Revised parameterization of Fournier-Forand phase functions for Southern Baltic waters

• Autorzy: Freda, W.

Warianty tytułu

PL

Poprawiona parametryzacja funkcji fazowych Fourniera-Foranda dla wód Bałtyku Południowego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Detection and identification of oil substances in sea water can be effective only by using remote optical methods. That entails the need to distinguish impurities from natural constituents of seawater. This calls for knowledge of the optical properties of sea water and especially the phase function that describe the angular distribution of scattered light intensities. Measurements of the phase function in the marine environment are rarely performed. Therefore some analytic form of phase functions are needed. One of such forms that adapts well to the results of measurements, is the Fournier-Forand phase function. The parameters of this function are the slope of the size distribution, and the relative refractive index. Since the determination of the latter one is a problematic task, attempts were made to replace these parameters with other quantities. Freda and Piskozub (2007) proposed to parameterize it with an absorption coefficient and the backscattering ratio. However their parameterization demand to find the solution of equations that can be most easily obtained by numerical methods. For that reason, a present paper proposes a simplified parameterization of Freda and Piskozub and provides a simple formulas connecting the Fournier-Forand parameters to the absorption coefficient.

PL

Rozpraszanie i identyfikacja materiałów ropopochodnych w wodzie morskiej może być skuteczne tylko przy użyciu zdalnych metod optycznych. Pociąga to za sobą konieczność odróżnienia zanieczyszczeń od naturalnych składników wody morskiej. Stąd wynika potrzeba dokładnego poznania optycznych właściwości wód morskich. W skład rzeczywistych właściwości optycznych wód morskich wchodzą współczynniki absorpcji i rozpraszania oraz funkcja fazowa rozpraszania światła. Współczynniki absorpcji światła i rozpraszania światła opisują odpowiednio względną ilość światła, która zostaje zaabsorbowana lub zmieni kierunek propagacji na jednostkę długości prostoliniowej wiązki świetlnej. Do opisu rozpraszania światła potrzebna jest jeszcze funkcja, która zawiera informację o względnych kątowych rozkładach natężeń rozproszonego światła – funkcja fazowa. Pomiary funkcji fazowych w środowisku morskim są trudne do wykonania i stąd wykonywane są niezmiernie rzadko. Dlatego wszelkie obliczenia transmisji energii promienistej w wodach morskich wykonywane są z zastosowaniem uśrednionych wartości funkcji pochodzącej z pomiarów, bądź jednej ze znanych analitycznych postaci funkcji fazowych. Jedną z takich postaci, która dobrze dopasowuje się do wyników pomiarów, jest tzw. funkcja Fourniera-Foranda. Parametrami tej funkcji są nachylenie hiperbolicznego rozkładu rozmiarów μ oraz względny współczynnik załamania światła cząstek rozpraszających n. Ponieważ wyznaczenie tych parametrów jest zadaniem problematycznym, podjęto próby zastąpienia parametrów n i μ innymi. Udaną próbę parametryzacji funkcji Fourniera-Foranda podjęli Freda i Piskozub [8], poprawiając inną parametryzację zaproponowaną przez Mobleya i in. [13]. Jednakże parametryzacja Fredy i Piskozuba polegała na odnalezieniu rozwiązania układu równań, które najłatwiej można otrzymać metodami numerycznymi. Z tego powodu w niniejszym artykule zaproponowano uproszczenie parametryzacji Fredy i Piskozuba oraz podano proste i użyteczne formuły wiążące wartości parametrow n i μ z inną, łatwiejszą do wyznaczenia wielkością – współczynnikiem absorpcji.

• Czasopismo: Zeszyty Naukowe Akademii Morskiej w Gdyni
• Rocznik: 2012
• Tom: nr 76
• Strony: 24--32
• Opis fizyczny: Bibliogr. 23 poz., rys.

Twórcy

autor

Freda, W.

• Akademia Morska w Gdyni

Bibliografia

• 1. Aas E., Refractive index of phytoplankton derived from its metabolic composition, J. Plankton Res. 1996, no. 18, p. 2223–2249.
• 2. Bader H., The hyperbolic distribution of particle sizes, J. Geophys. Res., 1970, no. 75(15), p. 2822–2830.
• 3. Brown O.B., Gordon H.R., Two component Mie-scattering models of Sargasso Sea particles, Appl. Opt., 1973, no. 12, p. 2461–2465.
• 4. Brown O.B., Gordon H.R., Comment on „Method for the determination of the index of refraction of particles suspended in the ocean”, J. Opt. Soc. Am., 1973, no. 63, p. 1616–1617.
• 5. Forand J.L., Fournier G.R., Particle distributions and index of refraction estimation for Canadian Waters, [in] Airborne and In-water Underwater Imaging, G. Gilbert (ed.), Proc. SPIE 3761, 1999, p. 34–44.
• 6. Fournier G.R., Forand J.L., Analytic phase function for ocean water, [in:] Ocean Optics XII, J.S. Jaffe (ed.), Proc. SPIE 2258, 1994, p. 194–201.
• 7. Fournier G.R., Jonasz M., Computer-based underwater imaging analysis, [in:] Airborne and Inwater Underwater Imaging, G. Gilbert (ed.), Proc. SPIE 3761, 1999, p. 62–77.
• 8. Freda W., Piskozub J., Improved method of Fournier-Forand marine phase function parameterization, Opt. Express, 2007, no. 15, p. 12763–12768.
• 9. Freda W., Król T., Martynov O.V., Shybanov E.B., Hapter R., Measurements of Scattering Function of sea water in Southern Baltic, Eur. Phys. J. S. T., 2007, no. 144, p. 147–154.
• 10. Gordon H.R., Brown O.B., A theoretical model of light scattering by Sargasso Sea particulates, Limnol. Oceanogr., 1972, no. 17, p. 826–832.
• 11. Jonasz M., Fournier G., Approximation of the size distribution of marine particles by a sum of log-normal functions, Limnol. Oceanogr., 1996, no. 41(4), p. 744–754.
• 12. Kullenberg G., Berg Olsen N., A comparison between observed and computed light scattering functions – II. Reports Inst. of Physical Oceanography, Univ. of Copenhagen, 1972, no. 19.
• 13. Mobley C.D., Sundman L.K., Boss E., Phase Function Effects on Oceanic Light Fields, Appl. Opt., 2002, no. 41, p. 1035–1050.
• 14. Otremba Z., Oil droplets as light absorbents in seawater, Optics Express, 2007, 15(14), p. 8592–8597.
• 15. Otremba, Z., Piskozub, J., Polarized phase functions in oil-in-water emulsion, Optica Applicata, 2009, no. 39(1), p. 129–133.
• 16. Otremba, Z., The impact on the reflectance in VIS of a type of crude oil film floating on the water surface, Optics Express, 2000, no. 7(3), p. 129–134.
• 17. Petzold T.J., Volume scattering functions for selected ocean waters, SIO Ref. 72-78, Scripps Inst. Oceanogr., La Jolla, 1972, no. 79.
• 18. Sheldon R.W., Prakash A., Sutcliffe W.H. Jr., The Size Distribution of Particles in the Ocean, Limnology and Oceanography, 1972, no. 17(3), p. 327–340.
• 19. Sokolov A., Chami M., Dmitriev E., Khomenko G., Parameterization of volume scattering function of coastal waters based on the statistical approach, Opt. Express, 2010, no. 18, p. 4615–4636.
• 20. Stramski D., Refractive index of planktonic cells as a measure of cellular carbon and chlophyll a content, Deep-Sea Res. I, 1999, no. 46, p. 335–351.
• 21. Twardowski M.S., Boss E., Macdonald J.B., Pegau W.S. et al., A model for estimating bulk refractive index from the optical backscattering ratio and the implications for understanding particle composition in case I and case II waters, J. Geophys. Res., 2001, no. 104, p. 14129–14142.
• 22. Zaneveld J.R.V., Pak H., Method for the determination of the index of refraction of particles suspended in the ocean, J. Opt. Soc. Am., 1973, no. 63, p. 321–324.
• 23. Zaneveld J. R. V., Roach D. M., Pak H., The determination of the index of refraction distribution of oceanic particles, J. Geophys. Res., 1974, no. 79, p. 4091–4095.