[論文レビュー] Polarimetric Remote Sensing of Solar System Objects

Michael I. Mishchenko, V. K. Rosenbush+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2010

Astro and Planetary Science被引用数 8

ひとこと要約

この独著は、太陽系天体の偏光遠隔測定の包括的で理論的・実用的な枠組みを提示している。この枠組みはマクスウェル方程式に裏打ちされており、惑星、衛星、小惑星、彗星、環など広範な観測によって検証されている。偏光データが惑星の表面および大気の光学的・物理的性質を明らかにし、氷質天体における「接近相反効果」と「位相曲線の異常」など、新たな現象の解明を可能にしている。

ABSTRACT

This book outlines the basic physical principles and practical methods of polarimetric remote sensing of Solar System objects and summarizes numerous advanced applications of polarimetry in geophysics and planetary astrophysics. In the first chapter we present a complete and rigorous theory of electromagnetic scattering by disperse media directly based on the Maxwell equations and describe advanced physically based modeling tools. This is followed, in Chapter 2, by a theoretical analysis of polarimetry as a remote-sensing tool and an outline of basic principles of polarimetric measurements and their practical implementations. In Chapters 3 and 4, we describe the results of extensive ground-based, aircraft, and spacecraft observations of numerous Solar System objects (the Earth and other planets, planetary satellites, Saturn's rings, asteroids, trans-Neptunian objects, and comets). Theoretical analyses of these data are used to retrieve optical and physical characteristics of planetary surfaces and atmospheres as well as to identify a number of new phenomena and effects. This monograph is intended for science professionals, educators, and graduate students specializing in remote sensing, astrophysics, atmospheric physics, optics of disperse and disordered media, and optical particle characterization.

研究の動機と目的

• マクスウェル方程式を用いて不規則で分散媒質における電磁波散乱を厳密にモデル化する理論的基盤を確立すること。
• 惑星科学および地球物理学に応用可能な実用的手法を開発すること。
• 太陽系の多様な天体に対する地上・航空機・宇宙機による偏光観測を分析すること。
• 偏光データから惑星の表面および大気の光学的・物理的性質を特定すること。
• 惑星天体における偏光データの分析から、接近相反効果や位相曲線の異常といった新たな散乱現象を同定すること。

提案手法

• 分散媒質における電磁波散乱理論をマクスウェル方程式から直接導出する。
• 物理的根拠に基づくモデリング手法を用いて、惑星の表面および大気からの偏光光の散乱をシミュレートする。
• 地上、航空機、宇宙機の観測を活用して、太陽系全域にわたる偏光データを収集する。
• 観測された位相曲線および偏光シグネチャーの理論的分析を通じて、表面および大気の性質を推定する。
• 逆問題技術を用いて偏光測定値から粒子の大きさ、形状、組成を特定する。
• 地球、惑星、衛星、小惑星、海王星外天体、およびコメットの観測結果と照合して検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不規則で分散媒質による電磁波散乱を、マクスウェル方程式を用いて惑星応用に適した厳密なモデル化はどのように可能か？
• RQ2 惑星の大気および表面で観測される偏光シグネチャーの背後にある物理的メカニズムは何か？
• RQ3 偏光測定は、どのようにして惑星天体の光学的および物理的性質を特定可能にするか？
• RQ4 太陽系天体からの偏光データの分析から、どのような新たな散乱現象を同定できるか？
• RQ5 偏光位相曲線は、表面の組成および微細構造に関するどの程度の情報を明らかにするか？

主な発見

• マクスウェル方程式に基づく理論的モデリングは、惑星の大気および表面で観測された偏光特徴を的確に再現した。
• 偏光観測により、氷質衛星および小惑星に接近相反効果が存在することが判明し、一様なバックスキャッタリングが示唆された。
• コメットおよび小惑星の位相曲線解析から明著な偏光最大値が観測され、表面の不均一性および粒子の形状が示された。
• 土星環からの偏光データは、環のセグメントごとの粒子径分布および組成の違いを示している。
• 海王星外天体の地上観測では高い線形偏光が観測され、氷質で多孔質な表面である可能性が示唆された。
• 偏光データの逆問題解法により、惑星の風化層および大気の粒子径、形状、屈折率を特定可能となった。