Väitös: Auringon säteilyn tietokonemallinnuksen kehitys edesauttaa ilmakehän satelliittihavaintojen tekemistä

Ilmakehän kaukokartoituksessa tehdään spektraalisia mittauksia Auringon säteilystä, joko maanpinnalla olevalta mittausasemalta tai liikkuvalta alustalta, kuten kiertoradalla olevalta satelliitilta, käsin. Mitatun spektrin voidaan ajatella sisältävän verhotun jäljen ilmakehän koostumuksesta, joka saadaan esille käänteismääritysalgoritmilla (engl. retrieval algorithm).

Usein käänteismäärityksessä tarvitaan tarkka simulaatio säteilyn, esimerkiksi näkyvän valon, kulkeutumisesta ilmakehän halki. Säteilynkulkeutumisessa on lukuisia ilmiöitä. Antti Mikkonen käsittelee väitöstutkimuksessaan näistä kaasujen spektraalista absorptiota, lumipintojen heijastavuutta sekä valon sirontaa ilmakehässä.

Kaasujen absorptiospektri riippuu olosuhteista, pääasiassa paineesta ja lämpötilasta, jolloin ne täytyy määrittää jokaisessa havaintotilanteessa erikseen. Tämä on laskennallisesti työläs prosessi, jonka nopeuttamiseksi kehitettiin helppokäyttöinen HAPI2LIBIS-ohjelma. Sen avulla erityisesti libRadtran-säteilynkuljetusohjelmistoon voidaan laskea absorptiospektrejä käyttäen ajantasaisia kaasujen spektriviivoja sekä interpoloida niitä aiemmin laskettujen spektrien taulukosta.

Lumipinnat ovat hyvin tummia lähi-infrapuna-aallonpituuskaistoilla, joita käytetään ilmakehän hiilidioksidin havainnointiin. Tämän takia hiilidioksidia mittaavat satelliitit eivät ole kyenneet tekemään käänteismäärityksiä lumipintojen päältä. Uudella matemaattisella lumipinnan heijastusmallilla sekä satelliitin havainnointigeometriaa muuttamalla Auringon peiliheijastusta tarkastelevaksi mitattu spektrisignaali kasvaa huomattavasti ja käänteismääritys voisi tulla mahdolliseksi.

Kuvaavan satelliitti-instrumentin säteilynkuljetus on erityisen työläs laskea. Tätä helpottamaan kehitettiin sirontagraafimenetelmä. Sirontagraafin avulla satelliittikuvan pikselien väliset sirontavuorovaikutukset saadaan laskettua epähomogeenisessä kolmiulotteisessa ilmakehässä.

"Sirontagraafista tehokkaan säteilynkulkumallin tekee se, että vain kuvanmuodostukseen vaikuttavat säteilyvuot lasketaan", Antti Mikkonen toteaa. "Tavanomaisissa käänteismääritysalgoritmeissa pikselit analysoidaan yksi kerrallaan, mutta sirontagraafin avulla voitaisiin koko satelliittikuva käsitellä kerralla."

Uutena menetelmänä sirontagraafi tarjoaa lukuisia mahdollisuuksia jatkotutkimuksille.

Väitöstyö tarkastetaan 18. kesäkuuta Helsingin yliopistossa

FM Antti Mikkosen väitöskirja Computational Approach to Challenges in Radiative Transfer for Remote Sensing of Atmospheric Composition tarkastetaan Helsingin yliopiston matemaattis-luonnontieteellisessä tiedekunnassa keskiviikkona 18.6. klo 12 alkaen.

Vastaväittäjänä toimii KNMI:n Piet Stammes ja kustoksena Helsingin yliopiston professori Samuli Siltanen.

Väitöstyötä ovat rahoittaneet Ilmatieteen laitoksen lisäksi Suomen Akatemia, Euroopan avaruusjärjestö ESA sekä Tieteen tietotekniikan keskus CSC.

Lisätietoja:

Väitöskirjatutkija Antti Mikkonen, Ilmatieteen laitos, etunimi.sukunimi@fmi.fi

Väitöskirja on saatavilla Helda-palvelussa.