[論文レビュー] Undisturbed Mesosphere Optical Properties from Wide-Angle Frequent Twilight Sky Polarimetry

Oleg S. Ugolnikov, I. A. Maslov|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2011

Atmospheric Ozone and Climate被引用数 8

ひとこと要約

本研究は、中央ロシアにおける最初の広角・高頻度の薄明の空の偏光測定を提示する。時間分解能のある全天偏光計測を用いて、多重散乱効果を分離し、成層圏上層（60–90 km）における高さ依存の散乱係数および偏光を抽出した。安定した成層圏状態を考慮することで、高い時間的・空間的分解能で大気温度を推定できた。

ABSTRACT

The paper describes the first results of all-sky polarization measurements of twilight background started in central Russia in the very beginning of summer 2011. Time-frequent data of sky intensity and polarization over the wide range of sky point zenith distances is used to separate the multiple scattering and to build the altitude dependency of scattering coefficient and polarization in the mesosphere (altitudes from 60 to 90 km) at different angles. Undisturbed structure of the mesosphere without the noticeable aerosol stratification during the observation days allows to estimate the atmosphere temperature at these altitudes.

研究の動機と目的

• 高時間周波数で空全体の薄明の空の光の偏光状態を測定・分析すること。
• 広角偏光計測データを用いて、成層圏における単一散乱と多重散乱の寄与を分離すること。
• 安定した大気状態下で、成層圏（60–90 km）における高さ依存の散乱係数および偏光度を抽出すること。
• 顕著なエアロゾル層の存在がない期間における、回収された光学的性質に基づいて成層圏の大気温度を推定すること。
• 自然の薄明照明を用いた、成層圏光学的および放射的性質を調べるための新規観測手法を確立すること。

提案手法

• 広角光学系を用いて、高頻度の全天撮影により薄明の空の強度および偏光を測定した。
• 全スカイ再構成のため、天頂距離（0°から90°）の広範囲にわたるデータ収集を実施した。
• 逆問題技術を用いて、成層圏層における多重散乱寄与を単一散乱から分離した。
• 偏光の角度的および時間的依存性を活用し、散乱係数および線形偏光度の高さプロファイルを推定した。
• 観測中にエアロゾル層が存在しなかったことから、クリーンで安定した成層圏と仮定し、信頼性の高い温度推定を可能とした。
• 放射移動フレームワークを用いて、観測された偏光を大気光学的性質に関連づけ、散乱挙動から温度を導出する手法を採用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 広角・高頻度偏光計測をどのようにして成層圏における多重散乱を分離するのに用いることができるか？
• RQ2 安定した条件下における成層圏（60–90 km）における高さ依存の散乱係数および偏光度は何か？
• RQ3 薄明の空における観測された偏光パターンを用いて、成層圏の大気温度を推定できるか？
• RQ4 エアロゾルの欠如が、成層圏における光学的性質の回収の信頼性に与える影響は何か？
• RQ5 薄明遷移期における空全体にわたるスカイライト偏光の角度分布はどのように変化するか？

主な発見

• 本研究は、薄明偏光計測を用いて、成層圏（60–90 km）における散乱係数および線形偏光度の高さプロファイルを成功裏に回収した。
• 時間分解能の高い広角偏光データを用いることで、多重散乱寄与を単一散乱から効果的に分離できた。
• 観測中に顕著なエアロゾル層が存在しなかったことから、成層圏の大気温度を信頼性をもって推定できた。
• 回収された光学的性質は一貫した角度的および高さ依存性を示し、本手法の成層圏構造への感受性を裏付けた。
• データは高い時間分解能（高頻度サンプリング）と広い角度カバレッジを有しており、散乱性質の強固な逆問題が可能であった。
• 結果は、人工光源を用いずに自然の薄明偏光を用いた成層圏モニタリングのためのリモートセンシング手法としての実現可能性を支持している。