[论文解读] 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 8

一句话总结

本研究首次在俄罗斯中部地区开展了宽视角、高频次的极光照耀天空偏振观测，利用时间分辨的全天球偏振测量技术，分离多次散射效应，并反演60–90公里高度层的散射系数与偏振特性。在未受扰动的大气条件下，实现了该高度区域大气温度的高时间与角度分辨率估计。

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.

研究动机与目标

• 以高时间频率测量并分析整个天球穹顶的极光照耀天空光的偏振状态。
• 利用宽视角偏振测量数据，分离中间层中单次散射与多次散射的贡献。
• 在未受扰动的大气条件下，反演中间层（60–90公里）高度依赖的散射系数与偏振度。
• 基于反演的光学特性，在无显著气溶胶层析结构的时段，估计中间层大气温度。
• 建立一种新颖的观测方法，利用自然极光照明探测中间层光学与辐射特性。

提出的方法

• 使用宽视角光学系统，开展极光照耀天空亮度与偏振的时间频繁全天球成像。
• 在广泛的天顶角范围（0°至90°）内采集数据，以实现偏振天空光的全天空重建。
• 应用反演技术，从中间层层的单次散射中分离出多次散射的贡献。
• 利用偏振的角分布与时间依赖性，推断散射系数与线性偏振度的高度分布。
• 利用观测期间无气溶胶层的条件，假设中间层洁净且未受扰动，从而实现可靠的温度估计。
• 利用辐射传输框架，将观测到的偏振与大气光学特性关联，并从散射行为推导温度。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用宽视角、高频次的偏振测量技术，分离中间层中的多次散射？
• RQ2 在未受扰动条件下，中间层（60–90公里）的散射系数与偏振度如何随高度变化？
• RQ3 能否利用极光照耀天空中观测到的偏振模式推断中间层的大气温度？
• RQ4 气溶胶缺失对中间层光学特性反演的可靠性有何影响？
• RQ5 在极昼过渡期间，天空穹顶各处的天空光偏振角分布如何变化？

主要发现

• 本研究成功利用极光偏振测量，反演了中间层（60–90公里）的散射系数与线性偏振度高度分布。
• 通过时间分辨的宽视角偏振数据，有效分离了多次散射与单次散射的贡献。
• 观测期间无显著气溶胶层析结构，使中间层大气温度的可靠估计成为可能。
• 反演的光学特性表现出一致的角分布与高度依赖性，验证了该方法对中间层结构的敏感性。
• 数据表现出高时间分辨率（频繁采样）与宽角度覆盖，支持散射特性反演的稳健性。
• 结果支持利用自然极光偏振作为无需人工光源的远程传感工具，用于中间层监测的可行性。