Microwave Emission From Snow and Glacier Ice

Abstract

The microwave emission from a model snow field, consisting of randomly spaced ice spheres which scatter independently, is calculated. Mie scattering and radiative transfer theory are applied in a manner similar to that used in calculating microwave and optical properties of clouds. The extinction coefficient is computed as a function of both microwave wavelength and ice-particle radius. Volume scattering by the individual ice particles in the snow field significantly decreases the computed emission for particle radii greater than a few hundredths of the microwave wavelength. Since the mean annual temperature and the accumulation rate of dry polar firn mainly determine the grain sizes upon which the microwave emission depends, these two parameters account for the main features of the 1.55 cm emission observed from Greenland and Antarctica with the Nimbus-5 scanning radiometer. For snow particle sizes normally encountered, most of the calculated radiation emanates from a layer on the order of 10 m in thickness at a wavelength of 2.8 cm, and less at shorter wavelengths. A marked increase in emission from wet versus dry snow is predicted, a result which is consistent with observations. The model results indicate that the characteristic grain sizes in the radiating layers, dry-firn accumulation rales, areas of summer melting, and physical temperatures, can be determined from multispectral microwave observations.On calcul l’émission de rayonnement de courtes longueur d onde à partir d un mtodèle de champ de neige, comportant des sphères de glace espacées au hasard qui éminent indépendemment. Les théories de la dispersion (“Mie”) et des transferts radioactifs sont appliquées de la mêmo manière que pour le calcul des émissions en courtes longueur d’onde et des propriétés optiques des nuages. Le coefficient d’extinction est calculé comme une fonction des longueurs d’onde des émissions et du rayon des particules de glace. La dispersion en volume par les particules individuelles de glace dans un champ de neige diminue significativement l’émission calculeé pour les particules de rayon supérieur à quelques centaines de fois la longueur d’onde de l’émission. Comme la température moyenne annuelle et le taux d’accumulation du névé polaire sec, sont les principaux facteurs qui déterminent les dimensions des grains don't dépend la longueur d’onde des émissions, les deux variables rendent compte des principales caractéristiques de l’émission de 1,55 cm observée depuis le Groenland et l’Antarctique, avec le radiomètre a balayage de Nimbus-5. Pour les dimensions des grains de neige normalement rencontrés, la plus grande partie de la radiation calculée est issue d’un niveau d’une épaisseur de l’ordre de 10 m pour la longueur d’onde de 2,8 cm, et d’une épaisseur moindre pour des longueurs d’ondes plus courtes. On prévoit une intensification marquée de l’émission issue de la neige humide, par rapport à celle issue de la neige sèche, ce qui est confirme par 1 observation. Les résultats des modèles indiquent que l’analyse multispeetrale des radiations de faible longueur d’onde peuvent permettre de déterminer les caractéristiques de dimension des grains dans les niveaux qui rayonnent, la vitesse d’accumulation du névé see, les surfaces où se produit la fonte estivale.Es wird die Mikrowellenemission eines Modell-Schneefeldes berechnet, das aus zufällig verteilten Eiskugeln besteht, die unabhängig voneinander streuen. Ähnlich wie bei der Berechnung der mikrowellenbezogenen und optischen Eigenschaften von Wolken wird die Streuungs- und Strahlungs-transporttheorie von Mie angewandt. Der Exlinktionskoeffizient wird als Funktion sowohl der Wellenlänge wie des Radius der Eispertikel berechnet, Volumenstreuung durch die einzelnen Eispartikel im Schneefeld verringert merklich die berechnete Emission bei Partikelradien, die grösser sind als einige Prozent der Mikrowellenlänge. Da die mittlere Jahrestemperatur und die Akkumulationsrate trockenen, polaren Firns die Korngrössen wesentlich beeinflussen, von denen wiederum die Mikro-wellenemission abhängt, sind diese beiden Parameter in erster Linie für die Erscheinungen verantwortlich, die in der 1,55 cm-Emission über Grönland und Antarktika mit dem Abtast-Radiometer von Nimbus-5 beobachtet wurden. Für normale Schneepartikelgrössen stammt der Grossteil der berechneten Strahlung aus einer Schicht mit einer Dicke von etwa 10 in bei einer Wellenlänge von 2,8 cm, aber weniger bei kürzeren Wellenlängen. Ein beträchtlicher Zuwachs an Strahlung lässt sich beim Vergleich zwischen feuchtem und trockenem Schnee voraussagen, ein Ergebnis, das durch Beobachtungen bestätigt wird. Die Modellergebnisse zeigen, dass die charakteristischen Korngrössen in den strahlenden Schichten, die Akkumulationsraten fur trockenen Firn, die Gebiete mit sommerlicher Schmelze und physikalische Temperaturen aus multi-spektralen Mikrowellenbeobachtungen ermittelt werden können.