Pienhiukkasten pinnan karheus vaikuttaa valon sirontaan

Ilmatieteen laitoksella tehtyjen tutkimusten mukaan pienhiukkasten karhennuksen asteella on selkeä vaikutus etenkin valon takaisinsirontaan. Tiedon avulla voidaan parantaa mm. mittaus- ja mallinnustuloksia.

Pinnan karheuden tiedetään vaikuttavan pienhiukkasten kykyyn sirottaa valoa, mutta asiaan liittyvät aikaisemmat tutkimukset on tehty käyttäen yksinkertaisia ja epärealistisia pohjamuotoja. Koska pienhiukkasten pohjamuoto vaikuttaa hiukkasen kykyyn sirottaa valoa, karheuden merkityksen määrittämiseksi tarkastelu oli syytä toistaa käyttäen realistisia pohjamuotoja. Testihiukkasiksi valittiin neljä todellista ilmakehästä kaapattua pölyhiukkasta, joille oli aikaisemmassa tutkimuksessamme johdettu kolmiulotteiset muodot. Tutkimusta varten luotiin menetelmä mallihiukkasten laskennalliseen karhentamiseen siten, että pinnan muodot muuttuvat vähemmän sileiksi, mutta hiukkasen yleismuoto tai massa ei muutu.

Valon sirontaa mallihiukkasten eri karhennusasteilla simuloitiin Ilmatieteen laitoksen Voima-supertietokoneella yhteensä noin kuusituhatta laskentatuntia. Tulosten perusteella näyttää siltä, että karhennuksen asteella on selvä ja systemaattinen vaikutus valon sirontaan, etenkin valon tulosuuntaan kohdistuvaan takaisinsirontaan.Tämä vaikuttaa erityisesti lidar-mittauksiin.

Tutkimus osoittaa, että pölyhiukkasten ominaisuuksien määrittäminen kaukomittauksilla voi olla epätarkkaa, jos siihen käytetään liian sileitä mallihiukkasia. Myös teoreettisemmissa mallinnustutkimuksissa on mahdollista saada virheellisiä tuloksia, mikäli menetelmät eivät huomioi hiukkasten pinnan karheutta oikein.

Tutkimus sai rahoitusta Suomen Akatemialta ja TEKESiltä.

Lisätietoja:

Tutkija Osku Kemppinen, puh. 050 463 4385, osku.kemppinen@fmi.fiErikoistutkija Timo Nousiainen, puh. 050 441 5451, timo.nousiainen@fmi.fi

Osku Kemppinen, Timo Nousiainen, Hannakaisa Lindqvist, The impact of surface roughness on scattering by realistically shaped wavelength-scale dust particles, Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, Volume 150, January 2015, Pages 55-67, ISSN 0022-4073, http://dx.doi.org/10.1016/j.jqsrt.2014.05.024.

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022407314002337

Aikaisempi tutkimus aiheesta: http://ilmatieteenlaitos.fi/tiedeuutisten-arkisto/-/asset