Ilmakehäfysiikan edistysaskel: tutkijat ratkaisivat valon kulun absorboivassa hiukkasessa

Ilmakehän pienhiukkaset sirottavat valoa ja vaikuttavat siten ilmastoon sekä kaukomittausten tulkintaan. Osa hiukkasista absorboi eli imee itseensä Auringon säteilyä; tällaisia ovat esimerkiksi nokihiukkaset. Silmillemme läpinäkyvät jääkiteetkin muuttuvat absorboiviksi näkyvän valon aallonpituuksien ulkopuolella.

Tutkijat laskivat, että jääkiteet ovat lähi-infrapunan aallonpituuksilla todellisuudessa hieman heijastavampia kuin perinteisesti on arvioitu: suurimmillaan he laskivat yli 6 prosentin kasvun kiteen heijastuskyvyssä.

"Kukaan ei ole aiemmin näyttänyt, miten suuri tai pieni ero oikealla laskumenetelmällä on aiempaan, virheelliseen tapaan verrattuna", Ilmatieteen laitoksen ryhmäpäällikkö Hannakaisa Lindqvist kertoo.

Tutkimuksessa laskettiin sironta absorboivalle hiukkaselle valonsäteiden kulkua seuraamalla. Jo 1930-luvulla esitettiin, että absorboivan hiukkasen sisällä valo ei kulje samalla tavalla tasoaaltoina kuin läpinäkyvissä hiukkasissa, minkä vuoksi samat laskentamallit eivät toimi molemmille. Esimerkiksi koulufysiikasta tuttua Snellin lakia ei voi sellaisenaan soveltaa absorboiville hiukkasille. Virheelliset laskumenetelmät, joissa tätä ei huomioida, ovat kuitenkin laajalti käytössä.

Laskutapa vaikuttaa kaukomittausten tarkkuuteen

Jääkiteitä on ilmakehässä jatkuvasti. Se, miten ne heijastavat ja taittavat valoa, muuttaa säteilyn kulkua, mikä voi aiheuttaa virheitä sellaisiin kaukomittauksiin, joiden tarkkuuden on oltava suuri.  Tarkkuutta vaativia mittauksia ovat esimerkiksi kasvihuonekaasujen satelliittimittaukset, joita tehdään lähi-infrapunasäteilystä.

Tutkijat huomasivat, että jääkiteen muoto on absorboivan hiukkasen heijastuskyvylle vähemmän tärkeää kuin oikeanlainen laskutapa.

"Tulos on merkittävä, sillä jääkiteiden muotoja on tutkittu ja mallinnettu runsaasti. Seuraavaksi on selvitettävä, kuinka merkittäviä erot heijastavuudessa ovat kaukomittausten kannalta", Lindqvist sanoo.

Uudessa tutkimuksessa luotiin aiemman tutkimuksen pohjalta yleinen ratkaisu yksittäisen, absorboivan hiukkasen valonsironnalle. Vaikka menetelmää sovellettiin ilmakehän jääkiteisiin, sitä voi käyttää kaikissa hiukkasissa, jotka ovat kooltaan paljon suurempia kuin tutkitun valon aallonpituus. Tutkimuksessa käytettyä menetelmää on jo sovellettu meteoriittien spektrien mallinnukseen Helsingin yliopistossa. 

Tutkimus tehtiin yhteistyössä Helsingin yliopiston, Jyväskylän yliopiston ja Paikkatietokeskuksen kanssa, ja se on osittain Suomen Akatemian rahoittama.

Lisätietoa:

Ryhmäpäällikkö Hannakaisa Lindqvist, Ilmatieteen laitos, p. 040 725 5651, hannakaisa.lindqvist@fmi.fi

Lindqvist , H. , Martikainen , J. , Räbinä , J. , Penttilä , A. and Muinonen, K.: "Ray optics for absorbing particles with application to ice crystals at near-infrared wavelengths", Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer, vol. 217 , pp. 329–337, 2018. https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2018.06.005