Hostname: page-component-6766d58669-r8qmj Total loading time: 0 Render date: 2026-05-19T00:34:29.647Z Has data issue: false hasContentIssue false

Microwave Emissivity and Accumulation Rate of Polar Firn

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

H. Jay Zwally*
Affiliation:
NASA/Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Maryland 20771, U.S.A.
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Abstract

Radiative transfer theory is formulated to permit a meaningful definition of emissivity for bulk emitting media such as snow. The emissivity in the Rayleigh-Jeans approximation is then the microwave brightness temperature T B divided by an effective physical temperature T. The T is an average of the physical temperature, T(z), weighted by a radiative transfer function ƒ(z). Similarly,

where e(z) is the local emittance. An approximate ƒ(z) is used to determine analytically the effects of various absorption coefficients, of scattering coefficients that vary with depth, and of the seasonal variation of T(z). It is shown that a mean emissivity, which is equal to the mean annual T B divided by the mean annual surface temperature T m, is a useful quantity for comparing theory and observations. Snow-crystal size measurements, r(z), at seven locations in Greenland and Antarctica are used to determine the Mie/Rayleigh scattering coefficient γs (z) and to calculate the mean emissivities. The observed mean emissivities are determined by a which is the average of 12 monthly Nimbus-5 (1.55 cm) microwave observations, and the Tm measured at the same locations. The calculated emissivities are about one-half of the observed values. The assumption that each snow crystal is an independent and equally effective scatterer, and the use of an approximation to ƒ(z), tend to over-estimate the effect of scattering. Therefore, a parameter multiplying γs (z) is used. The emissivities calculated with a single value of this empirical parameter for all seven locations agree well with the observed emissivities, showing that the microwave emissivity variations of dry polar urn can be characterised as a function of the crystal sizes. One optical depth corresponds to a typical fini depth of 5 m, but significant radiation emanates from up to 30 m. Since r(z) depends on the snow accumulation rate A and T m. the sensitivity of the emissivity to changes in T m or A are estimated using this semi-empirical theory. The results show that a one degree change or uncertainty in Tm is approximately equivalent to a 10% change in A, and that such a change will affect the emissivity by 0.003 to 0.014 or the T B by about 0.6 K to 3 K, depending on the location.

Résumé

Résumé

Une théorie des transferts radiatifs est formulée pour permettre une définition significative de l'émissivité d'un milieu émetteur dans la masse tel que la neige. L'émissivité dans l'approximation de Rayleigh-Jeans est alors le rapport de la température correspondant à la radiation émise en courte longueur d'onde Tu et de la température physique effective T. La température T est une moyenne de la température physique, T(z) pondérée par une fonction de transfert radiatif ƒ(z). De même, e(z) est Remittance locale. On utilise une fonction ƒ(z) approximative pour déterminer analytiquement le* effets de différents coefficients d'absorption, de coefficients de dispersions qui varient avec la profondeur, et de variations saisonnières de T(z). On montre qu'une emissivité moyenne, qui est égale à la moyenne annuelle T B divisée par le température moyenne annuelle de surface T m, est une quantité utilisable pour comparer les théories et les observations. Les mesures des dimensions des cristaux de neige, r(z) en sept points du Groenland et de l'Antarctique sont utilisées pour déterminer le coefficient γ(z) de dispersion de Mie/Rayleigh et pour calculer les émissivités moyennes. Les émissivités moyennes observées sont déterminées par une valeur T B qui est la moyenne sur 13 observations mensuelles en courte longueur d'onde (1,55 cm) par Nnnbus-5, et la T m mesurée aux mêmes points. Les émissivités calculées sont environ la moitié des valeurs observées. L'hypothèse que chaque cristal de neige est un disperseur indépendant et d'égale efficacité et l'utilisation d'une fonctionƒ(z) approximative, tend à surestimer l'effet de dispersion. C'est pourquoi on utilise un paramétre multiplicateur γs(z). Les émissivités calculées avec une valeur unique de ce paramètre empirique pour les sept points étudiés concordent bien avec les émissivités observées, ce qui montre que le névé polaire sec peut être caractérisé comme une fonction de la dimension des cristaux. Une profondeur optique correspond à une épaisseur typique de 5 m de névé, mais il émane encore une radiation décelable de plus de 30 m. Puisque r(z) dépend de la vitesse d'accumulation de la neige A et de T m la sensibilité avec laquelle l'émissivité change en fonction de T m ou de A est estimée en utilisant la théorie semi-empirique. Les résultats montrent qu'un degré de variation ou d'incertitude sur Tm est à peu près équivalent à une variation de 10% sur. A, et qu'une telle variation modifie l'émissivité de 0,003 à 0,014 ou T B de 0,6 K à 3 K selon les endroits.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Die Theorie des Strahlungsüberganges wird so formuliert, dass sich eine sinnvolle Definition der Strahlungsstärke von strahlenden Massen wie Schnee ergibt. Die Strahlungsstärke gemäss der Näherungslösung nach Rayleigh-Jeans ist dann die Farbtemperatur im Mikrowellenbereich T B geteilt durch eine effektive physikalische Temperatur T〉. Dieses 〈T〉 ist der Mittelwert der physikalischen Temperatur T(z). gewichtet mit einer Strahlungsübergangsfunktion ƒ(z). Ähnlich gilt , wobei e(z) die lokale Strahlungsdichte ist. Zur analytischen Bestimmung des Einflusses von verschiedenen Absorptionskoeffizienten, von Streukoeifiziciiicn, die sich mit der Tiefe ändern, und der jahreszeitlichen Schwankung von T(z) wird eine Näherung von ƒ(z) herangezogen, Es wird gezeigt, dass eine mittlere Strahlungsstärke. die gleich dem mittleren jährlichen T B geteilt durch den Jahresmittclwcrt der Obcrflächeiitemperatur Tm ist, sich für den Vergleich zwischen Theorie und Beobachtung eignet. Zur Bestimmung des Streukoeffizienten Ys(z) nach Mie/Rayleigh und zur Berechnung der mittleren Strahlungsstärken werden Messungen der Sehneekristallgrösse r(z) an sieben Stellen in Grönland und Antarktika herangezogen. Die beobachteten mittleren Strahlungsstärken werden durch ein T B bestimmt, das das Mittel aus 12-monatigen NÎmbus-5-Beobachtungen im Mikrowellenbereich (1,55 cm) und dem an denselben Stellen gemessenen T m ist. Die berechneten Strahlungsstärken sind ungefähr halb so gross wie die beobachteten. Die Annahme, dass jedes Schneekristall unabhängig und mit gleicher Wirkung streut, und die Benutzung einer Näherung für ƒ(z) bewirken eine Übersehätzung des Streueffekts. Deshalb wird ein Multiplikator für γs(z) benutzt. Die mit einem Einzelwert dieses empirischen Parameters berechneten Strahlungsstärken stimmen gut mit den Beobachtungen an allen sieben Stellen überein. Damit ist erwiesen, dass sich die Änderung der Strahlungsstärke trockenen polaren Firns im Mikrowellenbereich als Funktion der Kristallgrösse charakterisieren lässt. Eine optische Tiefe entspricht einer typischen Firntiefe von 5 m, doch geht merkliche Strahlung von Tiefen bis zu 30 m aus. Da r(z) von der Akkumulationsrate A des Schnees und von T m abhängt, kann die Auswirkung von Änderungen in T m oder A auf die Strahlungsstärke mit Hilfe dieser halbempirischen Theorie abgeschätzt werden. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Änderung oder Unsicherheit von einem Grad in Tm annähernd einer 10%-igen Änderung von A entspricht, und dass eine solche Änderung je nach Lage die Strahlungsstärke um 0,003 bis 0,014 oder das T B um etwa 0,6 K bis 3 K ändert.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1977
Figure 0

Table I. Mie scattering and absorption coefficients for. Nr = (2r)-3 and λ = 1.5 cm

Figure 1

Table II. Crystal size profiles and scattering coefficients using r3 = r03 +az regression fit

Figure 2

Fig. 1. Emissivity as a function of the linear scattering coefficient for various absorption coefficients using g(z) and constant T.

Figure 3

Fig. 2. High absorption case showing (g(z)e(z)) and g(z)for various linear scattering coefficients.

Figure 4

Fig. 3. Low absorption case showing (g(z)e(z)) and g(z) for various scanning coefficients.

Figure 5

Fig. 4. Model temperature profiles at various times relative to time of surf ace temperature maximum.

Figure 6

Fig. 5. (a) High absorption case, (b) low absorption case; effective physical température (T) and brightness temperature TB, for two values of the linear scattering coefficient, and the surface temperature Ts as a function of time.

Figure 7

Fig. 6. (a) High absorption case, (b) low absorption case; bulk emisswity ∊ and approximate emissvity E, for two values of the linear scattering coefficient, as a function of lime

Figure 8

Table III. Calculated and observed emissivities

Figure 9

Fig. 7. Calculated mean bulk emissivities versus observed values at seven locations (see Table III). Scattering coefficient is determined by crystal-size measurements and an empirical parameter equal to 0. 12. Solid circles (•) indicate crystal measurements by Gow, open circles (○) indicate measurements by other investigators, and crosses(X)indicate a 20% adjustment was made to crystal sizes measured by other investigators.

Figure 10

Fig. 8. Functions (g(z)e(z)) and g(z) using empirically adjusted scattering coefficients for South Pole and “Byrd” locations,

Figure 11

Table IV. Depths in meters for different optical depths, the aver ace depth (Z), and at one optical depth

Figure 12

Fig. 9. Emissivity as a function of K, which is approximately determined by the accumulation rate Ao or mean annual temperature Tm (see text).

Figure 13

Table V. Estimated emissivity sensitivities