Polarization studies in electromagnetic scattering by small Solar-system particles

In remote-sensing studies, particles that are comparable to the wavelength exhibit characteristic features in electromagnetic scattering, especially in the degree of linear polarization. These features vary with the physical properties of the particles, such as shape, size, refractive index, and orientation. In the thesis, the direct problem of computing the unknown scattered quantities using the known properties of the particles and the incident radiation is solved at both optical and radar spectral regions in a unique way. The internal electromagnetic fields of wavelength-scale particles are analyzed by using both novel and established methods to show how the internal fields are related to the scattered fields in the far zone. This is achieved by using the tools and methods that were developed specifically to reveal the internal field structure of particles and to study the mechanisms that relate the structure to the scattering characteristics of those particles. It is shown that, for spherical particles, the internal field is a combination of a forward propagating wave with the apparent wavelength determined by the refractive index of the particle, and a standing wave pattern with the apparent wavelength the same as for the incident wave. Due to the surface curvature and dielectric nature of the particle, the incident wave front undergoes a phase shift, and the resulting internal wave is focused mostly at the forward part of the particle similar to an optical lens. This focusing is also seen for irregular particles. It is concluded that, for both spherical and nonspherical particles, the interference at the far field between the partial waves that originate from these concentrated areas in the particle interior, is responsible for the specific polarization features that are common for wavelength-scale particles, such as negative values and local extrema in the degree of linear polarization, asymmetry of the phase function, and enhancement of intensity near the backscattering direction. The papers presented in this thesis solve the direct problem for particles with both simple and irregular shapes to demonstrate that these interference mechanisms are common for all dielectric wavelength-scale particles. Furthermore, it is shown that these mechanisms can be applied to both regolith particles in the optical wavelengths and hydrometeors at microwave frequencies. An advantage from this kind of study is that it does not matter whether the observation is active (e.g., polarimetric radar) or passive (e.g., optical telescope). In both cases, the internal field is computed for two mutually perpendicular incident polarizations, so that the polarization characteristics can then be analyzed according to the relation between these fields and the scattered far field.

Kaukokartoitustutkimuksissa aallonpituusluokkaa olevat hiukkaset aiheuttavat niille luonteenomaisia piirteitä sähkömagnettisessa säteilyssä, varsinkin lineaarisen polarisaation asteessa. Nämä piirteet vaihtelevat hiukkasen fyysisten ominaisuuksien, kuten muodon, koon, taitekertoimen ja orientaation myötä. Tässä väitöskirjassa ratkaistaan sähkömagneettisen sironnan suora ongelma uudella tavalla, samalla kun hiukkasten ominaisuudet oletetaan tunnetuiksi. Aallonpituusluokkaa olevien hiukkasten sisäisiä sähkökenttiä analysoidaan sekä uusilla että vakiintuneilla menetelmillä, jotta voidaan osoittaa, mikä on sisäisten kenttien suhde sironneisiin kenttiin kauko-alueessa. Tämä on saavutettu käyttämällä työkaluja ja menetelmiä, jotka on kehitetty paljastamaan sirottajien sisäisen kentän rakenne ja joilla voidaan tutkia mekanismeja, jotka liittävät näiden sirottajien rakenteen niiden sirontaominaisuuksiin. Tutkimuksessa näytetään, että pallomaisten hiukkasten sisäinen kenttä on yhdistelmä eteenpäin etenevää aaltoa, jonka allonpituus määräytyy hiukkasen taitekertoimen mukaan, ja seisovaa aaltoa, jonka aallonpituus on sama kuin tulevan aallon. Koska hiukkanen on eriste ja sen pinta on kaareva, tuleva aaltorintama kokee vaihesiirron ja tuloksena oleva sisäinen aalto fokusoituu pääasiassa hiukkasen etupuolelle optisen linssin tavoin. Tämä fokusointi havaitaan myös epäsäännöllisillä hiukkasilla. Johtopäätöksenä on, sekä pallomaisille että ei-pallomaisille hiukkasille, että kaukokentässä tapahtuva interferenssi osittaisten aaltojen välillä, jotka ovat peräisin näistä fokusoituneista alueista hiukkasen sisällä, on vastuussa tietyistä, aallonpituusluokkaa oleville hiukkasille ominaisista piirteistä lineaarisessa polarisaatiossa, kuten negatiiviset arvot ja paikalliset maksimit, vaihefunktion asymmetria, ja intensiteetin kasvaminen lähellä takaisinsirontasuuntaa. Tässä väitöskirjassa esitellyt paperit ratkaisevat suoran ongelman, sekä yksinkertaisille, että epäsäännöllisille hiukkasille osoittaakseen, että nämä interferenssimekanismit ovat yhteisiä kaikille aallonpituusluokkaa oleville, eristäville sirottajille. Lisäksi näytetään, että näitä mekanismeja voidaan soveltaa sekä regoliittihiukkasille näkyvän valon alueella että hydrometeoriiteille mikroaaltoalueessa. Yksi tällaisen tutkimuksen eduista on, että ei ole merkitystä, onko havaitsija aktiivinen (esim. polarisaatiotutka) vai passiivinen (esim. optinen teleskooppi). Molemmissa tapauksissa sisäinen kenttä lasketaan kahdelle keskenään kohtisuorasti polarisoituneelle tulevalle kentälle, jotta polarisaatiossa havaitut piirteet voidaan analysoida näiden kenttien ja sironneen kentän suhteen avulla.