宋偉 屈中權(quán)

(1中國科學(xué)院云南天文臺 昆明 650011) (2中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

類地行星偏振特性研究?

宋偉1,2?屈中權(quán)1?

(1中國科學(xué)院云南天文臺 昆明 650011) (2中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

相比于其他探測手段,行星的偏振探測能夠提供更多有關(guān)行星表面以及大氣的細(xì)節(jié)信息,而地球的偏振測量則有助于尋找系外類地行星以及對其大氣和表面特征的鑒定.將地球看成一顆與其寄主星(太陽)可分辨但其自身圓面不可分辨的行星來研究其在太陽照射后輻射進(jìn)入太空的偏振特性.采用PARASOL的670 nm(662.4 nm～677.4 nm)波段的觀測結(jié)果,得到不同地表類型和云層的偏振度和反照率隨散射角和相對方位角的變化,然后根據(jù)輻射偏振的Stokes參量可疊加特性,求得在90°散射角下,地球整體輻射的偏振度隨自轉(zhuǎn)的變化.結(jié)果發(fā)現(xiàn):影響地球偏振的最大因素是海洋和云層,地球偏振度可以在18.6%到49%之間變化.由于氣候變化導(dǎo)致的云層分布的隨機(jī)性使得地球偏振度的變化具有快速多變的特點(diǎn).揭示的這一特征有助于辨別系外類地行星.

行星與衛(wèi)星:類地行星,行星與衛(wèi)星:表面,方法:數(shù)據(jù)分析

1 引言

類地行星的探測對于我們尋找地外生命,解決未來人類的生存和延續(xù)具有深遠(yuǎn)的意義.根據(jù)Kemp等[1]研究發(fā)現(xiàn):恒星發(fā)出的光的偏振度很小,而經(jīng)過行星散射后的光具有較大的偏振度.這就使得利用偏振探測來尋找系外行星成為可能.偏振探測(又可叫極化測定術(shù))作為一種探測方式,與其他的探測手段(如視向速度、凌日、拱星盤、天體測量、恒星大氣污染、脈沖星計(jì)時(shí)、重力微透鏡等)相比,它對行星的表面特征和軌道特性更加敏感,能夠揭示更多的行星表面和大氣的細(xì)節(jié)特征,如確定表面粗糙度,是否覆蓋海洋、植被、沙漠,有無大氣、大氣的成分、大氣光學(xué)厚度以及軌道傾角和離心率等[2?6].因此分析和研究地球的偏振特性對處于遙遠(yuǎn)的自身圓面不可分辨的系外類地行星表面特征的證認(rèn)具有不可替代的作用,也對我們尋找適合于人類居住的類地行星具有深遠(yuǎn)的意義.

目前人類通過發(fā)射眾多的遙感衛(wèi)星積累了大量的地球遙感光學(xué)資料,但是能進(jìn)行光學(xué)偏振遙感觀測的衛(wèi)星仍然不多,其中最有名的如CNES(法國國家太空研究中心)運(yùn)行的POLDER-1(運(yùn)行時(shí)間為1996年8月至1997年6月)、POLDER-2(運(yùn)行時(shí)間為2002年12月至2003年10月)和PARASOL(運(yùn)行時(shí)間為2004年12月至2014年10月).而最適合我們研究的PARASOL在兩個(gè)可見光波段(490 nm、670 nm)和一個(gè)紅外波段(865 nm)獲取了大量的地球表面各個(gè)碎片化的局部區(qū)域的遙感偏振資料.將這些局部區(qū)域碎片化觀測結(jié)果進(jìn)行有機(jī)的合成成為我們以下進(jìn)行地球整體輻射偏振研究的基礎(chǔ).

對類地行星的偏振研究,目前主要是通過數(shù)值模擬的方式進(jìn)行的.Kaltenegger等[7]對類地行星偏振演化進(jìn)行了研究;Stam[8]通過數(shù)值模擬無云和有云情況下,發(fā)現(xiàn)了擁有和地球類似環(huán)境的系外行星的偏振特性.關(guān)于太陽輻射與不同地表相互作用后的偏振改變,已有許多研究.如宋開山等人指出散射產(chǎn)生的偏振度與濕度有關(guān),在濕度低于某個(gè)臨界值時(shí),可將其看做朗伯體[9];趙虎等人則認(rèn)為土壤在2π空間的反射波譜非常復(fù)雜,它受光線入射角、土壤水分含量的強(qiáng)烈影響,同時(shí)還受波段、土壤種類等其他因素的影響[10];杜嘉等研究者還測出了土壤可以被看作朗伯體的濕度的臨界值[11].孫仲秋等人的研究表明積雪散射產(chǎn)生的偏振度對雪粒直徑非常敏感,大粒徑的積雪使偏振度的各向異性特征變得更加明顯,積雪的含水量越大,偏振度越小[12?13].Gal等人認(rèn)為存在一個(gè)布儒斯特(Brewster)區(qū)域,太陽處在水平線上時(shí),布儒斯特區(qū)域最大,水面反射產(chǎn)生的偏振度也最大[14];此外,Sun等人研究了海洋的偏振特性[15],趙麗麗等人還具體研究了水體產(chǎn)生的輻射偏振度與污染成分的關(guān)系[16].相云等人進(jìn)一步指出不同粗糙度的巖石表面在入射天頂角一定時(shí),在鏡面反射方位,偏振度隨探測天頂角先是上升,到達(dá)最高值后又開始下降[17].孫曉兵等人的實(shí)驗(yàn)研究表明,氣溶膠的偏振度與散射角密切相關(guān)[18];褚金奎等[19]研究表明氣溶膠的偏振度隨著光學(xué)厚度的增大不斷減小,衰減度與波長正相關(guān).趙云升等[20]研究表明植物葉片的偏振特性與葉片中葉綠體的含量有關(guān),不同植物葉片偏振反射比存在共性.0°偏振時(shí)反射比出現(xiàn)最大值,90°偏振時(shí)反射比出現(xiàn)最小值.以上研究都是針對地球地表特征體進(jìn)行的局部研究.本文將根據(jù)衛(wèi)星采集到的偏振遙感實(shí)測資料將地球作為一個(gè)整體(不可分辨)考察其輻射的偏振特性.

在本文中,我們利用PARASOL的數(shù)據(jù),首先分析不同地表類型的散射光的特性,然后將地球處理成為一顆遙遠(yuǎn)的、其自身圓面不可分辨的行星來討論類地行星的偏振特性,特別是考察了在散射角為90°時(shí)地球(輻射)偏振度隨自轉(zhuǎn)的變化曲線,為尋找系外類地行星提供偏振測量依據(jù).在以下的討論中,我們將太陽照射到地球的輻射處理為自然光(偏振度為0),而且假定作為寄主恒星的太陽和地球是可分辨的兩個(gè)天體.關(guān)于寄主星和行星可分辨的假定雖然對目前發(fā)現(xiàn)的行星系統(tǒng)而言很難滿足,在不考慮大氣湍流帶來的影響的前提下,按照麗江高美古2.4m光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的分辨率(0.3′′),如果系外行星與寄主星的距離為1 au,按照這一分辨率,我們能夠探測到與寄主星可分辨的系外行星的最遠(yuǎn)距離僅為9.82光年.但是隨著大口徑的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡(如30m望遠(yuǎn)鏡TMT)正在投入研制以及望遠(yuǎn)鏡分辨率的提高,相信在不久的將來利用偏振對100光年內(nèi)的、與寄主星距離為1 au的系外行星進(jìn)行可分辨的觀測是可以實(shí)現(xiàn)的.

2 儀器和測量原理

PARASOL衛(wèi)星由法國國家太空研究中心研制,于2004年12月發(fā)射,運(yùn)行近10年,于2014年10月退役[21].PARASOL是運(yùn)行在地球上空705 km高度的軌道上A-Train(A f-ternoon Train)系列衛(wèi)星中唯一攜帶有偏振計(jì)的衛(wèi)星,其主要科學(xué)目標(biāo)是探索云和氣溶膠在全球范圍內(nèi)的分布.在本項(xiàng)目研究中,我們主要利用其偏振數(shù)據(jù),研究地球整體的偏振特性.PARASOL對每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)可以進(jìn)行多達(dá)14次多角度測量(見圖1),其上搭載的探測器有16個(gè)通道,波長范圍從可見光到近紅外分為9個(gè)波段,其中在490 nm、670 nm、865mn這3個(gè)波段對地進(jìn)行了遙感偏振測量.我們對照PARASOL的照片和地球的地貌、植被分布圖,選擇2012年3月20日這一天沒有云層覆蓋的數(shù)據(jù)和有濃厚云層的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.并且出于以下兩個(gè)方面的考慮,我們選取了670 nm的遙感偏振作為主要研究目標(biāo):其一,670 nm波段處在可見光波段,能夠?qū)ξ覀円院蟮难芯刻峁└嗟闹笇?dǎo)價(jià)值,所以我們沒有選擇1 020 nm波段去研究;其二,大氣分子會產(chǎn)生Rayleigh散射,Rayleigh散射的光強(qiáng)與波長的4次方成反比,波長越短的光,Rayleigh散射的光強(qiáng)就越強(qiáng).我們選擇670 nm而不是490 nm是為了能夠排除更多的大氣散射帶來的影響,這樣我們得到更多地球表面上不同地貌特征的偏振特性.然后我們得到在這一波段,地球上不同地貌特征的偏振度、反照率隨散射角和相對方位角的變化關(guān)系.

圖1 PARASO L的多角度測量Fig.1 M u lti-d irectiona l acqu isition con figu ration of PARASOL

在給出結(jié)果之前,我們首先建立起一套坐標(biāo)系,如圖2所示.O點(diǎn)為地表產(chǎn)生反射或散射的位置,遙感衛(wèi)星處于E點(diǎn),DA指向太陽,OC是天頂方向,Θ是散射角,θ是觀測天頂角,θ′是入射天頂角,φ是觀測方位角,φ′是入射方位角,φ?φ′定義為相對方位角.雖然散射角與相對方位角的關(guān)系由下面的公式給出:

我們在下文仍然分別給出了偏振度隨散射角和相對方位角的變化.以下我們首先考察從PARASOL實(shí)測到的各地表特征和云層的偏振特性,即偏振度隨散射角和相對方位角的變化特點(diǎn),然后選取Google Earth具有代表性的地球周日旋轉(zhuǎn)的圖像(由于存在空間掃描縫隙,根據(jù)PARASOL無法完整地構(gòu)造出整個(gè)地球的圖像),根據(jù)各特征體所占的面積和位置坐標(biāo)來推求地球整體偏振隨相對方位角的變化.

圖2 定義散射角Θ和相對方位角φ?φ′的坐標(biāo)系Fig.2 Coord inate system defin ing the scattering ang leΘand relative azim u th ang leφ?φ′

3 不同地表偏振特性

當(dāng)從太陽表面發(fā)出的自然光照射到物體表面時(shí),一部分被散射,另一部分被吸收,其余部分被透射.根據(jù)電磁波在物體表面折反射的原理,在這個(gè)過程中會產(chǎn)生偏振,起偏強(qiáng)度由菲涅爾(Fresnel)公式描述.當(dāng)入射到氣態(tài)物體時(shí),部分光線產(chǎn)生散射.偏振度隨散射角先是遞增,然后遞減.就水面而言,折反射產(chǎn)生的偏振在布儒斯特角處取得最大值.這是一個(gè)關(guān)于定向光束在規(guī)則界面折反射后輻射偏振的定量描述,然而對地球眾多不規(guī)則表面,具體的問題要復(fù)雜得多.因?yàn)榈乇砗痛髿庠茖蛹确抢什w(展現(xiàn)出各向同性),也非鏡面反射(可以用Fresnel公式直接算出偏振度-散射角輪廓),描述這類漫反射體散射,一般用如下雙向反射分布函數(shù)(BRDF:Bidirectional Reflectance Distribution Function)表示[21]:

式中d Lr為輻射增量,代表從ω0發(fā)射出去的光能,Ei代表沿ωi入射的光能(即輻照度),ωi、ω0分別表示入射和出射光所占的立體角,θi是ωi和物體入射點(diǎn)上平面法線之間的夾角.眾所周知,地球表面復(fù)雜,具有多種特征體.上式中的各參數(shù)與不同的地貌、植被等特征相關(guān),不能用一個(gè)統(tǒng)一的BRDF函數(shù)描述,雖然由此可以建立起一些簡化模型,但是我們根據(jù)實(shí)測首先探討不同地表特征的偏振度和反照率信息,然后根據(jù)Stokes參量的疊加原理來得到地球整體的偏振信息.這種方法比模型方法更接近于真實(shí)情況.

需要指出的是,在以下的討論中,我們選取了對地球偏振有重要影響的5種地表特征以及云層的分布來進(jìn)行研究.由于不同的氣候和構(gòu)成地表的粒子狀態(tài)變化引起的測量呈現(xiàn)非重復(fù)性(同一相對方位角或散射角坐標(biāo)點(diǎn)上具有不同的偏振度),我們采用重復(fù)性好的點(diǎn)或?qū)?yīng)同一散射角或相對方位角的平均值進(jìn)行分析討論.

3.1 海洋

這是藍(lán)色地球表面最大覆蓋面積的特征體.我們選擇了北緯57°附近的北大西洋海域作為參考對象.從圖3中偏振度變化可以看出,海洋產(chǎn)生的偏振度主要集中在(21±3)%～(59±3)%之間,隨散射角從小到大達(dá)到一個(gè)極大值后再變小,而峰值處在84°.如此高的偏振度是由于近似鏡面反射.由于海洋占地表面積大,因此它成為地球輻射具有高偏振度的主要成因.相比隨散射角的變化,偏振度隨相對方位角的變化要稍微復(fù)雜些,直觀上可用分段的兩條曲線來粗略擬合.海洋反照率主要集中在(3±1)%～(7±1)%之間,但其隨散射角和隨相對方位角的變化都是一個(gè)由高到低、然后再逐漸增高的過程.在散射角52°～72°范圍內(nèi)穩(wěn)定在3.4%附近.容易看出,反照率隨相對方位角變化的輪廓關(guān)于?30°對稱,在?120°～?110°和40°～60°段變化明顯,在其他范圍反照率隨相對方位角的變化不敏感.

圖3 海洋的偏振度(左)/反照率(右)隨散射角(上)/相對方位角(下)的變化Fig.3 The variations of p o larization degree(left)/albedo(righ t)of the ocean with the scattering (up)/relative azim u th(dow n)ang les

3.2 森林

我們選擇了22°S附近的熱帶雨林作為研究對象.在散射角72°～116°區(qū)間內(nèi),偏振度集中在(32±12)%～(45±6)%之間(見圖4).相對海洋,其產(chǎn)生的輻射偏振隨散射角變化比較平緩,其隨相對方位角變化也是如此.森林反照率集中分布在(6±2)%～(11±3)%之間,總體變化也是平緩的,在散射角95°附近取得極小值.在相對方位角150°～270°區(qū)間內(nèi),偏振度在210°附近處取得極大值,而反照率在210°附近取得極小值.反照率和偏振度大體呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān).由此可見,森林和海洋的情況類似,反照率低而偏振度較高.但是由于森林的覆蓋面積比海洋小得多,因此其對整個(gè)地球的偏振貢獻(xiàn)相對來說較為次要.另外,從圖中可以看出,森林的偏振度分布非常離散,根據(jù)趙云升等[20]的研究結(jié)果可以認(rèn)為,這種離散分布反映了森林中植物的多樣性,不同的植物由于葉片內(nèi)部葉綠體的含量不同而產(chǎn)生的差異.

圖4 森林的偏振度(左)/反照率(右)隨散射角(上)/相對方位角(下)的變化Fig.4 The variations of po larization degree(left)/a lbedo(righ t)of the forest with the scattering (up)/relative azim u th(dow n)ang les

3.3 沙漠

我們選擇了16°N附近的撒哈拉沙漠作為樣本.從圖5中可以看出,沙漠產(chǎn)生的偏振度非常小,在10%以下.偏振度隨散射角的變化與海洋和森林情況很不相同,呈現(xiàn)出較為標(biāo)準(zhǔn)的線性關(guān)系.而偏振度隨相對方位角的變化也是如此,且關(guān)于0°相對方位角呈軸對稱.相反地,其反照率卻非常高,變化也不大,主要集中在(52±2)%范圍內(nèi).由此看來其對散射角和相對方位角的變化不敏感.由于高反照率,盡管其起偏度不高,但是單位面積產(chǎn)生的偏振光子數(shù)仍然是不可忽略的.由于一般情況下其所占面積比例與森林相當(dāng),故其對整個(gè)地球產(chǎn)生的偏振光子數(shù)將強(qiáng)烈依賴于被云層遮擋的面積以及散射角的大小.因此它是導(dǎo)致地球偏振多變的原因之一.

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圖5 沙漠的偏振度(左)/反照率(右)隨散射角(上)/相對方位角(下)的變化Fig.5 T he variations of p o larization degree(left)/a lbedo(right)of the desert with the scattering (up)/relative azim uth(dow n)angles

3.4 平原

對于平原的起偏作用,我們選擇了41°N附近的美國中央大平原作為范例.由于平原地區(qū)多為人類的聚居區(qū),有建筑、耕地、城市綠化等,而且土壤的偏振度與濕度有關(guān),情況較為復(fù)雜,故測量結(jié)果的重復(fù)性不高,這點(diǎn)也反映在偏振度與相對方位角的關(guān)系曲線上(見圖6).可以認(rèn)為,當(dāng)濕度高于某個(gè)臨界值時(shí),土壤表現(xiàn)為非朗伯體.但從圖6顯示出的偏振度曲線看來,這部分地區(qū)偏振度集中分布在(17±3)%～(27±4)%之間,而其變化在散射角50°～100°之間總體趨勢上隨散射角遞增.另一方面,偏振度在170°相對方位角附近取得極小值.但是平原的反照率低,主要集中在(11±2)%之間,隨散射角的變化也不明顯.在90°～110°相對方位角區(qū)間內(nèi),偏振度隨相對方位角增大而急劇減小;在230°～250°相對方位角內(nèi),偏振度隨相對方位角增大而急劇增大.而在110°～230°相對方位角內(nèi),反照率對相對方位角的變化不敏感.由此看來,類似沙漠,平原貢獻(xiàn)出的光子數(shù)隨散射角變化很大,但是由于其很低的反照率和較小的面積覆蓋,其對整個(gè)地球偏振度的影響相對較小.

圖6 平原的偏振度(左)/反照率(右)隨散射角(上)/相對方位角(下)的變化Fig.6 T he variations of p o larization degree(left)/a lbedo(right)of the p lain with the scattering (up)/relative azim uth(dow n)angles

3.5 積雪

我們選擇了74°S附近的南極冰川研究積雪對地球輻射偏振的貢獻(xiàn).從圖7可以看出,積雪的偏振度主要分布在(3.5±0.5)%～(5.5±0.5)%之間,反照率分布在(80±2)%～(96±2)%之間.顯然,高反照率并不意味著高偏振度.偏振度在散射角100°(相對方位角240°)附近取得極小值,在散射角110°(相對方位角170°)附近取得極大值.盡管積雪的偏振度低,但是其極高的反照率使得單位面積產(chǎn)生的光子數(shù)和偏振光子數(shù)不可忽略.總的說來,積雪拉低了地球整體的偏振度.更進(jìn)一步,季節(jié)變化產(chǎn)生的不同積雪覆蓋將對地球偏振度變化產(chǎn)生重要的影響.

3.6 云層

由于復(fù)雜的氣候成因,云層是地球大氣中最變幻莫測的存在,也是我們考察的所有對象中變化最快的氣態(tài)表征.我們選擇了30°N附近的積雨云作為樣本.從圖8可以看出云層的偏振度主要分布在(7±5)%～(8±6)%之間,在散射角94°(相對方位角140°)附近取得極小值,而在散射角110°(相對方位角170°)附近取得極大值.其反照率分布在(45±12)%～(87±12)%之間,且與相對方位角正相關(guān).從圖中可以看出云層的偏振度分布非常離散,我們知道在云層中主要發(fā)生的是M ie散射,而M ie散射與散射體的尺度相關(guān),這種分布的離散性表明云層中存在著顆粒半徑差異較大的液滴.另外,由于其較高的反照率和較低的起偏度,再加上對其他特征表面的遮擋作用,其面積大小和分布將對地球偏振起到非常重要的作用.由于其產(chǎn)生和分布的不穩(wěn)定性,常常會對地球整體偏振度變化起著至關(guān)重要的作用.更由于云量的快速變化,將會導(dǎo)致地球偏振幅度的快速變化.

圖8 云層的偏振度(左)/反照率(右)隨散射角(上)/相對方位角(下)的變化Fig.8 T he variations of po larization degree(left)/a lbedo(righ t)of the cloud with the scattering (up)/relative azim uth(dow n)angles

以上我們考察了地球五大地表特征和云層對地球輻射偏振的影響.顯然,具有高反照率和低偏振度的客體是導(dǎo)致地球整體低偏振度的原因.他們是云層、冰川和沙漠.而在地表上,產(chǎn)生高偏振度的無一例外的是那些具有低反照率的特征體,如海洋、森林和平原.顯然,地球的偏振度將強(qiáng)烈地依賴于各個(gè)特征體在觀測時(shí)段中在地球表面所占據(jù)面積的比例、被云層遮擋的面積等因素.另一方面,導(dǎo)致地球偏振度隨散射角和相對方位角變化的主要因素是海洋和云層覆蓋,其次是平原.在下面的研究中,我們選取具有一定代表性的地球表面和云層形態(tài)分布來考察地球整體偏振隨自轉(zhuǎn)(以經(jīng)度變化為表征)的變化.

4 作為一顆圓面不可分辨行星的地球偏振周日變化

可得:

(4)式中P、Pi、Qi、Ui、IAi、ηi、Ai、F0、ξi分別為總的線偏振度、不同地表的偏振度、不同地表的Stokes參量Q、U、不同地表的散射光總強(qiáng)度、不同地表的有效面積比率、不同地表的反照率、太陽常數(shù)、不同地表的偏振統(tǒng)計(jì)權(quán)重,然后我們得到無云和有云時(shí),地球在90°散射角所產(chǎn)生的偏振度(表4)和一個(gè)自轉(zhuǎn)周期內(nèi)地球偏振的變化曲線(圖11).其中,不同地表的ξi值由表5和表6給出.需要說明的是,根據(jù)誤差傳遞,Pi的誤差由下式給出:

我們近似地認(rèn)為ηi是常數(shù),由表1和表2給出.在這種情況下,Δξi主要由ΔAi決定.

圖9 無云時(shí)的地球Fig.9 Sam p les of the clear Earth

圖10 有云時(shí)的地球Fig.10 Sam p les of the cloudy Earth

圖11 一個(gè)自轉(zhuǎn)周期內(nèi)地球偏振的變化Fig.11 The variations of polarization of the Earth in a rotation period

表1 無云時(shí)地表類型統(tǒng)計(jì)的有效面積比率ηi(單位:%)Tab le 1 The effective area ratioηiof the selected su r face typ es in statistics fo r clear cases(un it:%)

表2 有云時(shí)地表類型統(tǒng)計(jì)的有效面積比率ηi(單位:%)Tab le 2 The effective area ratioηiof the selected su r face typ es in statistics for c lou d y cases(un it:%)

表3 不同地表類型在90°散射角的偏振度Pi和反照率Ai(單位:%)Tab le 3 The p o larization deg ree Piand albedo Aiof d ifferen t su r face typ es at the scattering ang le of 90°(un it:%)

表4 偏振度隨經(jīng)度的變化(單位:%)Tab le 4 The variations of p o larization degree with longitude(un it:%)

我們將圖11左邊的曲線與表1和圖9對照,可以發(fā)現(xiàn),無云時(shí)地球偏振度的大小與海洋的有效面積比率是一致的,即海洋的面積比率越高,地球偏振度越大.此時(shí),海洋是地球偏振的最主要影響因素.原因主要有以下兩方面:一是地球上海洋所占表面積最大;二是在90°散射角時(shí),海洋有較高的偏振度(60%以上).沙漠是影響地球偏振的另一個(gè)重要因素,這是因?yàn)樯衬喾植荚诘途暥鹊貐^(qū),投影產(chǎn)生的有效面積較大,而且沙漠的反照率很高,因此為散射光提供了大量的非偏振成分,由于偏振度是光線中偏振成分所占的比例,因此沙漠的存在會使得整個(gè)地球表現(xiàn)出來的總偏振度降低.另外,我們發(fā)現(xiàn),在無云時(shí),森林是影響誤差大小的主要因素,這是由森林中植被多樣性所導(dǎo)致的,不同的植被由于葉綠體的含量不同呈現(xiàn)出不同的偏振特性.在我們選定的具有一定代表性的表面特征分布情況下,地球表面產(chǎn)生的偏振度處于18.6%和49%之間.偏振度最低的點(diǎn)對應(yīng)的是0°經(jīng)線,可以看到此時(shí)陸地有效面積最大,而且中部有廣袤的撒哈拉沙漠;偏振度最高的點(diǎn)對應(yīng)的是180°經(jīng)線,可以看到此時(shí)產(chǎn)生偏振的地貌幾乎全是海洋.

表5 無云時(shí)不同地表類型ξ值(單位:%)Tab le 5 Theξva lues of the selected su r face typ es for clear cases(un it:%)

表6 有云時(shí)不同地表類型ξ值(單位:%)Tab le 6 T heξva lues of the selected su r face ty p es for c lou d y cases(un it:%)

當(dāng)有云時(shí),情況發(fā)生了重大的變化.盡管我們選取的云層面積覆蓋并不高,但其對偏振度的減弱極其明顯.由此推論,云層的存在成為影響地球偏振的主要因素,這與Karalidi等[3]的研究結(jié)果一致,根據(jù)他的理論研究結(jié)果,我們可以認(rèn)為在被云層覆蓋的區(qū)域,其偏振特性主要表現(xiàn)為云的特性,而其下方的地貌特征對偏振產(chǎn)生的影響可以忽略.云層有較高的反照率和較低的偏振度,因此云層的存在會使得地球總體的偏振度變低,這也是圖11中右圖的曲線遠(yuǎn)低于左圖的原因.另外云層的存在也使得誤差變大,這主要是由于云層中散射顆粒的尺度變化較大,使得云層的偏振分布比較離散所致,此時(shí)森林所產(chǎn)生的誤差的影響居于次要地位.而且由于云的分布廣、變化快,其對地球偏振產(chǎn)生的影響又非常大,云層影響給地球的偏振帶來了很大的不確定性.

總的說來,由于在90°散射情況下,海洋的反照率較低,因此,海洋的有效面積越大時(shí),反照率高的地表類型(如冰川、云層等)的ξi值越大,即他們對地球偏振的影響就越大.由此看出,當(dāng)把地球作為一顆不可分辨的行星時(shí),其偏振特征將十分復(fù)雜,它將不僅依賴于散射角,而且會隨著云分布的快速變化而產(chǎn)生大幅的改變.

5 結(jié)論與展望

本文討論了影響地球輻射偏振的各種因素,特別是5種主要地貌特征和云層對入射自然光的偏振影響.我們發(fā)現(xiàn)海洋和云層是對地球輻射偏振影響最大的兩個(gè)因素,但在某些特定散射角情況下,沙漠等地貌特征的貢獻(xiàn)也不能忽視.海洋是導(dǎo)致高偏振度產(chǎn)生的主要原因,而云層相比其他特征體極大地降低輻射偏振大小.根據(jù)我們選取的樣本計(jì)算與比較,發(fā)現(xiàn)地球的偏振介于18.6%和49%之間,與具有大氣的金星偏振在同一數(shù)量級[22],但比無大氣的水星高出一個(gè)數(shù)量級[22–24].然而,由于在太陽系中地球相比其他行星更為復(fù)雜的氣候條件,特別是大陸和液態(tài)海洋的穩(wěn)定分布和云層的隨機(jī)性分布,使得地球偏振度的變化比其他行星的偏振度變化幅度和頻率要大很多,這是地球作為一顆與寄主星(太陽)可分辨但其自身圓面無法分辨的行星,具有的偏振的主要特點(diǎn).

在未來工作中,我們將進(jìn)一步考察地球偏振度隨散射角或軌道相位角變化的情況.

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Study of Polarim etries of the Earth-like Exop lanet

SONG Wei1,2QU Zhong-quan1

(1 Yunnan A stronom ica l O bserva to ries,Chinese A cadem y of Sciences,K unm ing 650011) (2 Un iversity of Chinese A cadem y of Scien ces,Beijing 100049)

Com pared with other diagnostic techniques,the planetary polarimetry becom esmore efficient to p robe the details about the surface features of an exop lanet, and especially the polarimetry of our p lanet,the Earth,is useful to search for the Earth-like exop lanet.In this paper,the Earth is treated as a p lanet resolvab le from its host star but its disk is unresolved.The data from the polarimeter boarding French satellite PARASOL are used to get the polarimetric results of 5 surface features aswell as cloud within the band of 662.4–677.4 nm.The results are expressed in the curves which reflect the variations of linear polarization degree and albedo with the scattering and azimuth angles,respectively.Under the special case that the scattering angle is set to be 90 degrees,the polarization curves of the Earth in a rotation period are obtained. It is found that the polarization degree ismainly influenced by the ocean aswell as the cloud,ranging from 18.6%to 49%.And due to the rapid climate change on the Earth, the polarization can be altered rapid ly.This characteristic w ill help us to distinguish the Earth-like exop lanet from other types of exop lanets.

p lanets and satellites:terrestrial p lanets,p lanets and satellites:surfaces, methods:data analysis

P185

A

10.15940/j.cnki.0001-5245.2016.02.004

2015-05-11收到原稿,2015-06-03收到修改稿?國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11373065)資助

?w song@ynao.ac.cn

?zqqu@ynao.ac.cn