Dispersione e assorbimento della luce nei regoliti planetari

I metodi di questo protocollo possono aiutare a risolvere il problema computazionale aperto dello scattering della luce da regolite planetarie, strati densamente pieni di particelle sulle superfici degli asteroidi che attraversano nuclei e altri oggetti del sistema solare. Per convalidare i calcoli, introduciamo misurazioni uniche senza contatto e non distruttive basate sulla levitazione del campione ad ultrasuoni. Abbiamo il pieno controllo sulla posizione e l'orientamento del campione.

Qui applichiamo metodi computazionali convalidati per interpretare le osservazioni dell'asteroide 4 Vesta e 67P/Churyumov-Gerasimenko. I metodi computazionali e sperimentali sono universali e possono essere applicati ad esempio nel telerilevamento terrestre, nelle scienze dei materiali su scala nanometrica e nell'ottica biomedica. L'utilizzo di questi metodi richiede pazienza.

Tuttavia, lo sforzo ripaga a causa della natura assoluta e quantitativa del risultato. La dimostrazione visiva dei metodi è fondamentale. La parte sperimentale mostrata in questo video combina tecniche all'avanguardia sia in ottica che in acustica.

A dimostrare la procedura saranno il Dott. Antti Penttila, la Sig.ra Julia Martikainen, il Sig. Petteri Helander, il Sig. Goran Maconi e il Sig. Timo Vaisanen. Per iniziare, impostare lo scatterometro accendendo la sorgente luminosa, i tubi moltiplicatori fotografici e gli amplificatori. Lasciare stabilizzare il sistema per 30 minuti.

Successivamente, impostare il levitatore del campione acustico inserendo il microfono al centro del levitare ed eseguendo lo script di calibrazione. Quindi fare una sweep di misura con un levitator vuoto. Lo sweep rivela tutti i segnali generati dalla luce ambientale, dai riflessi dall'ambiente circostante o dai rumori elettrici.

Una volta impostato, utilizzare un cucchiaio a rete acusticamente trasparente per iniettare il campione nel levitatore acustico. Utilizzando una videocamera e un'ottica ad alto ingrandimento, ispezionare l'orientamento e la stabilità del campione prima e dopo le misurazioni di scattering. La resistenza e l'assimetria della trappola acustica sono ottimizzate per la massima stabilità del campione.

Di conseguenza, la potenza acustica è impostata il più in basso possibile. Se il campione è asimmetrico, ruotarlo attorno all'asse verticale per ottenere informazioni sulla sua forma. Eseguire la rotazione modificando lentamente l'allineamento della trappola acustica.

Durante l'imaging, applicare un'illuminazione aggiuntiva per migliorare la qualità dell'immagine. Quindi, chiudere la camera di misura per bloccare la luce esterna. Utilizzando l'interfaccia del computer, selezionare l'orientamento del campione, nonché la risoluzione angolare e l'intervallo della misurazione.

La luce in entrata e la luce diffusa sono filtrate da polarizzatori lineari motorizzati. Eseguire lo sweep di misurazione automatizzato. In questo modo verranno misurati quattro punti per ogni angolo con orientamenti polarizzatori orizzontale-orizzontale, orizzontale-verticale, verticale-verticale e verticale-orizzontale.

Recuperare il campione dopo la misurazione spegnendo il campo acustico e lasciando cadere il campione sul tessuto acusticamente trasparente. Quindi eseguire un'altra sweep di misura con un levitare vuoto per rilevare eventuali derive dovute alle condizioni di luce ambientale. Al termine, salvare i dati.

Analizza i dati per calcolare gli elementi della matrice di Mueller per ogni angolo attraverso una combinazione lineare di intensità a diverse polarizzazioni. Per iniziare a modellare, utilizzare l'accesso SSH per connettersi al CSC IT Center for science limited cluster Taito. Scarica e compila tutti i programmi richiesti che sono preconfigurati per Taito eseguendo bash compile.sh.

Quindi, apri l'editor di testo Nano e imposta i parametri per un singolo scatterer, elemento volume e il campione studiato per abbinare il campione studiato modificando il file PARAMS. Quindi eseguire la pipeline eseguendo il comando bash run.sh. Al termine, scrivere la matrice Mueller completa dell'esempio nella cartella temp come final.out.

Utilizzate Siris4 per calcolare le proprietà di scattering delle particelle di howardite spostando prima il file eseguibile Siris4 nella stessa cartella con il file di input e il file della matrice P. Quindi copia il input_1. in e pmatrix_1.

dalla cartella di prova. In input_1. in, impostare il numero di raggi su due milioni, il numero di particelle campione a 1.000, la deviazione standard del raggio a 0,17 e l'indice della legge di potenza della funzione di correlazione a tre.

Quindi impostare la parte reale dell'indice di rifrazione su 1,8 e utilizzare la parte immaginaria dell'indice di rifrazione n come descritto nel protocollo di testo. Successivamente, eseguire Siris4 eseguendo il comando mostrato qui per ogni lunghezza d'onda da 0,4 a 2,5 micron utilizzando un intervallo di dimensioni da 10 a 200 micron di diametro con un passaggio di campionamento di 10 micron. Quindi, salvare ogni matrice di fase di scattering calcolata p in un pmatrix_x.

in archivio. La x nel nome del file descrive il numero di lunghezza d'onda e varia da uno a 43 per ogni dimensione delle particelle. Il file conterrà gli angoli di dispersione così come gli elementi della matrice di scattering P11, P12, P22, P33, P34 e P44 per una lunghezza d'onda e dimensione delle particelle.

Media le matrici di scattering ottenute, albedos a dispersione singola e percorsi liberi medi su una distribuzione delle dimensioni della legge di potenza con un indice di 3,2. Utilizzare scatterer diffusi all'interno di un volume delle dimensioni di Vesta con un indice di rifrazione di uno. Nel file di input, usate l'Albedos a dispersione singola media e le lunghezze medie dei tracciati liberi per gli scatterer interni.

Quindi, eseguire Siris4 ad ogni lunghezza d'onda eseguendo il comando mostrato qui dove x è la lunghezza d'onda. Il codice legge le matrici di scattering medie come input per gli scatterer diffusi interni. Scala gli spettri osservati di Vesta ad un valore geometrico di Albedo di 0,42327 a 0,55 micron.

Per arrivare a 17,4 gradi, applicare un fattore di 0,491 sugli spettri in scala. Confrontare sia gli spettri modellati che gli spettri osservati su tutta la gamma di lunghezze d'onda. Inizia scaricando i file di origine con Git e sposta i file nel protocollo CD4b della directory scaricata.

Quindi, scarica e compila tutti i programmi richiesti eseguendo bash compile.sh. Quando è pronto, copiare la matrice di scattering di input media e la matrice di dispersione dell'ampiezza nella directory di lavoro corrente. Aprire quindi l'editor di testo Nano e modificare il file PARAMS per impostare i parametri desiderati.

Eseguire la pipeline eseguendo bash run.sh. Quindi scrivere la matrice Mueller completa nella cartella temp come rtcb.out. Iniziate in MATLAB ed eseguite la routine di powerlaw_ave.

m per calcolare in media i risultati sulla distribuzione delle dimensioni della legge di potenza dell'indice meno tre dopo aver calcolato le funzioni della fase coma dal risolutore Siris4. Gli output di routine previsti sono pmatrix2. in, Albedo e il percorso libero medio.

Quindi, impostare i risultati delle uscite Albedo e il percorso libero medio nell'ingresso. in archivio. Impostare la dimensione su un miliardo e impostare l'indice della legge di potenza della funzione di correlazione per la forma su 2,5.

Quindi eseguire Siris4 usando la riga di comando mostrata qui per ottenere la funzione di fase del nucleo. Con Siris4, le proprietà di scattering di 100.000 aggregati furono risolte e mediate. Questi risultati sono qui tracciati mostrando le misurazioni sperimentali e una simulazione aggiuntiva senza il mezzo efficace.

Entrambe le scelte per la distribuzione delle particelle hanno prodotto una corrispondenza con la funzione di fase misurata anche se si traducono in diverse caratteristiche di polarizzazione. Queste differenze possono essere utilizzate per identificare la distribuzione sottostante delle particelle nel campione. La scelta migliore è usare la distribuzione normale troncata invece delle particelle equizzate.

Se vengono utilizzate solo funzioni di fase normalizzate, le due distribuzioni danno risultati indistinguibili. Per la depolarizzazione, i risultati numerici hanno caratteristiche simili alla curva misurata, ma le funzioni vengono spostate di 10 gradi nella direzione di backscattering. Le differenze nella polarizzazione indicano che il campione ha presumibilmente una struttura più complessa rispetto al modello omogeneo.

Tuttavia, è al di là dei metodi microscopici esistenti per la caratterizzazione del campione recuperare la vera struttura dell'aggregato. Qui la curva di fase fotometrica è stata accompagnata dalla dipendenza lineare dalla magnitudine che imita l'effetto dell'ombra in una regolite di Albedo densamente imballata. Il modello spiega con successo le curve di fase fotometriche e polarimetriche osservate e offre una previsione realistica per la massima polarizzazione.

Colpisce come la frazione minuti della piccola popolazione di particelle sia in grado di completare la spiegazione delle curve di fase. Quando si esegue questo esperimento, la levitazione del campione ad ultrasuoni è la chiave per misurazioni di dispersione di successo. Nella parte computazionale, il trattamento incoerente dello scattering all'interno del mezzo delle particelle è essenziale.

In futuro, abbiamo in programma di estendere i metodi sperimentali sia ai campioni più grandi che a quelli più piccoli che raggiungono scale di centimetri e micrometri. Attualmente stiamo sviluppando modi per utilizzare il controllo completo dei campioni ad ultrasuoni nei microscopi. Prendere le precauzioni appropriate quando si esegue questo protocollo poiché in queste misurazioni vengono utilizzate potenti sorgenti ultrasoniche e luminose.