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Modelling of the optical properties of internally-mixed dust particles
Andreas Gattringer
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Physik
Betreuer*in
Bernadett Weinzierl
DOI
10.25365/thesis.65138
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-21638.51156.866258-8
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Aerosole haben einen wichtigen Effekt auf das Klima der Erde, sowohl indirekt, als auch direkt, durch Interaktion mit der Sonnenstrahlung. Der Großteil der Masse des atmosphärischen Aerosols ist mineralischen Ursprungs. Die Simulation der optischen Eigenschaften von Mineralstaub geht oft von sphärischen, homogenen Teilchen aus. Das hat sich in den letzten Jahren geändert. In dieser Arbeit werden die optischen Eigenschaften von heterogenen Mineralstaubpartikeln, die Eisenoxide (Hämatit und Goethit) enthalten, modelliert, um den Einfluss der internen Strukute auf die optischen Eigenschaften zu untersuchen, und das MOSMAP Softwarepaket zu erweitern. Die optischen Eigenschaften homogen gemischer Teilchen werden mit denen von Teilchen mit interner Struktur verglichen. Das wurde für mehrere Teilchenformen und mehrere Brechungsindizes für eines der beiden Eisenoxide über eine großen Größenbereich durchgeführt. Zusätzlich wurde der Effekt der internen Struktur auf die optischen Eigenschaften auch für
Teichenensembles untersucht.
Zu diesem Zweck wurden heterogene Teilchen basierend auf sechs eferenzformen erstellt. Dies wurde durch Unterteilung der Teilchen in kubische Subvolumina erreicht.
Jedem Subvolumen wurde ein materialbasierter Brechungsindex zugeteilt. Eisenoxideinlagerungen wurden modelliert, indem mehrere sphärische Region bestehend aus kubischen Volumen, mit einem Volumen von je einem Prozent des Gesamtvolumens, ersetzt wurden. Die optischen Eigenschaften der generierten Teilchen wurden mittels der diskreten Dipolnäherung (discrete dipole approximation, DDA) berechnet.
Es wurde gezeigt, dass der Effekt der inhomogenen Mischung für alle optischen Eigenschaften sichtbar ist. Teilchen mit interner Struktur zeigen, verglichen mit ihren homogen gemischten Gegenstücken, eine geringere Absorption. Für kleinere Größenparameter (bis zu Größenparameter 5–10) können die Änderungen der optischen Eigenschaften nicht einfach zusammengefasst werden. Absorptionseffizienz und Asymmetriefaktor zeigten Änderung in Größe und eine größenabhängige Verlagerung des ersten
Maximums. Je nach Brechungsindex können die Werte der Eigenschaften größer oder kleiner sein. Im Allgemeinen war die Veränderung der optischen Eigenschaften stärker von Änderungen der Teilchengröße abhängig, als für homogen gemischte Teilchen. Für größere Teilchen konnte gezeigt werden, dass die Absorptionseffizienz bis um einen Faktor von 4–5 größer als im homogenen Fall sein kann. Für große Teilchen (Größenparameter ≳ 15) konnte ein Oberflächeneffekt beobachtet werden, bei dem die optischen Eigenschaften nicht mehr vom Größenparameter abhängig sind. Dieser Effekt trifft für einen höheren Imaginärteil des Brechungsindex bereits bei kleineren Teilchen auf.
Der Effekt des Mischungstypes für Teilchenensembles war für die infachstreu-Albdeo, den Asymmetriefaktor und den Absorptionskoeffizienten sichtbar, während die interne Struktur für den Extinktionskoeffizienten einen vernachlässigbaren Effekt hatte. Für kurze Wellenlängen (<490 nm) ist die Absorption durch Teilchenensembles für inhomogene Teilchen um bis zu einem Faktor zwei schwächer als im homogenen Fall.
Abstract
(Englisch)
Aerosols have an important effect on Earth’s climate, both indirect and direct, i.e. via interaction with solar radiation. Most of the atmospheric aerosol by mass is mineral dust. Simulations of the optical properties of mineral dust often assume spherical, homogeneous particles. This has changed in recent years. In this thesis, the optical properties of heterogeneous mineral dust particles containing iron oxides (haematite and goethite) have been modelled to gain further insight into the internal structure’s role on optical properties and to extend the MOPSMAP software package. The optical properties of
particles that are mixed homogeneously are compared to particles that have an internal structure. This has been done for multiple particle shapes and refractive indices for one of the two iron oxides for a wide range of particles sizes. Additionally, the effect of the mixture type on the optical properties has been studied for particle ensembles. For this purpose, heterogeneous articles have been created based on six reference shapes. This was done by partitioning the particle into cubic volumes. Each subvolume was assigned a refractive index based on its material. Inclusions of iron oxides were modelled by replacing multiple sphere-shaped regions of cubic volumes, with a volume
each of one percent of the whole particle’s volume. Subsequently, the optical properties of the generated particles were calculated using the direct dipole approximation (DDA).
The effect of the inhomogeneous mixture was shown to be clearly visible for all optical properties. Particles with an internal structure showed less absorption, compared to their homogeneously mixed counterparts. For smaller size parameters (i.e. up to size parameters 5–10), the changes in optical property values could not be simply summarized. Absorption efficiency and asymmetry factor showed both change in magnitude and a size-shift for the first maximum. Depending on refractive index their values could be
higher or lower. In general, there was a stronger size-dependent variation in optical properties than for homogeneously mixed particles. For larger particles, it was shown that the absorption efficiency could be up to 4–5 times greater than for the homogeneous particle. A skin effect was observed for large (≳ 15) size parameters, where the optical property no longer depends on the size parameter. This was shown for the absorption efficiency, single scattering albedo and asymmetry factor. This effect occurred at smaller
size parameters for higher imaginary parts of the refractive index.
The effect of the mixture type for particle ensembles was pronounced for the single scattering albedo, asymmetry factor and absorption coefficient, while the internal structure had very little effect on the extinction coefficient. At short wavelengths (< 490 nm) the absorption shown by inhomogeneous particles was weaker by a factor of two, compared to their homogeneous counterparts.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
aerosols modelling optical properties
Schlagwörter
(Deutsch)
Aerosole Modellierung optische Eigenschaften
Autor*innen
Andreas Gattringer
Haupttitel (Englisch)
Modelling of the optical properties of internally-mixed dust particles
Publikationsjahr
2020
Umfangsangabe
viii, 85 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Bernadett Weinzierl
Klassifikation
33 Physik > 33.18 Optik
AC Nummer
AC16236366
Utheses ID
57707
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |