Applications of satellite remote sensing for air

Satellite remote sensing measurement of a
geophysical parameter is always based on
measurement of e.m. radiation.
Apart from almost direct measurements of radiation
budget at the top of the atmosphere, in the best of
the cases the geophysical variable is estimated by
analysing some property of the measured e.m. that
would interact with variable itself. In some case the
measurement is based on some relationship
between the variable of interest and some other
variable that would interact with the e.m. radiation
(for example wind from roughness)
Retrieval methods-Algoritmi d’inversione
Misura e.m. →Variabile geofisica
– Functional regression
– Neural network
– Analytical solution
– LUT, Bayesian Approach
– Variational assimilation
– Iterative techniques (first-guess)
Source of calibration/training dataset
Empirical
RTM based
Properties of the e.m. radiation
Amplitude
Frequency, Wavelength,Energy
Phase, Polarization
DEFINIZIONI UTILI DI RADIAZIONE DA ENERGIA A RADIANZA
________________________________________________
QUANTITA’
SIMBOLO
UNITA’
______________________________________________________________________
Energia
Q
J
Potenza
dQ/dt
W=J/s
Flusso
dQ/dt/dA
W/m2
Irradianza monocromatica dQ/dt/dA/dλ
W/m2/μm
Radianza
dQ/dt/dA/dλ/dΩ W/m2/μm/sr
Frequenza/energia
I parametri di Stokes
Dato il campo elettrico della radiazione e.m.:
I parametri di Stokes sono:
Esprimendo l’intensità:
Ottengo i parametri di Stokes dalle seguenti “misure”:
Useful range for earth atmosphere remote sensing
• Measuring and intepreting the effect of a
radiation-matter interaction assumes that:
- you know the e.m. radiation properties
before and after the interaction.
- You know the physical nature of the
interaction and how it is linked to variable
you would like to estimate.
Radiometri, interferometri,
Polarimetri.
Radar, Lidar, Altimetro,
Scatterometro, SAR.
Sorgenti naturali di radiazione
IL SOLE
EMISSIONE
TERMICA
http://coolcosmos.ipac.caltech.edu/image_galleries/our_ir_world_gallery.html
METEOSAT 2° Generation
18/4/2008 06:00 UTC
INFRAROSSO
VISIBILE
www.eumetsat.int
Thermal Emission
Any volume of matter at
absolute temperature > 0 K
emits radiation as a function
of:
-its temperature and
wavelength (Planck Law in
Local Thermodynamic
Equilibrium conditions)
- its composition (dielectric
properties -> emissivity)
(Kirchoff Law)
Proprieta’ fisiche delle singole
molecole e Aerosols (composizione)
(p,T)
Proprieta’ ottiche delle singole
molecole e Aerosols (λ,Ω)
Proprieta’ ottiche del volume (λ,Ω)
Proprieta’ ottiche della
superficie/boundaries (λ,Ω)
Equazione del trasporto radiativo (λ,Ω)
Soluzione (∫
∫ …dλdΩ)
GRANDEZZE OTTICHE MACROSCOPICHE
DELLO STRATO:
•
RIFLETTANZA
•
•
ASSORBANZA
EMISSIVITA'
•
TRANSMITTANZA
Proprieta’ fisiche delle singole
molecole e Aerosols (composizione)
Processi radiativi d’interazione
Proprieta’ ottiche delle singole
molecole e Aerosols (λ,Ω)
Proprieta’ ottiche del volume (λ,Ω)
Calcolo delle proprieta’ ottiche di volume:
Spessore ottico, albedo di singolo
scattering, proprieta’ angolari dello
scattering (per es: g o matrice di
diffusione) o T,R,A
Risoluzione numerica dell’eq. Del
trasporto radiativo
Equazione del trasporto radiativo (λ,Ω)
Risoluzione numerica di eventuali
integrazioni angolari e spettrali
Soluzione (∫
∫ …dλdΩ)
e.m. Interaction processes
• Absorption (Molecular + associated with
scattering and reflection)
• Thermal emission
• Scattering*
• Reflection*
• Others (Stimulated emissions, fluorescence,
Raman scattering)
* Polarizing processes
Molecular absorption
It depends from:
• The characteristics of the molecules (i.e.
composition of the atmosphere)
• The wavelength
• Temperature and pressure of the gas.
Molecular absorption
To be computed needs for each molecule (including
isotopologues):
• Position (wavelength) and intensity of the absorption line
(line atlas> HITRAN, GHEISA)
• Functional form of the shape of the absorption line
(Gaussian, Lorentz, Voigt)
• Functional form for the continuum
• Temperature, pressure and concentration for each
molecule considered.
The radiative transfer representation of the process is
through an extinction coefficient (cross section).
Atmospheric absorption
H2O, O2, O3
k ( )  N  Si F (  o )  continuum terms
Absorption
Coefficient
O2
i
Gas
abundance
Line
strength
Center frequency
Frequency
Shape
factor
H2O, N2
Emolecola=Eele+Evib+Erot+Etran
Eele
> Evib > Erot > Etran
UV-VIS
IR
MW
Emolecola= Energia totale della molecola
Eele
= Energia elettronica
Evib
= Energia associata al moto vibrazionale della molecola
Erot
= Energia associata al moto rotazionale della molecola
Etran
= Energia associata al moto di traslazione del centro di
massa della molecola
O2
21%
N2
78%
CO
CO2
CH4
N2O
N2O
E-E
H2O
O3
CH4
CH4
N2O
Energy levels of a molecule
Electronic energy levels; Hydrogen atom
Line broadening
1) Natural broadening
Depends on the lifetime of the excited energy level
2) Doppler broadening
Depends on the velocity of the molecule, in thermal
equilibrium condition, the velocity distribution
depends on the temperature.
3) Pressure broadening
Depends on the collisions with other molecules, in
equilibrium conditions on the pressure.
The continuum
The so-called continuum absorption is caused by the far wings
of strong absorption lines, e.g. H2O lines.
Gaussian lineshape
Lorentzian lineshape
1.0
Absorbance
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
Wavelength
4
6
8
10
Scale di frequenza
• Variabilita’ della funzione di Planck:
Calcolo dei flussi, cooling heating rates
(500 cm-1)
• Contorno delle bande (50 cm-1)
• Spaziatura tra linee rotazionali (1-5 cm-1)
• Caratteristiche della linea. Radiazione
mocromatica (validita’ Legge di Beer).
~1/5 line width. 2x10-2 (bassa atmosfera) a
2x10-4 (Doppler width, alta atmosfera)
Soluzioni numeriche per il calcolo
dell’assorbimento molecolare
• Line-by-line
• Band models
• Emissivity models
Band models
I modelli di banda sono utilizzati per rappresentare la
complessita’ degli spettri dati dalle singoli linee
•Random models
•Correlated k-band models
• etc..(see Goody & Yung 1989)
Correlated k-band model
http://www.cfa.harvard.edu/HITRAN/
http://www.cfa.harvard.edu/HITRAN/
Schematic of Fundamental Spectroscopic
Parameters of a Line Transition in
HITRAN.
Scattering/Diffusione (Reflectance).
Scattering/Diffusione (Reflectance).
Si manifesta come variazione della direzione di
propagazione (e della polarizzazione) rispetto a quella
dell’onda e.m. incidente.
Scattering/Diffusione (Reflectance).
Si manifesta come variazione della direzione di
propagazione (e della polarizzazione) rispetto a quella
dell’onda e.m. incidente. Puo’ anche essere associato
ad assorbimento della radiazione.
Scattering/Diffusione (Reflectance).
E’ dovuto al passaggio di un onda e.m. da un mezzo ad
un altro con differenti proprietà di propagazione (indice
di rifrazione complesso*).
* Si introduce l’indice di rifrazione complesso:
m=n+i n’
per poter tener conto dell’assorbimento utilizzando la formula per la
propagazione dell’onda:
e i(ωt-mkz)
SCATTERING:
Quante lunghezze
d’onda l’onda ‘spende’
all’interno del mezzo
con differenti
caratteristiche ottiche
di propagazione?
Principio di Huygens
Scattering: a geometric optics representation
Scattering/Diffusione (Reflectance).
Dipende da:
- composizione (indice di rifrazione complesso) del
mezzo.
- cammino ottico relativo* (rispetto alla lunghezza d’onda
della radiazione incidente) all’interno della discontinuità
(forma, dimensioni ed orientamento della discontinuità)
* Per es per le sfere di raggio r ed indice di rifrazione reale m:
Size Parameter x=2πr/λ
oppure
ρ=2 x (m-1)
Scattering/Diffusione (Reflectance).
L’effetto della singola particella scatterante per una
data lunghezza d’onda può essere rappresentato da
3 proprieta’:
- efficienza nello scatterare.
- efficienza nell’assorbire.
- efficienza, in funzione della geometria nel ridistribuire
angolarmente la radiazione in funzione dello stato di
polarizzazione.
Scattering: numerical representation
Proprietà ottiche di singolo scattering (Single
Scattering Optical Properties SSOP)
- Cross Sections C (Efficiencies Q nel caso di
sfere)
- Single scattering albedo: ω
- Phase function: Scattering Matrix,Tavola
P(γ), Coefficienti dei Polinomi di Legendre,
Asymmetry factor (g), Approximations (e.g.:
HG)
Diffraction limit
Yang et al., “Single-scattering properties of complex ice crystals in terrestrial
Atmosphere”, Contr. Atmos. Phys., 71, 223-248, 1998.
Scattering: Polarization
http://www.astro.uva.nl/scatter/
Metodi numerici per il calcolo delle
proprieta’ ottiche di singola particella
• Rayleigh scattering (particelle relativamente piccole)
• Mie scattering (particelle sferiche di dimensioni
comparabili con la lunghezza d’onda)
• Metodi numerici per particelle non sferiche (particelle
non-sferiche di dimensioni comparabili con la
lunghezza d’onda)
• Ottica geometrica (particelle di forma qualsiasi di
dimensioni relativamente grandi)
Casi particolari: pr es: coated spherical particles
Metodi di calcolo per le proprietà
ottiche di singolo scattering
Mie scattering & Geometric Optics:
Depends from scattering particle
amount, shape, dimension &
relative orientation particle-wave
Rayleigh scattering:
Depends from scattering particle
amount
Negligible Scattering:
independent from an particle property
SURF. RADAR
PREC. RADAR
CLOUD RADAR
LIDAR
Esempi programma di simulazione per scattering Mie
http://omlc.ogi.edu/calc/mie_calc.html
Ottica Geometrica
Discrete Dipole Approximation
Scattering: da parametri di singola particella
a parametri di polidispersione
Definizione di polidispersione
Variabili di polidispersione -> effective radius
Esempi di forme funzionali di distribuzione
dimensionale:
- Junge (power law) (aerosols)
- Log-normal (aerosols)
- Gamma distribution (clouds)
- Marshall & Palmer (precipitation)
Distribuzione dimensionale
Una distribuzione dimensionale è definita da:
Esempi di distribuzione dimensionale
descritta dalla funzione in basso con
2 valori di a e 3 di b
Calcolo delle proprieta’ di singolo
scattering per una polidispersione
Calcolo dei coefficienti di scattering
per 2 specie: A, M.
La radiazione scatterata da un generico volume dipende dalla
intensita’ e distribuzione angolare della radiazione incidente sul
volume che pero’ dipende, atraverso lo scattering dei volumi vicini a
sua volta dalla radiazione scatterata
(p,T)
Scattering Multiplo: Metodi Numerici
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Ordini di scattering successivi
Doubling or Adding
Invariant imbedding
Funzioni X e Y
Discrete – Ordinate
Armoniche sferiche
Sviluppo in eigenfuction
Montecarlo
Soluzioni analitiche
Pseudo-assorbimento
Accorgimenti numerici:
δ-Eddington
Doubling or adding method
Si definisce per la trasmissione diffusa e per la riflessione:
Un prodotto R1R2 implica:
RIFLESSIONE
- leggi di ottica geometrica che regolano il
passaggio di radiazione tra mezzi con indice di
rifrazione differente
- Formule di Fresnel per luce polarizzata
- casi limite: riflettore speculare, riflettore
- modellizzazione di superficie corrugate
- applicazioni possibili: vento alla superficie, oil
spills, tipo di vegetazione
- varie combinazioni flussi radianze del concetto di
riflettanza.
Definizioni
S: sorgente
O: osservatore
P: puntuale
D: diffusa
Surface reflectance - BRDF
Tipi di riflessione
Calcolo delle proprieta’ di riflettanza: BRDF
Geometria e composizione (indice di rifrazione
complesso) degli elementi di superficie
Ottica geometrica
Θo=cost
Surface emissivity - Oceans
Directional wind roughened surface:
Sea-water permittivity
Fresnel equations (I, Q, U, V)
Large-scale waves
Gravity-capillary, capillary waves (> 2m/s)
Whitecaps (> 7 m/s)
Foam (> 10-12 m/s)
 Ev Ev*  Eh Eh*
I

 
 Ev Ev*  Eh Eh*
Q
1

L 
 U  2  /   2 Re E E *
v h
 

V 
 2 Im Ev Eh*


  I o  I1 cos   I 2 cos 2  ... 
  Q  Q cos   Q cos 2  ... 
1
2

 o
  U1 sin   U 2 sin 2  ... 

 
  V1 sin   U 2 sin 2  ... 

EMISSIONE TERMICA
•
CORPO GRIGIO
•
LEGGE DI KIRCHOFF
•
BRIGHTNESS TEMPERATURE
Thermal Emission
Any volume of matter at
absolute temperature > 0 K
emits radiation as a function
of:
-its temperature and
wavelength (Planck Law in
Local Thermodynamic
Equilibrium conditions)
- its composition (dielectric
properties -> emissivity)
(Kirchoff Law)
http://www.icess.ucsb.edu/modis/EMIS/html/em.html
Source Function (SF) in
Non-Local Thermodynamic Equilibrium (LTE)
• In generale la SF e’ una funzione della popolazione dei
livelli coinvolti in ogni transizione
• In LTE la popolazione dei livelli dipende solo dalla
temperatura e quindi la SF e’ la funzione di Planck
• In generale la popolazione dei livelli di una molecola
dipende dal campo di radiazione in cui la molecola si trova
• In LTE le collisioni sono cosi’ frequenti da portare molto
velocemente la popolazione di un livello alla distribuzione di
Boltzmann corrispondente alla Temperatura cinetica del gas
• In Non-LTE le collisioni termiche sono meno importanti e
quindi gli stati eccitati non si deattivano per urto ma per altri
fenomeni. Cosi’ la popolazione dei livelli NON ha
relazione con la Temperatura cinetica
• Il problema di trovare la SF in Non-LTE si trasferisce nel
problema di trovare la popolazione dei livelli energetici
coinvolti nell’interazione radiazione materia
Sviluppo di algoritmi d’inversione
Empirici
Neural network
Modelli numerici di
trasferimento radiativo
Radiative transfer modeling
•Model type/purpose: simulazione di strumenti,
calcolo di flussi radiativi (per s all’interno di modelli
di previsione numerica)
•Spectral range/integration
•Angular integration
•Polarization
•Physical Processes/level of parametrization
•Geometry: plane parallel, spherical, 3D.
•Input
•Output
•User friendly
•Examples
INSTRUMENT SIMULATOR
• GAS ABSORPTION FROM
MAJOR AND MINOR GASES
• MULTIPLE SCATTERING
• POSSIBILITY TO
INTRODUCE USER
DEFINED DETAILED INPUT
ALTITUDE
INCLINATION
ORBIT MODEL
PERIOD
EQ. PASS. TIME
• SPECTRAL RESOLUTION
AND RANGE ADEGUATE
EARTH
SUBSATELLITE
POSITION
SCANNING MODEL
SCANNING
CHARACTERISTICS
INSTRUMENT CHARACTERISTICS :
OBSERVATION GEOMETRY (S, V, )
NOISE, FILTER RESPONSES, MULLER
SIMULATED
SURFACE (  (S, V, , ) ,zo)
RADIATIVE
CLEAR SKY ATMOSPHERE
THERMODYNAMIC PROFILE (T(z),p(z), gas(z))
INPUT
TRANSFER
EQUATION SOLVER
CLOUDS (SSOP(
UPWELLING
INSTRUMENT
SIMULATED
MEASURED
RADIANCES
MODEL
RADIANCES
,z) ,( ,z))
*
AEROSOLS (SSOP( ,z)*,( ,z))
(*) SSOP: Single Scattering Optical Properties
SSA
MOLECULAR SCATTERING PROFILE (SSOP( ,z),( ,z))
GAS EXTINCTION PROFILE (( ,z))
Legendre Polynomial coefficients
HITRAN 2000
TAPE 1
 RANGE
GAS
MOLECULES
LNFL
TAPE 3
CLEAR SKY ATMOSPHERE
THERMODYNAMIC PROFILE (T(z),p(z), gas(z))
LBL
GEOGRAPHYCAL POSITION (LAT,LON)
GAS EXTINCTION PROFILE (( ,z))
TOPOGRAPHY
MODEL
?
SURFACE COMPOSITION
REFRACTIVE INDEX DB
m(λ,surface)
BRDF MODEL
z(LAT,LON))
SURFACE (  (S, V, , ) ,zo)
CLEAR SKY ATMOSPHERE
THERMODYNAMIC PROFILE (T(z),p(z), gas(z))
μPhysical model
COMPOSITION PROFILE (SD(z,aerosol))
SD PROFILE (SD(z,aerosol))
COMPOSITION
REFRACTIVE INDEX DB
m(λ,aerosol)
↓
REFRACTIVE
INDEX
REFRACTIVE INDEX
m(λ,z,aerosol)
SSOPM
AEROSOLS (SSOP( ,z)*,( ,z))
MIEV0
MIXTURE TYPE
Ext,Int
SHAPE
S(SD,z,aerosol)
CLOUDS (SSOP( ,z)*,( ,z))
SD PROFILE (SD(z,water))
REFRACTIVE INDEX
m(λ,z,water)
SHAPE
S(SD,z,water)
SSOPM
MIEV0
δ-M
WATER CLOUDS (SSOP( ,z)*,( ,z))
Comments on RTM
• Completeness of the represented processes.
(e.g. type of absorption band model,
numerical solution of the multiple scattering)
• Assumptions (e.g. Lambertian surface
representation)
• Internal database (e.g. angular
representation of single scattering properties)
Alcuni siti d’interesse che permettono
di fare simulazioni on-line
www.colorado.edu/physics/phet/simulations/blackbody
/blackbody.swf
http://omlc.ogi.edu/calc/mie_calc.html
http://arm.mrcsb.com/sbdart/
http://irina.eas.gatech.edu/rad-codes.htm
http://6s.ltdri.org/
ESEMPI DI MOTIVAZIONI PER LA
POSIZIONE DEI CANALI PER
ALCUNI STRUMENTI
(MODIS e SEVIRI)
CLM: Cloud microphysical properties
Dataset terminology
LEVEL 0: Raw data [binary counts] Space agency
LEVEL 1: Image data in sensor co-ordinates. Individual
calibrated channels.[Radiances] Algorithm developers.
Calibration
LEVEL 2: Derived geophysical variables geolocated but
generally still in image coordinates Users
L1→L2 Algorithm Theoretical Basis Document: ATBD
Validation
LEVEL 3: Composite (time and space: e.g. monthly 1°x1°)
geophysical products resampled into standard map
projection (single sensor can still contain gaps) Users
LEVEL 4: As level 3 with gaps filled. This can be done by
merging level 3 from different sensors or filling the gaps
with models (objective analysis, forecast model etc..) Users
•
•
•
•
•
http://mirador.gsfc.nasa.gov/
www.eumetsat.int
http://disc.sci.gsfc.nasa.gov/giovanni
http://modis.gsfc.nasa.gov/data/
www.ssmi.com