Name: scattering and absorption of light in planetary regoliths
Uploaded: 2019-07-01T13:00:00
Duration: 11 min 34 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Scattering And Absorption of Light in Planetary Regoliths at JoVE.com

Forskning som stöds av ERC Advanced Grant nr 320773. Vi tackar laboratoriet för kronologi av Finlands Naturhistoriska museum för hjälp med prov karakterisering.

1. ljus spridnings mätning
<ol><li>
Inställning av scatterometern för mätning (figur 2)
	<ol>
<li>Börja med att ställa in scatterometern genom att slå på ljuskällan, Fotomultiplikator rören (PMTs) och förstärkare. Låt systemet stabiliseras i 30 minuter.</li>
		<li>Rikta in och centrera incident strålen med hål. Två hål är fästa vid uppmätta punkter på den roterande breadboard, 180 ° isär och på samma radie. Centrera balken på den första hål och justera dess vinkel så att ljuset också in genom det andra hålet.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Ställa in det akustiska provet sväva
	<ol>
<li>Därefter ställer du in den akustiska prov sväva genom att sätta in mikrofonen i mitten av sväva och kör kalibrerings skriptet.</li>
		<li>Kalibrera fasindelad array akustisk sväva genom att mäta det akustiska trycket för varje array element i den avsedda levitation plats som en funktion av den drivande spänningen. Använd den här kalibreringen för att kompensera för skillnader mellan mat ris kanalerna. Placera kalibrerings mikrofonen genom att centrera dess skugga både i balken och i en vinkelrät balk som skapats med två speglar.</li>
		<li>Beräkna kör parametrarna för matrisen som skapar en asymmetrisk akustisk fälla och förse dem med signal generationens elektronik. Detta åstadkoms genom att minimera gor ' kov potential25 och justera tryckgradienter i levitation plats.</li>
		<li>Gör sedan ett Mät svep med en tom levitator. Svepet avslöjar alla signaler som genereras av omgivande ljus, reflektioner från omgivningen, eller elektriska ljud.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Exempel hantering, infogning och mätning
	<ol>
<li>När du har ställt in, Använd en akustiskt transparent nätsked för att injicera provet i den akustiska levitatorn.</li>
		<li>Använd en videokamera och hög förstorings optik och inspektera provets orientering och stabilitet före och efter spridnings mätningarna.</li>
		<li>Styrkan och asymmetrin hos den akustiska fällan är optimerade för maximal prov stabilitet. Följaktligen är akustisk effekt inställd så låg som möjligt.</li>
		<li>Om provet är asymmetriskt roterar du det runt den lodräta axeln för att få information om dess form. Utför rotationen genom att sakta ändra justeringen av den akustiska fällan. Vid avbildning, applicera ytterligare belysning för att förbättra bildkvaliteten.</li>
		<li>Stäng sedan mätkammaren för att blockera externt ljus.</li>
		<li>Med hjälp av dator gränssnittet väljer du orientering för provet samt vinkelupplösning och mätområde. Det inkommande och det spridda ljuset filtreras av linjära polarisatorer, som är motoriserade.</li>
		<li>Kör det automatiserade Mät svepet. Detta kommer att mäta fyra punkter för varje vinkel med polarisator orienteringar av (horisontell, horisontell), (horisontell, vertikal), (vertikal, vertikal), och (vertikal, horisontell).</li>
		<li>Upprepa varje svep tre gånger för att eliminera avvikare. För asymmetriska prover upprepar du mätningen vid olika provtagnings inriktningar.</li>
		<li>Återvinna provet efter mätningen genom att stänga av det akustiska fältet och låta provet falla på akustiskt transparent tyg. Utför sedan ytterligare ett Mät svep med Tom sväva för att detektera eventuell drivningen på grund av de omgivande ljusförhållandena.</li>
		<li>Spara data när du är klar. Analysera data för att beräkna Mueller Matrix Elements för varje vinkel genom linjär kombination av intensiteter vid olika polarizations1
</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. modellering av tätt packade sfäriska medier i mm-storlek bestående av sfäriska partiklar
<ol><li>För att börja modellera, Använd SSH-åtkomst för att ansluta till CSC – IT Center for Science Limited ' s Cluster, Taito.  Ladda ner och kompilera alla nödvändiga program som är förkonfigurerade för Taito genom att köra bash compile.sh.</li>
	<li>Flytta in i arbetskatalogen genom att köra CD-$WRKDIR.</li>
	<li>Hämta källfiler med git (git Clone git@bitbucket.org: planetarysystemresearch/protocol2. git protocol2).</li>
	<li>Flytta in i den nyskapade katalogen CD protocol2.</li>
	<li>Hämta och kompilera nödvändiga program genom att köra bash compile.sh, som är förkonfigurerade för Taito.</li>
	<li>Öppna sedan textredigeraren nano och Ställ in parametrarna för en enda scatterer, volymelement och det studerade provet för att matcha det studerade provet genom att ändra filen params.</li>
	<li>Kör sedan pipeline genom att köra ett kommando bash run.sh. När du är klar, Skriv hela Mueller matris av provet i Temp-mappen som final. out.</li>
</ol>3. tolka reflektans spektra för asteroid (4) Vesta
<ol><li>Att härleda de komplexa brytningsindex för howardite.
	<ol>
<li>Hämta SIRIS4 (git Clone git@bitbucket.org: planetarysystemresearch/Siris 4.2. git).</li>
		<li>Kompilera genom att köra make i src-mappen. Byt namn på den körbara siris42 till siris4.</li>
		<li>I Maingo. F90, ändra linje 395 till R0 = 0,05 * Rmax * sqrt (ran2). Kompilera genom att köra make.</li>
		<li>Hämta de nödvändiga MATLAB-skripten genom att köra "git Clone git@bitbucket.org: planetarysystemresearch/protocol4a. git".</li>
		<li>Kopiera de körbara filerna som skapats i steg 3.1.2. och 3.1.3. till JoVEOptimize-mappen.</li>
		<li>Gå till mappen JoVEOptimize.</li>
		<li>I INPUT1.in fil, ange radie till 30 μm för Howarditen partikelstorlek, och fixa den verkliga delen av brytningsindex till 1,8. I INPUT2.in fil, ange radie till 15 000 μm.</li>
		<li>Uppskatta de övre och nedre gränserna för den imaginära delen av refraktiva index och spara dem i två separata filer. Koden använder den tvåsektioneringsmetoden och använder dessa värden som startpunkt.</li>
		<li>I optimizek. m fil, ange filnamnen på de övre och nedre gränserna för den imaginära delen av brytningsindex och filnamnet på den uppmätta reflektans spektrum av Howarditen pulver. Ställ in våglängdsområdet till 0,4 – 2,5 μm med steg på 0,05 μm.</li>
		<li>Kör optimizek. m i MATLAB för att erhålla de komplexa refraktiva indexen för Howarditen (se figur 3). För det första beräknar koden spridningsegenskaper för 30-μm storlek (radie) Howarditen partiklar, och sedan använder dessa partiklar som diffusa diffusorer inuti en 15 000-μm storlek (radie) volym. Dessa steg upprepas för varje våglängd tills den beräknade reflektans matchar med den uppmätta reflektans.</li>
	</ol></li>
	<li>Modellera reflektans spektrum av Vesta.
	<ol>
<li>
Computing den spridning egenskaper Howarditen partiklar genom att använda SIRIS4
		<ol>
<li>Utnyttja SIRIS4 att beräkna spridningen egenskaper Howarditen partiklar genom att först flytta SIRIS4 körbara filen i samma mapp med input-fil och p-Matrix-fil.  Kopiera sedan input_1. in och pmatrix_1. in från test-mappen.</li>
			<li>I input_1, ställa in antalet strålar till 2 000 000, antalet prov partiklar till 1000, standardavvikelsen för radie till 0,17, och Power-Law index för korrelationsfunktion till 3. Ange sedan den verkliga delen av brytningsindex till 1,8 och använda den imaginära delen av brytningsindex n som beskrivs i text protokollet.</li>
			<li>Därefter kör SIRIS4 genom att köra kommandot som visas här för varje våglängd från 0,4 till 2,5 mikrometer med ett storleksintervall på 10 till 200 mikrometer i diameter med ett provtagnings steg på 10 mikrometer.</li>
			<li>Nästa, spara varje Beräknad spridning fas matris P i en pmatrix_x. in fil.  X i filnamnet beskriver våglängdsnumret och sträcker sig från 1 till 43 för varje partikelstorlek. Filen kommer att innehålla spridningsvinklar samt spridning Matrix Elements p11, p12, p22, p33, p34, och p44 för en våglängd och partikelstorlek.</li>
		</ol>
</li>
		<li>
Genomsnittliga de erhållna spridningen matriser, Single-spridning albedos, och medelfria vägar över en makt-lag storleksfördelning med ett index på 3,2 19 , 24.<ol>
<li>Flytta pmatrix-filerna till mappar så att varje mapp representerar en partikelstorlek och innehåller de beräknade p-matriserna för alla våglängder. Namnge mapparna Fold1, Fold2,..., foldN, där N är antalet partikelstorlekar.</li>
			<li>Skriv spridning och utrotning effektivitetsvinster qSCA och qext, samt lika-projicerade-område-sfär radie värden rhit från outputq-filer till en fil, qscas. dat.</li>
			<li>Gå till mappen JoVEAverage som hämtades i steg 3.1.4.</li>
			<li>Flytta mapparna och Qscas. dat till samma mapp med Avgpowerlaw. m.</li>
			<li>Kör Avgpowerlaw. m i MATLAB. Koden beräknar genomsnittliga spridningen matriser, Single-spridning albedos, och medelvärdet fri-Path längder över en makt-lag storleksfördelning med index 3,2.</li>
		</ol>
</li>
		<li>
Computing det slutliga spektrumet av Vesta genom att utnyttja SIRIS4
		<ol>
<li>Använd diffusa diffusorer inuti en Vesta-sized volym med ett brytningsindex på 1. I input-filen, Använd den genomsnittliga enkelscattering albedo och medelvärdet fria vägen längder för interna scatterers.</li>
			<li>Kör sedan SIRIS4 vid varje våglängd genom att köra kommandot som visas här, där X är våglängden. Koden läser de genomsnittliga spridnings matriserna som indata för de interna diffusa scatterarna.</li>
			<li>Studera den absoluta reflektans i en 17,4-graders fasvinkel.</li>
			<li>Få Vestas observerade spektra på 17,4-graders fasvinkel från NASA planetens data system26.</li>
			<li>Skala Vestas observerade spektra till ett geometriskt albedo-värde på 0,42327 vid 0,55 μm27. För att komma till 17,4 grader, tillämpa en faktor på 0,491 på den skalade Spectra28. Jämför både modellerade och observerade spektra över hela våglängdsområdet.</li>
		</ol>
</li>
	</ol></li>
</ol>4. fotometrisk och polarimetrisk modellering av (4) Vesta
<ol><li>
Data spridningsegenskaper för volymelement som innehåller Voronoi-formade Howarditen-partiklar
	<ol>
<li>Anslut till CSC-IT Center for Science Ltd: s Cluster Taito via SSH-åtkomst.</li>
		<li>Flytta in i arbetskatalogen genom att köra CD-$WRKDIR.</li>
		<li>Hämta källfilerna (git Clone git@bitbucket.org: planetarysystemresearch/jvie_t_matrix. git).</li>
		<li>Kompilera genom att köra make i-mappen.</li>
		<li>Generera volymelement som innehåller Voronoi-formade Howarditen partiklar med hjälp av en MATLAB-kod voronoi_element. m. I voronoi_element m, ställa in våglängden till 0,45 μm, N_elems till 128, storlek parameter (elem_ka) till 10, Power-Law index till 3, minsta partikel radie till 0,143 μm, maximal partikel radie till 0,35 μm, packning densitet till 30%, och använda den härledda komplexa brytningsindex för howardite.</li>
		<li>Kör voronoi_element. m i MATLAB. Koden genererar 128 mesh-filer för volym-element med olika Voronoi-partikel genomföranden med hjälp av Power-Law storleksfördelning.</li>
		<li>Beräkna T-matriser för genererade volymelement med hjälp av jvie. I runarray_JVIE_T. sh, ange matris = 1-128. Den angivna är k = 13,962634, mesh = namnet på den genererade mesh i 4.1.6, T_out = namn på utdata T-Matrix, T_matrix = 1, och elem_ka = 10.</li>
		<li>Kör JVIE genom att köra sbatch runarray_JVIE_T. sh.</li>
		<li>Beräkna genomsnittliga spridningsegenskaper från T-matriserna som beräknats med jvie-koden. EXECUTE ./Multi_t-N_Tin 128 i samma mapp som de beräknade T-matriserna är. Koden skriver den genomsnittliga osammanhängande Mueller Matrix in i och tvärsnitt och albedo till output. txt.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
RT-CB-beräkningar
	<ol>
<li>Börja med att hämta källfilerna med git (git Clone git@bitbucket.org: planetarysystemresearch/protocol4b. git protocol4b) och flytta filerna till den hämtade katalogen protocol4b.</li>
		<li>Nästa, Ladda ner och sammanställa alla nödvändiga program genom att köra bash compile.sh.</li>
		<li>När du är klar kopierar du matrisen med genomsnittlig inmatnings spridning (steg 3.2.2.5) samt matrisen för amplitud (steg 4.1.9) till den aktuella arbetskatalogen.</li>
		<li>Nästa, öppna textredigeraren, nano, och ändra filen params att ställa in önskade parametrar.</li>
		<li>Kör pipelinen genom att köra bash Run.sh. Då, skriva den full Mueller matris in i Temp broschyren så rtcb. out.</li>
	</ol>
</li>
</ol>5. tolka observationerna för Comet 67P/Churyumov-Gerasimenko.
<ol><li>
Databehandling osammanhängande volymelement med snabb överlagring T-Matrix metod (fastmm) för organiska och partikel korn
	<ol>
<li>EXECUTE ./insamstämmient_input – lambda 0,649-m_r 2,0-m_i 0,2-täthet 0,3-lowB 0,075-upB 0,125-npower 3-S_out pmatrix_org. dat.</li>
		<li>EXECUTE ./insamstämmient_input – lambda 0,649-m_r 1,6-m_i 0,0001-täthet 0,0375-lowB 0,6-upB 1,3-npower 3-S_out pmatrix_sil. dat.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Computing den genomsnittliga osammanhängande Mueller Matrix (pmatrix.in), albedo (albedo), Mean Free Path (MFP), och sammanhängande effektiv brytningsindex (m_eff)
	<ol>
<li>Kör MATLAB. Skriv kommandon: Sorg = load (' pmatrix_org. dat '); SSIL = belastning (' pmatrix_sil. dat '); S = (sorg + SSIL)/2; Save (' pmatrix. in ', ' s ', '-ASCII '); Csca = (Csca_sil + Csca_org)/2; Cext = (Cext_sil + Cext_org)/2; albedo = Csca/Cext; MFP = Vol/Cext; där Csca_org och Cext_org är osammanhängande spridning och utrotning tvärsnitt från steg 5.1.2, och Csca_sil och Cext_sil är osammanhängande spridning och utrotning tvärsnitt från steg 5.1.3.</li>
		<li>Run ./m_eff (Csca, r) på kommandoraden för att hämta m_eff där är radien för volym elementet.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Beräkning av spridningsegenskaper för koma-partiklarna.<ol>
<li>Ställ in värdena från steg 5.2.1 och 5.2.2 (t. ex. albedo, MFP, m_eff i input.in -filen).</li>
		<li>Ange Power-Law index för korrelations längd till 3,5 i filen input.in .</li>
		<li>Kör SIRIS4 solver (./siris4 input.in pmatrix.in) för partikelstorlekar från 5 μm till 100 μm med ett steg på 5.</li>
		<li>Output koma fas funktioner från SIRIS4 Solver.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Beräkning av Nucleus-kärnans spridningsegenskaper
	<ol>
<li>Börja i MATLAB och kör medelvärdes rutinen powerlaw_ave. m för att Genomsnittligt resultaten över Power-Law storleksfördelning av index-3 efter att ha beräknat koma fas funktioner (steg 5.3.4) från SIRIS4 Solver. De förväntade rutin utgångarna är pmatrix2.in, albedo och den genomsnittliga fria sökvägen.</li>
		<li>Därefter anger du resultaten från utdata, albedo och den genomsnittliga fria sökvägen, i filen input.in .</li>
		<li>Ange storleken till 1 000 000 000 och Power-Law-indexet för korrelationsfunktionen för formen till 2,5. Kör sedan SIRIS4 med hjälp av kommandoraden som visas här för att erhålla Nucleus Phase-funktionen.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol>
	<li>Gehrels, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photometric+studies+of+asteroids.+V.+The+light-curve+and+phase+function+of+20+Massalia.">Photometric studies of asteroids. V. The light-curve and phase function of 20 Massalia.</a> Astrophysical Journal. 123, 331-338 (1956).</li><li>Barabashev, N. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Astronomische Nachrichten. 217, 445 (1922).</li><li>Lyot, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recherches+sur+la+polarisation+de+la+lumiere+des+planetes+et+de+quelques+substances+terrestres.">Recherches sur la polarisation de la lumiere des planetes et de quelques substances terrestres.</a> Annales de l&#8217;Observatoire de Paris. 8 (1), 1-161 (1956).</li><li>Shkuratov, Y. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Diffractional+model+of+the+brightness+surge+of+complex+structures.">Diffractional model of the brightness surge of complex structures.</a> Kinematika i fizika nebesnyh tel. 4, 60-66 (1988).</li><li>Shkuratov, Y. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+new+mechanism+of+the+negative+polarization+of+light+scattered+by+the+surfaces+of+atmosphereless+celestial+bodies.">A new mechanism of the negative polarization of light scattered by the surfaces of atmosphereless celestial bodies.</a> Astronomicheskii vestnik .23. , 176-180 (1989).</li><li>Muinonen, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electromagnetic+scattering+by+two+interacting+dipoles.">Electromagnetic scattering by two interacting dipoles.</a> Proceedings of the 1989 URSI Electromagnetic Theory Symposium. , 428-430 (1989).</li><li>Muinonen, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Light Scattering by Inhomogeneous Media: Backward Enhancement and Reversal of Polarization. , (1990).</li><li>Muinonen, K., Mishchenko, M. I., Dlugach, J. M., Zubko, E., Penttil&#228;, A., Videen, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coherent+backscattering+numerically+verified+for+a+finite+volume+of+spherical+particles.">Coherent backscattering numerically verified for a finite volume of spherical particles.</a> Astrophysical Journal. 760, 118-128 (2012).</li><li>Muinonen, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coherent+backscattering+of+light+by+complex+random+media+of+spherical+scatterers:+Numerical+solution.">Coherent backscattering of light by complex random media of spherical scatterers: Numerical solution.</a> Waves in Random Media. 14, 365-388 (2004).</li><li>Mu&#241;oz, O., Volten, H., de Haan, J. F., Vassen, W., Hovenier, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+determination+of+scattering+matrices+of+olivine+and+Allende+meteorite+particles.">Experimental determination of scattering matrices of olivine and Allende meteorite particles.</a> Astronomy &amp; Astrophysics. 360, 777-788 (2000).</li><li>Sasse, C., Muinonen, K., Piironen, J., Dr&#246;se, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Albedo+measurements+on+single+particles.">Albedo measurements on single particles.</a> Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 55, 673-681 (1996).</li><li>Gong, Z., Pan, Y. -. L., Videen, G., Wang, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+trapping+and+manipulation+of+single+particles+in+air:+Principles,+technical+details,+and+applications.">Optical trapping and manipulation of single particles in air: Principles, technical details, and applications.</a> Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 214, 94-119 (2018).</li><li>Nieminen, T. A., du Preez-Wilkinson, N., Stilgoe, A. B., Loke, V. L. Y., Bui, A. A. M., Rubinsztein-Dunlop, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+tweezers:+Theory+and+modelling.">Optical tweezers: Theory and modelling.</a> Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 146, 59-80 (2014).</li><li>Herranen, J., Markkanen, J., Muinonen, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamics+of+interstellar+dust+particles+in+electromagnetic+radiation+fields:+A+numerical+solution.">Dynamics of interstellar dust particles in electromagnetic radiation fields: A numerical solution.</a> Radio Science. 52 (8), 1016-1029 (2017).</li><li>Maconi, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Non-destructive+controlled+single-particle+light+scattering+measurement.">Non-destructive controlled single-particle light scattering measurement.</a> Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 204, 159-164 (2018).</li><li>Muinonen, K., Markkanen, J., V&#228;is&#228;nen, T., Peltoniemi, J., Penttil&#228;, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multiple+scattering+of+light+in+discrete+random+media+using+incoherent+interactions.">Multiple scattering of light in discrete random media using incoherent interactions.</a> Optics Letters. 43, 683-686 (2018).</li><li>Markkanen, J., V&#228;is&#228;nen, T., Penttil&#228;, A., Muinonen, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scattering+and+absorption+in+dense+discrete+random+media+of+irregular+particles.">Scattering and absorption in dense discrete random media of irregular particles.</a> Optics Letters. 43, 2925-2928 (2018).</li><li>V&#228;is&#228;nen, T., Markkanen, J., Penttil&#228;, A., Muinonen, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Radiative+transfer+with+reciprocal+transactions:+Numerical+method+and+its+implementation.">Radiative transfer with reciprocal transactions: Numerical method and its implementation.</a> Public Library of Science One (PLoS One). 14, e0210155 (2019).</li><li>Martikainen, J., Penttil&#228;, A., Gritsevich, M., Videen, G., Muinonen, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Absolute+spectral+modelling+of+asteroid+(4).">Absolute spectral modelling of asteroid (4).</a> Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 483, 1952-1956 (2019).</li><li>Markkanen, J., Agarwal, J., V&#228;is&#228;nen, T., Penttil&#228;, A., Muinonen, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interpretation+of+phase+functions+of+the+comet+67P/Churyumov-Gerasimenko+measured+by+the+OSIRIS+instrument.">Interpretation of phase functions of the comet 67P/Churyumov-Gerasimenko measured by the OSIRIS instrument.</a> Astrophysical Journal Letters. 868 (1), L16 (2018).</li><li>Markkanen, J., Yuffa, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fast+superposition+T-matrix+solution+for+clusters+with+arbitrarily-shaped+constituent+particles.">Fast superposition T-matrix solution for clusters with arbitrarily-shaped constituent particles.</a> Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 189, 181-188 (2017).</li><li>Markkanen, J., Yl&#228;-Oijala, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Numerical+Comparison+of+Spectral+Properties+of+Volume-Integral-Equation+Formulations.">Numerical Comparison of Spectral Properties of Volume-Integral-Equation Formulations.</a> Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 178, 269-275 (2016).</li><li>Lindqvist, H., Martikainen, J., R&#228;bin&#228;, J., Penttil&#228;, A., Muinonen, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ray+optics+for+absorbing+particles+with+application+to+ice+crystals+at+near-infrared+wavelengths.">Ray optics for absorbing particles with application to ice crystals at near-infrared wavelengths.</a> Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 217, 329-337 (2018).</li><li>Martikainen, J., Penttil&#228;, A., Gritsevich, M., Lindqvist, H., Muinonen, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spectral+modeling+of+meteorites+at+UV-vis-NIR+wavelengths.">Spectral modeling of meteorites at UV-vis-NIR wavelengths.</a> Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 204, 144-151 (2018).</li><li>Gor'kov, L. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+forces+acting+on+a+small+particle+in+an+acoustical+field+in+an+ideal+fluid.">On the forces acting on a small particle in an acoustical field in an ideal fluid.</a> Soviet Physics Doklady. 6, (1962).</li><li>Reddy, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Vesta+Rotationally+Resolved+Near-Infrared+Spectra+V1.0.+EAR-A-I0046-3-REDDYVESTA-V1.0.">Vesta Rotationally Resolved Near-Infrared Spectra V1.0. EAR-A-I0046-3-REDDYVESTA-V1.0.</a> NASA Planetary Data System. , (2011).</li><li>Tedesco, E. F., Noah, P. V., Noah, M., Price, S. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=IRAS+Minor+Planet+Survey.+IRAS-A-FPA-3-RDR-IMPS-V6.0.">IRAS Minor Planet Survey. IRAS-A-FPA-3-RDR-IMPS-V6.0.</a> NASA Planetary Data System. , (2004).</li><li>Hicks, M. D., Buratti, B. J., Lawrence, K. J., Hillier, J., Li, J. -. Y., Vishnu Reddy, V., Schr&#246;der, S., Nathues, A., Hoffmann, M., Le Corre, L., Duffard, R., Zhao, H. -. B., Raymond, C., Russell, C., Roatsch, T., Jaumann, R., Rhoades, H., Mayes, D., Barajas, T., Truong, T. -. T., Foster, J., McAuley, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spectral+diversity+and+photometric+behavior+of+main-belt+and+near-Earth+vestoids+and+(4)+Vesta:+A+study+in+preparation+for+the+Dawn+encounter.">Spectral diversity and photometric behavior of main-belt and near-Earth vestoids and (4) Vesta: A study in preparation for the Dawn encounter.</a> Icarus. 235, 60-74 (2014).</li><li>Weidling, R., G&#252;ttler, C., Blum, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Free+collisions+in+a+micro-gravity+many-particle+experiment.+I.+Dust+aggregate+sticking+at+low+velocities.">Free collisions in a micro-gravity many-particle experiment. I. Dust aggregate sticking at low velocities.</a> Icarus. 218, 688-700 (2012).</li><li>Blum, J., Beitz, E., Bukhari, M., Gundlach, B., Hagemann, J. -. H., Hei&#223;elmann, D., Kothe, S., Schr&#228;pler, R., von Borstel, I., Weidling, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Laboratory+drop+towers+for+the+experimental+simulation+of+dust-aggregate+collisions+in+the+early+solar+system.">Laboratory drop towers for the experimental simulation of dust-aggregate collisions in the early solar system.</a> Journal of Visualized Experiments (JoVE). (88), e51541 (2014).</li><li>Poppe, T., Schr&#228;pler, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Further+experiments+on+collisional+tribocharging+of+cosmic+grains.">Further experiments on collisional tribocharging of cosmic grains.</a> Astronomy &amp; Astrophysics. 438, 1-9 (2005).</li><li>Reddy, V., Sanchez, J. A., Nathues, A., Moskovitz, N. A., Li, J. -. Y., Cloutis, E. A., Archer, K., Tucker, R. A., Gaffey, M. J., Mann, J. P., Sierks, H., Schade, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photometric+spectral+phase+and+temperature+effects+on+Vesta+and+HED+meteorites:+Implications+for+Dawn+mission.">Photometric spectral phase and temperature effects on Vesta and HED meteorites: Implications for Dawn mission.</a> Icarus. 217, 153-168 (2012).</li><li>Gehrels, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Minor+planets.+I.+The+rotation+of+Vesta.+Photometric+studies+of+asteroids.">Minor planets. I. The rotation of Vesta. Photometric studies of asteroids.</a> Astronomical Journal. 72, 929-938 (1967).</li><li>Bertini, I., La Forgia, F., Tubiana, C., G&#252;ttler, C., Fulle, M., Moreno, F., Frattin, E., Kovacs, G., Pajola, M., Sierks, H., Barbieri, C., Lamy, P., Rodrigo, R., Koschny, D., Rickman, H., Keller, H. U., Agarwal, J., A&#39;Hearn, M. F., Barucci, M. A., Bertaux, J. -. L., Bodewits, D., Cremonese, G., Da Deppo, V., Davidsson, B., Debei, S., De Cecco, M., Drolshagen, E., Ferrari, S., Ferri, F., Fornasier, S., Gicquel, A., Groussin, O., Gutierrez, P. J., Hasselmann, P. H., Hviid, S. F., Ip, W. -. H., Jorda, L., Knollenberg, J., Kramm, J. R., K&#252;hrt, E., K&#252;ppers, M., Lara, L. M., Lazzarin, M., Lin, Z. -. Y., Lopez Moreno, J. J., Lucchetti, A., Marzari, F., Massironi, M., Mottola, S., Naletto, G., Oklay, N., Ott, T., Penasa, L., Thomas, N., Vincent, J. -. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+scattering+phase+function+of+comet+67P/Churyumov-Gerasimenko+coma+as+seen+from+the+Rosetta/OSIRIS+instrument.">The scattering phase function of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko coma as seen from the Rosetta/OSIRIS instrument.</a> Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 469, 404-415 (2017).</li></ol>

Författarna har inget att avslöja.

Experimentella, teoretiska och beräkningsmässiga metoder har presenterats för ljusspridning genom diskreta slumpmässiga medier av partiklar. De experimentella metoderna har utnyttjats för att validera de grundläggande koncepten i teoretiska och beräkningsmässiga metoder. De senare metoderna har sedan tillämpats framgångsrikt i tolkningen av astronomiska observationer av Asteroiden (4) Vesta och Comet 67P/Churyumov-Gerasimenko.
Den experimentella scatterometern förlitar sig på ultraljud kontrollerade provet levitation som gör det möjligt för Mueller-Matrix mätningar för ett prov aggregat i önskad orientering. Aggregatet kan vid upprepade tillfällen utnyttjas i mätningarna, eftersom det är möjligt att bevara aggregatet efter varje Mät uppsättning. Detta är första gången som sådana beröringsfria, oförstörande spridnings mätningar utförs på ett prov under full kontroll.
De teoretiska och beräkningsmässiga metoderna förlitar sig på de så kallade osammanhängande spridnings-, absorptions-och utrotnings processerna i slumpmässiga medier. Medan den exakta elektromagnetiska interaktioner uppstår alltid sammanhängande, inom ett oändligt slumpmässigt medium efter konfigurational medelvärdes, endast osammanhängande interaktioner kvar bland volymelement av partiklar. I det nuvarande arbetet, de osammanhängande samspelet mellan dessa element är exakt redovisas med hjälp av Maxwell ekvationer: efter subtrahera sammanhängande fält från fälten i fritt utrymme, är det osammanhängande områden inom det slumpmässiga medium som återstår. Behandlingen har för närvarande vidtagits för att dess fullständiga noggrannhet i att samspelet, liksom utrotning, spridning och Absorptionskoefficienter av mediet, härleds inom ramen för osammanhängande interaktioner. Dessutom har det visats att redovisning av de sammanhängande fält effekterna på gränssnittet mellan det fria utrymmet och det slumpmässiga mediet resulterar i en lyckad total behandling för ett begränsat slumpmässigt medium.
Tillämpningen av de teoretiska och beräkningsmässiga metoderna har illustrerats för experimentella mätningar av ett sfäriskt prov aggregat i mm-skala som består av sfäriska SiO2 -partiklar av submicron skala. Ansökan visar entydigt att provmängden måste bestå av en fördelning av partiklar med varierande storlek, i stället för att bestå av stora sfäriska partiklar. Det kan finnas långtgående konsekvenser av detta resultat för karakterisering av slumpmässiga medier: det är rimligt att medierna är betydligt mer komplexa än vad som har utläsas tidigare med hjälp av State-of-the-art karakteriseringsmetoder.
Den synoptiska tolkningen av spektrumet för asteroid (4) Vesta över de synliga och nära infraröda våglängderna samt Vestas fotometriska och polarimetriska fas kurvor vid våglängden på 0,45 μm visar att det är praktiskt att använda de numeriska metoderna i att begränsa mineraliska kompositioner, partikel storleks fördelningar, samt regolithen volym täthet från avlägsna astronomiska observationer. Sådana hämtningar förstärks ytterligare genom samtidig tolkning av de fotometriska fas kurvorna för kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko angående dess koma och kärna. Slutligen har realistisk modellering av den polarimetriska fas kurvan 67P erhållits20. Det finns stora framtidsutsikter att tillämpa de nuvarande metoderna i tolkningen av observationer av solsystem objekt i stort.
Det finns framtidsutsikter för det nuvarande kombinerade experimentella och teoretiska angreppssättet. Eftersom det är oerhört svårt att exakt karakterisera slumpmässiga medier som består av sub-våglängdsskala inhomogeneities, kontrollerade Mueller-Matrix mätningar kan erbjuda ett verktyg för att hämta information om volym täthet och partikelstorleksfördelning i mediet. Kvantitativ inversion av dessa fysikaliska parametrar underlättas av de nya numeriska metoderna.

Asteroider, kometkärnor och airless solsystem objekt i stort täcks av planetariska regoliths, lösa lager av partiklar av varierande storlek, form och sammansättning. För dessa objekt observeras två allestädiga astronomiska fenomen vid små sol fasvinklar (sol-Object-observatör vinkel). För det första observeras ljusstyrkan hos det spridda ljuset i den astronomiska magnitudskalan för att öka nonlinearly mot nollfasvinkeln, vanligen kallad oppositions effekten1,2. För det andra är det spridda ljuset delvis linjärt polariserat parallellt med spridningen planet (Sun-Object-observatör planet), vanligen kallad negativ polarisering3. Fenomenen har saknat kvantitativ tolkning sedan slutet av 19: e århundradet för oppositionen effekt och sedan början av 20: e århundradet för den negativa polarisering. Deras korrekta tolkning är en förutsättning för kvantitativ tolkning av de fotometriska, polarimetriska och spektrometriska observationerna av lufttlösa föremål, samt radar spridning från deras ytor.
Det har föreslagits4,5,6,7 att den sammanhängande BackScattering mekanismen (CBM) i flera spridning är åtminstone delvis ansvarig för den astronomiska fenomen. I CBM, partiella vågor, interagerar med samma diffusorer i motsatt ordning, alltid störa konstruktivt i den exakta BackScattering riktning. Detta beror på de sammanbrott optiska banor av de ömsesidiga vågorna. I andra riktningar varierar störningarna från destruktiva till konstruktiva. Konfigurational genomsnitt inom ett diskret slumpmässigt medium av partiklar resulterar i förbättrad BackScattering. Som för den linjära polarizationen, CBM är selektiv och resulterar i negationpolarization i fallet av positivt polarisera singelscatterers, ett allmänningkännetecken i singelspridning (CF. Rayleigh spridning, Fresnel reflexion).
Spridning och absorption av elektromagnetiska vågor (ljus) i ett makroskopiskt slumpmässigt medium av mikroskopiska partiklar har utgjort ett öppet beräkningsproblem i planeternas astrofysik8,9. Som illustreras ovan har detta resulterat i avsaknad av kvantitativa inversa metoder för att tolka markbaserade och rymdbaserade observationer av solsystem objekt. I det nuvarande manuskriptet presenteras nya metoder för att överbrygga klyftan mellan observationerna och deras modellering.
Experimentella mätningar av spridning av ett litet partikelprov i kontrollerad position och orientering (sex frihetsgrader) har varit öppen. Spridningsegenskaper för enstaka partiklar har tidigare mätts som Ensemble medelvärden över storlek, form och orientering fördelning10 genom att införa ett partikel flöde genom Mät volymen. Spridningsegenskaper för enstaka partiklar i levitation har utförts med exempelvis elektrodynamisk levitation11 och optisk pincett12,13,14. I detta manuskript, en ny experimentell metod baserad på ultraljud levitation med full kontroll över provet position och orientering erbjuds15.
Detta manuskript sammanfattar resultaten av ett projekt som finansierades under fem år 2013-2018 av Europeiska forskningsrådet (ERC): spridning och absorption av elektromagnetiska vågor i partikel medier (SAEMPL, ERC Advanced Grant). Saempl lyckades uppfylla sina tre huvudmål: först, nya numeriska Monte Carlo metoder härleddes för flera spridning av diskreta slumpmässiga medier av tätt packade partiklar16,17,18; för det andra utvecklades och konstruerades nya experimentella instrument för kontrollerade laboratoriemätningar av validerings prov i levitation15; för det tredje tillämpades de numeriska och experimentella metoderna för att tolka astronomiska observationer19,20.
I det följande beskrivs i detalj protokoll för användning av den experimentella spridnings ledningen för mätningar, motsvarande beräkningspipeline samt tillämpningspipelines. Den Computational pipelinen består av programvara för asymptotiskt avkräver uträkningar i fallet av finite system av partiklar (superposition T-matrismetod stmm21 och volymintegralekvationmetod viem22) och ungefärligt beräkningar för asymptotiskt oändliga diskreta slumpmässiga medier av partiklar med hjälp av flera spridningsmetoder (Siris23,24, radiative överföring med sammanhängande BackScattering RT-CB8,9, och Överföring med ömsesidiga transaktioner R2T216,17,18). Den experimentella pipeline omfattar beredning, lagring och utnyttjande av proverna, deras levitation i Mät volymen, och utföra den faktiska spridnings mätning över intervallet av spridningsvinklar med varierande polarisator Konfigurationer. Tillämpningspipelinen gäller utnyttjandet av de beräkningsspecifika och experimentella rörledningarna för att tolka astronomiska observationer eller experimentella mätningar.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>10GL08</td>
			<td>Newport</td>
			<td></td>
			<td>Calcite polarizer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>12X Zoom Body Tube 1-50487AD</td>
			<td>Navitar</td>
			<td></td>
			<td>Microscope objective</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>43-412-000</td>
			<td>Edmund optics</td>
			<td></td>
			<td>Optical flat</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>8MPR16-1</td>
			<td>Standa</td>
			<td></td>
			<td>Motorized Polarizer Rotator</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>8MRB240-152-59D</td>
			<td>Standa</td>
			<td></td>
			<td>Rotation stage</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>8SMC5-ETHERNET</td>
			<td>Standa</td>
			<td></td>
			<td>Motor controller</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Digi-pas DWL3500XY</td>
			<td>Digi-pas</td>
			<td></td>
			<td>Digital 2-axis level</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DMT 65-D25-HiDS</td>
			<td>Owis</td>
			<td></td>
			<td>Optics rotation stage</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EQ-99 LDLS</td>
			<td>Energetiq</td>
			<td></td>
			<td>Light source</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FL488-10</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td></td>
			<td>Laser line filter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>IBM 65-D0-35-HiDS</td>
			<td>Owis</td>
			<td></td>
			<td>Motorized iris shutter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LPVISE100-A</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td></td>
			<td>Film polarizer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>microPMT H12403-01</td>
			<td>Hamamatsu</td>
			<td></td>
			<td>Photomultiplier tube</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NI PXIe-5171R</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td></td>
			<td>Digital oscilloscope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NI PXIe-8880</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td></td>
			<td>PXIe chassis</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Phantom v611</td>
			<td>Vision Research</td>
			<td></td>
			<td>High speed camera</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PS 10-32-DC</td>
			<td>Owis</td>
			<td></td>
			<td>Motor controller</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>RC08FC-P01</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td></td>
			<td>Fiber collimator</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SET-NDF-D22-G25</td>
			<td>Owis</td>
			<td></td>
			<td>Neutral density filter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TIA60</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td></td>
			<td>PMT amplifier</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

scattering and absorption of light in planetary regoliths

Teoretiska, numeriska och experimentella metoder presenteras för multipel spridning av ljus i makroskopiska diskreta slumpmässiga medier av tätt packade mikroskopiska partiklar. De teoretiska och numeriska metoderna utgör en ram för strålnings överföring med ömsesidiga transaktioner (R2T2). R2T2 -ramverket innebär Monte Carlo-spårning av interaktioner i frekvensområdet, förutsatt att de grundläggande spridnings-och absorbenter är våg längds skala volymelement består av ett stort antal slumpmässigt distribuerade partiklar. De diskreta slumpmässiga medierna är fullpackade med volym elementen. För sfäriska och icke-sfäriska partiklar beräknas interaktionen inom volym elementen exakt med hjälp av superpositionen T-Matrix-metoden (stmm) och Volymintegralekvations metoden (viem). För båda partikel typerna beräknas samspelet mellan olika volymelement exakt med STMM. Som spårningen sker inom diskreta slumpmässiga medier, osammanhängande elektromagnetiska fält utnyttjas, det vill, det sammanhängande området för volym elementen tas bort från samspelet. De experimentella metoderna bygger på akustisk levitation av proverna för beröringsfria, oförstörande spridnings mätningar. Levitation innebär full ultraljud kontroll av provet position och orientering, det vill, sex frihetsgrader. Ljuskällan är en laserstyrd vit ljuskälla med en monokromator och polarisator. Detektorn är ett mini-Photomultiplier-rör på ett roterande hjul, utrustat med polarisatorer. R2T2 valideras med hjälp av mätningar för ett sfäriskt prov av tätpackade sfäriska kvartspartiklar i mm-skala. Efter validering tillämpas metoderna för att tolka astronomiska observationer för asteroid (4) Vesta och Comet 67P/Churyumov-Gerasimenko (figur 1) nyligen BESÖKT av NASA Dawn mission och ESA Rosetta mission, respektive.

Watch this Scientific Journal Video about Scattering And Absorption of Light in Planetary Regoliths at JoVE.com

Scattering And Absorption of Light in Planetary Regoliths

Numeriska och experimentella metoder presenteras för multipel spridning av ljus i diskreta slumpmässiga medier av tätt packade partiklar. Metoderna används för att tolka observationer av Asteroiden (4) Vesta och Comet 67P/Churyumov-Gerasimenko.

Spridning och absorption av ljus i planetariska Regoliths

Theoretical, numerical, and experimental methods are presented for multiple scattering of light in macroscopic discrete random media of densely-packed ...

Metoderna i detta protokoll kan hjälpa till att lösa det öppna beräkningsproblemet med ljusspridning av planetariska regoliter, tätt packade lager av partiklar på ytorna av asteroider som går igenom kärnor och andra solsystemobjekt. För att validera beräkningarna introducerar vi unika icke-kontaktfria och icke-förstörande mätningar baserade på ultraljudsprov levitation. Vi har full kontroll på provposition och orientering.Här tillämpar vi validerade beräkningsmetoder för att tolka observationer av asteroid 4 Vesta och 67P/Churyumov-Gerasimenko. De beräkningsmässiga och experimentella metoderna är universella och kan tillämpas till exempel inom markbunden fjärranalys, materialvetenskaper i nanoskala och biomedicinsk optik. Utnyttja dessa metoder kräver tålamod.Ansträngningen lönar sig dock på grund av resultatets absoluta och kvantitativa karaktär. Visuell demonstration av metoderna är kritisk. Den experimentella delen som visas i denna video kombinerar toppmoderna tekniker i både optik och akustik.Att demonstrera förfarandet kommer att vara Dr.Antti Penttila, Ms.Julia Martikainen, Mr.Petteri Helander, Mr.Goran Maconi, och Mr.Timo Vaisanen. Till att börja med ställa in scatterometer genom att slå på ljuskällan, foto multiplikatorrör och förstärkare. Låt systemet stabiliseras i 30 minuter.Därefter ställer du in den akustiska prov levitator genom att sätta in mikrofonen i mitten av levitator och kör kalibreringsskriptet. Gör sedan ett mätningssvep med en tom levitator. Svepet avslöjar eventuella signaler som genereras av omgivande ljus, reflektioner från omgivningen eller elektriska ljud.När du väl har konfigurerat, använd en akustiskt genomskinlig nätsked för att injicera provet i den akustiska levitatorn. Med hjälp av en videokamera och hög förstoringsoptik inspekterar du orienteringen och provets stabilitet före och efter spridningsmätningarna. Den akustiska fällans styrka och assymetri är optimerade för maximal provstabilitet.Följaktligen ställs den akustiska kraften så lågt som möjligt. Om provet är asymmetriskt roterar du det runt den vertikala axeln för att få information om dess form. Utför rotationen genom att långsamt ändra inriktningen på den akustiska fällan.Medan bildbehandling, tillämpa ytterligare belysning för att förbättra bildkvaliteten. Därefter stänger du mätkammaren för att blockera ut externt ljus. Med hjälp av datorgränssnittet väljer du orienteringen för provet samt vinkelupplösning och mätområde.Den inkommande och det spridda ljuset filtreras av linjära polarisationsfilter som är motoriserade. Kör det automatiserade mätsvepet. Detta kommer att mäta fyra punkter för varje vinkel med polarizer orienteringar av horisontell-horisontell, horisontell-vertikal, vertikal-vertikal, och vertikal-horisontell.Återvinn provet efter mätningen genom att stänga av det akustiska fältet och låta provet falla på det akustiskt genomskinliga tyget. Utför sedan en annan mätning svep med en tom levitator för att upptäcka eventuella drivande på grund av de omgivande ljusförhållanden. När du är klar sparar du data.Analysera data för att beräkna Mueller-matriselement för varje vinkel genom linjär kombination av intensiteter vid olika polarisationer. För att börja modellering, använd SSH-åtkomst för att ansluta till CSC IT Center för vetenskap begränsad kluster Taito. Ladda ner och kompilera alla de program som krävs som är förkonfigurerade för Taito genom att köra bash compile.sh.Därefter öppnar textredigeraren Nano och ställer in parametrarna för en enda scatterer, volymelement och det studerade provet så att det matchar det studerade provet genom att modifiera filen PARAMS. Kör sedan pipelinen genom att exekvera kommando bash run.sh. När du är klar, skriv hela Mueller matris av provet i mappen temp som final.out.Utnyttja Siris4 för att beräkna spridningsegenskaperna hos howarditpartiklar genom att först flytta Siris4 körbar fil i samma mapp med indatafilen och P-matrisfilen. Kopiera sedan input_1. i och pmatrix_1.in från testmappen. I input_1. i, ställa in antalet strålar till två miljoner, antalet provpartiklar till 1, 000, standardavvikelsen för radien till 0,17, och effekt lag index för korrelationsfunktionen till tre.Ställ sedan in den verkliga delen av brytningsindex till 1,8 och använd den imaginära delen av brytningsindex n enligt beskrivningen i textprotokollet. Därefter kör Siris4 genom att utföra kommandot som visas här för varje våglängd från 0,4 till 2,5 mikrometer med hjälp av ett storleksintervall på 10 till 200 mikrometer i diameter med ett provtagningssteg på 10 mikrometer. Därefter sparar du varje beräknad spridningsfasmatris p i en pmatrix_x.i fil. X i filnamnet beskriver våglängdstalet och sträcker sig från en till 43 för varje partikelstorlek. Filen kommer att innehålla spridningsvinklarna samt spridningsmatriselementen P11, P12, P22, P33, P34 och P44 för en våglängd och partikelstorlek.Genomsnitt erhållna spridning matriser, enda spridning Albedos, och menar fria vägar över en makt lag storlek distribution med ett index på 3,2. Använd diffusa scatterers inuti en Vesta-storlek volym med ett brytningsindex på en. I indatafilen använder du den genomsnittliga singelspridningsAlbedos och betyder fria sökvägslängder för interna scatterers.Kör därefter Siris4 vid varje våglängd genom att utföra kommandot som visas här där x är våglängden. Koden läser de medelvärdet spridning matriser som sin ingång för den inre diffusa scatterers. Skala Vestas observerade spektra till ett geometriskt Albedovärde på 0,42327 vid 0,55 mikrometer.För att komma till 17,4 grader, applicera en faktor 0,491 på det skalade spektra. Jämför både de modellerade och de observerade spektra över hela våglängdsområdet. Börja med att hämta källfilerna med Git och flytta filerna till den nedladdade katalogen cd protocol4b.Därefter hämtar och kompilerar alla de program som krävs genom att köra bash compile.sh. När du är klar, kopiera medelvärdet inmatningsspridning matris samt amplituden spridning matris i den nuvarande arbetskatalogen. Därefter öppnar textredigeraren Nano och modifierar filen PARAMS för att ställa in önskade parametrar.Kör pipelinen genom att exekvera run.sh. Skriv sedan hela Mueller matrisen i temp mappen som rtcb.out. Börja i MATLAB och kör den genomsnittliga rutinen powerlaw_ave.m till genomsnitt resultaten över drivalagen storleksanpassa fördelning av index minus tre, efter att beräkna komaen arrangerar gradvis fungerar från Siris4-lösaren. De förväntade rutinutgångarna är pmatrix2. in, Albedo och den genomsnittliga fria vägen.Därefter ställer du in resultaten från utgångarna Albedo och medelfri väg in i indata. i fil. Ställ in storleken på en miljard och ställ in effektlagsindexet för korrelationsfunktionen för formen till 2,5.Kör sedan Siris4 med hjälp av kommandoraden som visas här för att erhålla funktionen för kärnanfas. Med Siris4 löstes och snittade spridningsegenskaperna på 100 000 aggregat. Dessa resultat ritas här som visar de experimentella mätningarna och en ytterligare simulering utan det effektiva mediet.Båda valen för partikelfördelningen producerade en match till den uppmätta fasen funktion även om de resulterar i olika polarisationsegenskaper. Dessa skillnader kan användas för att identifiera den underliggande fördelningen av partiklarna i provet. Det bästa valet är att använda den avkortade normalfördelningen istället för de hästsized partiklarna.Om endast normaliserade fasfunktioner används ger de två distributionerna omöjliga att skilja resultat. För depolariseringen har de numeriska resultaten funktioner som liknar den uppmätta kurvan men funktionerna förskjuts med 10 grader till bakåtskrit riktning. Skillnaderna i polariseringen tyder på att provet förmodligen har en mer komplex struktur än den homogena modellen.Det är emellertid det okända som de existerande mikroskopiska metoderna för tar prov karakterisering för att hämta det riktigt strukturerar av aggregatet. Här har den fotometriska faskurvan åtföljts av det linjära beroendet av magnituden som härmar effekten av skuggning i en tätt packad hög Albedo regolith. Modellen förklarar framgångsrikt de observerade fotometriska och polarimetriska faskurvorna och erbjuder en realistisk förutsägelse för den maximala polariseringen.Det är slående hur minutfraktionen av den lilla partikelpopulationen klarar av att slutföra förklaringen av faskurvorna. När du utför detta experiment, ultraljud prov levitation är nyckeln till framgångsrika spridning mätningar. I beräkningsdelen är den osammanhängande behandlingen av spridning inom partiklarnas medium väsentlig.I framtiden planerar vi att utöka försöksmetoderna till att omfatta både större och mindre prover som når in i centimeter- och mikrometerskalor. Vi utvecklar för närvarande sätt att utnyttja full ultraljud provkontroll i mikroskop. Vidta lämpliga försiktighetsåtgärder när du utför detta protokoll som kraftfulla ultraljud och ljuskällor utnyttjas i dessa mätningar.

Research

JoVE Journal

Engineering

Measuring Spatially- and Directionally-varying Light Scattering from Biological Material

Mätning rumsligt och Riktnings-varierande ljusspridning från biologiskt material

Light interacts with an organism's integument on a variety of spatial scales. For example in an iridescent bird: nano-scale structures produce color; the ...

Simulation of the Planetary Interior Differentiation Processes in the Laboratory

Simulering av Planet Inredning differentieringsprocesser i laboratoriet

A planetary interior is under high-pressure and high-temperature conditions and it has a layered structure. There are two important processes that led to ...

Real-Time DC-dynamic Biasing Method for Switching Time Improvement in Severely Underdamped Fringing-field Electrostatic MEMS Actuators

Real-Time DC-dynamiska Polarisering Metod för Växlingstid Förbättring Svårt underdämpat Frans-fält Elektro MEMS ställdon

Mechanically underdamped electrostatic fringing-field MEMS actuators are well known for their fast switching operation in response to a unit step input ...

Measurement of Scattering Nonlinearities from a Single Plasmonic Nanoparticle

Mätning av Spridnings olinjäriteter från en enda plasmoniska nanopartiklar

Plasmonics, which are based on the collective oscillation of electrons due to light excitation, involve strongly enhanced local electric fields and thus ...

Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization

Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization

Tryckning Tillverkning av Bulk hetero solceller och<em&gt; In Situ</em&gt; Morfologi Karakterisering

Polymer-based materials hold promise as low-cost, flexible efficient photovoltaic devices. Most laboratory efforts to achieve high performance devices ...

Free-form Light Actuators &#8212; Fabrication and Control of Actuation in Microscopic Scale

Free-form Light Actuators ÃƒÂ¢Ã¢â€šÂ¬Ã¢â‚¬Â Fabrication and Control of Actuation in Microscopic Scale

Fritt formulerade Ljus Ställdon - Fabrication och kontroll av aktivering i mikroskopisk skala

Liquid crystalline elastomers (LCEs) are smart materials capable of reversible shape-change in response to external stimuli, and have attracted ...

Stimulated Stokes and Antistokes Raman Scattering in Microspherical Whispering Gallery Mode Resonators

Stimulerad Stokes och Antistokes Raman Scattering i mikrosfäriska Whispering Gallery läge resonatorer

Dielectric microspheres can confine light and sound for a length of time through high quality factor whispering gallery modes (WGM). Glass microspheres ...

Scanning Light Scattering Profiler (SLPS) Based Methodology to Quantitatively Evaluate Forward and Backward Light Scattering from Intraocular Lenses

Scanning Light Scattering Profiler SLPS Based Methodology to Quantitatively Evaluate Forward and Backward Light Scattering from Intraocular Lenses

Scanning Light Scattering Profiler (SLPS) -baserad metodik för att kvantitativt utvärdera framåt och bakåtljusstrålning från intrakokulära linser

The scanning light scattering profiler (SLSP) methodology has been developed for the full-angle quantitative evaluation of forward and backward light ...