Photopolarimetric Characteristics of Brown Dwarfs. I. Uniform Cloud Decks

This work is a theoretical exploration facilitating the interpretation of polarimetric observations in terms of cloudiness, rotational velocities, and effective temperatures of brown dwarfs (BDs). An envelope of scatterers like free electrons, atoms/molecules, or haze/clouds affects the Stokes vector of the radiation emitted by oblate bodies. Due to high rotation rates, BDs can be considerably oblate. We present a conics-based radiative transfer scheme for computing the disk-resolved and disk-integrated polarized emission of an oblate BD or extrasolar giant planet bearing homogeneous or patchy clouds. Assuming a uniform gray atmosphere, we theoretically examine the sensitivity of photopolarimetry to the atmosphere's scattering properties, like cloud optical thickness and grain size, concurrently with BD properties, like oblateness, inclination, and effective temperature, which are all treated as free parameters. Additionally, we examine the potential effects of gravitational darkening (GD), revealing that it could significantly amplify disk-integrated polarization. GD imparts a nonlinear inverse temperature dependence to the resulting polarization. Photopolarimetric observations are sensitive to oblateness and inclination. The degree of polarization increases in response to both, making it potentially useful for assessing the spatial orientation of the BD. Under our model assumptions, increasing droplet size in optically thick clouds causes a blueward shift in the near-infrared colors of BDs, which is interesting in light of the observed J – K brightening in the L/T transition. For large cloud grains, polarization decreases sharply, while the transmitted intensity shows a steady increase. BD polarization is thus a potential indicator not only of the presence of clouds but also provides information on cloud grain size

Model and algorithm development for the retrieval of atmospheric aerosol properties from nadir mode measurements by the DOAS instrument SCIAMACHY onboard Envisat

Der Einfluss von Aerosolen auf den Strahlungshaushalt der Atmosphäre ist mit grossen Unsicherheiten verbunden und bedarf intensiver Forschung. In dieser Arbeit wurde ein Inversionsalgorithmus entwickelt, um aus Daten des SCIAMACHY-Spektrometers an Bord von Envisat die optische Dichte von Aerosolen (AOT), deren Angstrom Exponent sowie die vertikale Höhenverteilung unter Verwendung von Spektren im Bereich der O2 A- und B-Banden abzuleiten. Modellieren gemessener Reflektanzen ist für die Bestimmung sowohl der Bodenalbedo als auch der Aerosoleigenschaften essentiell. Es wurde 'AeroRad', ein 10-Strahl 1D plan-paralleles Strahlungstransportmodell entwickelt, um die gemessene Strahlung zu simulieren. Ein neues Merkmal von 'AeroRad' ist die symmetrische Ausrichung der 10-Strahl Geometrie längs der Achse der einfallenden Sonnenstrahlung. Dies erlaubt eine bessere Simulation der für Aerosole typischen preferentiellen Vorwärtsstreuung. Sensitivitätsstudien wurden mit synthetischen Messungen durchgeführt, wobei sich die Inversion als sehr robust erwies. Zur Behandlung instrumenteller Probleme wie fehlerhafter radiometrischer oder Wellenlängen Kalibration wurden Korrekturfaktoren in den Zustandsvektor der Inversion eingebaut, um diese Parameter simultan mit den Aerosoleigenschaften zu invertieren. Die Inversionsmethode wurde mit SCIAMACHY Daten über Kanpur (Indien) im Jahre 2003 getestet. Ein Vergleich monatlicher Mittelwerte der invertierten AOT zeigt eine gute Übereinstimmung mit bodengebundenen Messungen des AERONET Netzwerkes. Ein Anstieg der AOT von April bis Juni wurde beobachtet und kann mit saisonalem Auftreten von Wüstenstaub erklärt werden. Obwohl die Bestimmung globaler Aerosoleigenschaften mit der hier entwickelten Inversionsmethode noch unrealistisch scheint, so wurde gezeigt, dass eine Inversion mehrerer Aerosolparameter anhand SCIAMACHY Daten möglich ist

Aerosols in OCO-2/GOSAT retrievals of XCO₂: An information content and error analysis

We have analyzed the effect of aerosols on the retrieval of the dry air mixing ratio of carbon dioxide (XCO₂) in the Earth's atmosphere from instruments like OCO-2 and GOSAT. High-fidelity simulations of multi-angle spectropolarimetric observations in the O₂ A-band and the weak and strong CO₂ bands are used to evaluate the information contained in different measurement subsets/synergies for the retrieval of aerosol, surface, and molecular parameters. We contrast the biases and uncertainties in the retrieved XCO₂ resulting from the assumption of free or fixed aerosol microphysical parameters in the retrieval algorithm. It is very difficult to achieve the required retrieval accuracy of 0.2% for XCO₂ using intensity-only Nadir mode measurements. The uncertainty in the retrieved XCO₂ can be minimized by introducing multiangle and polarimetric measurement synergies. While the retrieval bias on XCO₂ is practically eliminated by the addition of measurement synergies for free aerosol microphysical parameters, fixed aerosol retrievals can lead to an increase in XCO₂ bias. In both cases, our full multi-angle polarimetric dataset produces a maximum uncertainty of ~1.6% in the retrieved XCO₂ at low aerosol optical thicknesses and over dark surfaces. The XCO₂ retrieval uncertainty improves to better than 0.2% at greater aerosol optical thickness and brighter surfaces. The problematic low aerosol optical thickness and low surface brightness regime produces an XCO₂ bias of 1 − 8 % for fixed aerosol microphysics, while the free parameters produce a maximum bias well under 10⁻³% for all retrieval scenes considered