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Snow Characterization by Optical Properties

Gergely, Mathias

German Title: Charakterisierung von Schnee anhand der optischen Eigenschaften

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Abstract

Snow microstructure is crucial for radia- tive transfer and mechanical interactions inside the snow cover and at the snow surface. The aim of this thesis is to determine which simplifications to general radiative trans- fer theory and to the true 3D snow microstructure can be assumed to still guarantee an adequate description of radiative transfer in snow. The analysis focuses on the optical properties reflectance and transmittance at near-infrared wavelengths and on the snow mi- crostructural parameters specific surface area (equivalent to snow grain size) and density. Three different approaches to radiative transfer are analyzed. They are characterized by (i) assuming an equivalent microstructure of a random collection of ice spheres with the same specific surface area and density as the true microstructure, (ii) ray tracing applied to the true microstructure or the equivalent microstructure and (iii) an asymptotic solu- tion for infinite snow blocks of the equivalent microstructure. Reflectance measurements can only be explained within the natural snow variability of 18% by a combination of models (i) and (ii) if the exact geometry of the compact measuring tool is implemented. Transmittance measurements of natural snow agree well with results for approach (i) and (ii). Only transmittance of highly anisotropic machine-made snow cannot be de- scribed by model (i). The results show that specific surface area and density are the two crucial properties that determine radiative transfer in snow. Finally, a combined high- resolution measurement method of these two microstructural parameters in the field is presented based on snow-profile photography.

Translation of abstract (German)

Die Schneemikro- struktur ist entscheidend für den Strahlungstransport und für mechanischeWechselwirkun- gen innerhalb der Schneedecke und an der Oberfläche. Das Ziel dieser Arbeit ist es zu bestimmen, inwieweit Strahlungstransport und die tatsächliche 3D Mikrostruktur von Schnee vereinfacht werden können, um den Strahlungstransport immer noch hinreichend zu beschreiben. Die Auswertung konzentriert sich auf die optischen Eigenschaften Refle- xions- und Transmissionsgrad für nahe Infrarotstrahlung sowie die Mikrostrukturparame- ter spezifische Oberfläche (entspricht der Schneekorngröße) und Dichte. Drei verschiedene Konzepte für den Strahlungstransport werden untersucht. Sie zeichnen sich aus durch (i) die Annahme einer gleichwertigen Mikrostruktur bestehend aus einer zufälligen An- sammlung von Eiskugeln mit derselben spezifischen Oberfläche und Dichte wie von der tatsächlichen Mikrostruktur, (ii) Raytracing angewandt auf die tatsächliche und gleichwer- tige Mikrostruktur und (iii) eine asymptotische Lösung für unendlich ausgedehnte Schnee- blöcke basierend auf der gleichwertigen Mikrostruktur. Die Reflexionsmessungen können innerhalb der natürlichen Variabilität des Schnees von 18% erklärt werden, wenn Mo- dell (i) und (ii) kombiniert werden und die genaue Geometrie des kompakten Messinstru- ments berücksichtigt wird. Die Transmissionsmessungen von natürlichem Schnee stimmen gut mit den Ergebnissen für die Modelle (i) und (ii) überein. Lediglich der Transmissions- grad von künstlich hergestelltem Schnee kann nicht durch Modell (i) wiedergegeben wer- den. Die Ergebnisse zeigen, dass spezifische Oberfläche und Dichte die beiden entscheiden- den Eigenschaften für den Strahlungstransport in Schnee sind. Schließlich wird noch eine kombinierte hochauflösende Messmethode vorgestellt, mit der diese beiden Mikrostruk- turparameter im Feld anhand eines Schneeprofilphotos bestimmt werden können.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Roth, Prof. Dr. Kurt
Date of thesis defense: 2 November 2011
Date Deposited: 07 Dec 2011 09:04
Date: 2011
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 530 Physics
Uncontrolled Keywords: Schnee , Strahlungstransport , Reflexion , Transmissionsnow , radiative transfer , near-infrared , reflectance , transmittance
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