行星风化层中光的散射与吸收

本方案中的方法有助于解决行星风化层对光散射的开放性计算难题，行星风化层是指小行星、星核及其他太阳系天体表面由颗粒密集堆积形成的表层结构。为验证计算结果，我们引入了一种基于超声样品悬浮的独特非接触、非破坏性测量方法。我们可完全控制样品的位置与取向。

本文应用经过验证的计算方法来解读灶神星（4 Vesta）和丘留莫夫-格拉西缅科彗星（67P/Churyumov-Gerasimenko）的观测结果。这些计算与实验方法具有普适性，可应用于例如地球遥感、纳米尺度材料科学以及生物医学光学等领域。使用这些方法需要耐心。

然而，由于结果具有绝对性和定量性，这些付出是值得的。方法的可视化演示至关重要。本视频展示的实验部分结合了光学和声学领域的前沿技术。

演示该实验操作的人员为 Dr. Antti Penttila、Ms. Julia Martikainen、Mr. Petteri Helander、Mr. Goran Maconi 和 Mr. Timo Vaisanen。首先，打开光源、光电倍增管和放大器，启动散射光测量仪。让系统稳定运行 30 分钟。

接下来，通过将麦克风插入声学样品悬浮器的中心并运行校准脚本，来设置声学样品悬浮装置。然后使用空的悬浮器进行一次测量扫描。该扫描可揭示由环境光、周围反射或电噪声产生的任何信号。

设置完成后，使用声学透明的网状勺将样品注入声悬浮装置。通过视频摄像机和高倍光学系统，在散射测量前后检查样品的取向和稳定性。优化声场捕获的强度和不对称性，以实现样品稳定性的最大化。

因此，应将声学功率设置为尽可能低。如果样品具有不对称性，可围绕垂直轴旋转样品以获取其形状信息。通过缓慢调整声学捕获装置的对准位置来完成旋转操作。

成像过程中，施加额外照明以提高图像质量。接着，关闭测量室以隔绝外部光线。通过计算机界面，选择样品的取向以及测量的角分辨率和角度范围。

入射光和散射光由电机驱动的线性偏振片进行过滤。运行自动测量扫描程序，该程序将对每个角度测量四个点，对应的偏振片取向分别为：水平-水平、水平-垂直、垂直-垂直和垂直-水平。

关闭声场，使样品落入声学透明织物中，从而回收样品。随后使用空的声悬浮装置进行另一次测量扫描，以检测环境光照条件可能引起的漂移。测量结束后，保存数据。

通过不同偏振状态下光强的线性组合，分析数据以计算每个角度的穆勒矩阵元素。开始建模时，使用SSH访问连接至CSC科学信息技术中心的Taito有限集群。运行bash compile.sh命令，下载并编译所有已为Taito预配置的必要程序。

接下来，打开文本编辑器 Nano，通过修改文件 PARAMS 来设置单个散射体、体积单元和被研究样品的参数，使其与被研究样品相匹配。然后执行命令 bash run.sh 运行流程。完成后，将样品的完整穆勒矩阵写入 temp 文件夹，文件名为 final.out。

通过首先将 Siris4 可执行文件移至与输入文件和 P 矩阵文件相同的文件夹中，然后复制 input_1.in 和 pmatrix_1.，利用 Siris4 计算古铜无球粒陨石颗粒的散射特性。

从测试文件夹中输入。在 input_1.in 文件中，将射线数量设置为两百万，样本粒子数量设置为 1,000，半径的标准差设置为 0.17，相关函数的幂律指数设置为 3。

然后将折射率的实部设为1.8，并按照文本方案中所述使用折射率n的虚部。接着，对波长范围从0.4到2.5微米的每一个波长，执行此处所示的命令以运行Siris4，粒子直径范围为10至200微米，采样步长为10微米。随后，将每个计算得到的散射相矩阵p保存为pmatrix_x文件。

文件中，文件名的 x 表示波长编号，每个粒径对应的编号范围为 1 至 43。该文件将包含一个波长和一个粒径对应的散射角以及散射矩阵元素 P11、P12、P22、P33、P34 和 P44。

将获得的散射矩阵、单次散射反照率和平均自由程在指数为3.2的幂律粒径分布上进行平均。在大小相当于灶神星的体积内使用折射率为1的漫散射体。在输入文件中，使用内部散射体的平均单次散射反照率和平均自由程长度。

接下来，在每个波长下运行Siris4，执行此处所示命令，其中x为波长。该代码将平均散射矩阵作为输入，用于内部漫散射体。将灶神星观测光谱在0.55微米处按几何反照率值0.42327进行缩放。

要达到 17.4 度，需对缩放后的光谱应用 0.491 的系数。在整个波长范围内比较模拟光谱与观测光谱。首先使用 Git 下载源文件，并将文件移至下载的目录中，然后进入该目录 cd protocol4b。

接下来，运行 bash compile.sh 以下载并编译所有必需的程序。准备就绪后，将平均输入散射矩阵以及振幅散射矩阵复制到当前工作目录中。接着，打开文本编辑器 Nano，并修改文件 PARAMS 以设置所需的参数。

通过执行 bash run.sh 来运行管道程序，然后将完整的穆勒矩阵写入 temp 文件夹，文件名为 rtcb.out。启动 MATLAB 并运行平均程序 powerlaw_ave。

在利用Siris4求解器计算彗差相函数后，需对指数为负三的幂律尺寸分布进行平均，以获得平均结果。预期的常规输出包括pmatrix2.in、反照率以及平均自由程。

接下来，将反照率和平均自由程的输出结果设置到输入文件中。将样本数量设为十亿，并将形状相关函数的幂律指数设为2.5。

然后使用此处所示的命令行运行Siris4，以获得核相函数。利用Siris4，求解并平均了100,000个聚集体的散射特性。这些结果在此处绘出，显示了实验测量值以及另一个未使用有效介质近似的模拟结果。

两种粒子分布的选择均能与实测的相函数匹配，但它们会产生不同的偏振特性。这些差异可用于识别样品中粒子的潜在分布。最佳选择是采用截断正态分布，而非等尺寸粒子。

如果仅使用归一化相函数，则两种分布给出的结果无法区分。对于去偏振，数值计算结果的特征与实测曲线相似，但函数曲线在后向散射方向上偏移了10度。偏振特性的差异表明，该样品的结构可能比均匀模型更为复杂。

然而，现有的显微表征方法尚无法获取该团聚体的真实结构。此处的光度相位曲线伴随着亮度上线性依赖关系，模拟了高反照率、紧密堆积的表壤中阴影效应的影响。该模型成功解释了观测到的光度和偏振相位曲线，并对最大偏振度提供了合理的预测。

令人惊讶的是，微小颗粒群中极小的一部分即可完成对相位曲线的完整解释。进行此实验时，超声样品悬浮是成功实现散射测量的关键。在计算部分，对颗粒介质内散射的非相干处理至关重要。

未来，我们计划将实验方法扩展至更大和更小的样品，涵盖厘米级和微米级尺度。目前，我们正在开发在显微镜中实现超声样品全控的方法。由于这些测量中使用了强效的超声和光源，执行本方案时应采取适当的预防措施。