den eindimensionalen polarisierten Strahlungstransport durch Vergleich mit Musterfällen aus der Literatur validiert. Diese Validierung bestätigt das Modell für den planparallelen Fall. Weiterhin wird ein eingeschränkter Test zur Validierung der auf dem eindimensionalen Fall aufbauenden pseudo-spärischen Implementierung durchgeführt. Das dreidimensionale Modell kann nur eingeschränkt validiert werden da wenig Vergleichsdaten vorliegen, insbesondere für den polarisierten Fall. Einige Tests fuer Grenzfälle und den direkten Vergleich mit in-situ Beobachtungen sind jedoch in der Arbeit enthalten. Für den Vergleich mit in-situ Beobachtungen wurde die Atmosphäre des Mars als Testfall ausgewählt. Die Tests zeigen im Rahmen der Einschränkungen befriedigende Resultate.Ein weiterer Punkt der Forschungsarbeiten ist die Anwendung des Modells auf die Atmosphäre Titans unter Verwendung der zur Zeit bekannten atmosphärischen Eigenschaften, um zu demonstrieren, dass das Modell vernünftige Resultate liefert und das sich die Ergebnisse des spärischen (3-D) Modells erheblich von denen des planparallelen (1-D) unterscheiden. Modellergebnisse für das interne polarisierte Strahlungsfeld von Titan unter Berücksichtigung der Mikrophysik der Atmosphäre werden dargestellt. Die Simulationen berücksichtigen die Geometrie, Frequenz, Winkelauflösung und weitere Parameter die für das Huygens/DISR Experiment Anfang 2005 vorgegeben sind.
Schlagwörter: Titan; Huygens; Strahlungstransport; Polarisation
