미 산란 (QSCAT.f) 소스 코드를 이용하여 4가지 입자 (Dust-like, Water soluble, Oceanic, Soot) 별 굴절률 (실수부, 허수부) 계산 및 가시화

1. 자료분석과 가시화
(Mie 산란 계산)
제출일자 : 2016년 11월 23일
학과 : 대기환경과학과
학번 : 20155194
이름 : 이상호

2. [HW#1]. 4가지 입자별, 산란효율(Qscat) vs 입자 크기에 관한 그래프 작성
및 비교설명.
입자의 산란이론에 의하여 각 입자의 굴절률과 크기분포는 광 산란 및 흡수 효과를 계산할 때
필요하며, 이를 WCP112 Table을 인용하여 사용하였다. 입자의 굴절률은 각 파장에 따라
실수부와 허수부로 나뉘며, 이를 입력자료로 하는 미 산란 코드(QSCAT.f)를 통해 이론적으로
계산하였다. 이때 입자의 모양은 구형으로 가정하였고, 입자 크기는 로 계산하였다.
이러한 구형과 비구형 입자의 광학 특성값은 5~8% 차이로 보고된 바 있다.
그림 1은 파장 0.55 µm에서 입자크기와 산란 효율을 입자별로 나타냈으며, x축은 입자 크기와
y축은 Log 스케일의 산란 효율이다. Dust와 Water의 경우, 입자 크기가 0~10에서 산란효율이
비슷한 수준을 보였으나 그 이후로 Dust가 Water에 비해 최대 산란효율을 나타내었다. 또한
입자 크기가 증가할수록 산란 효율이 증가하였다.
이와 달리 Soot의 경우, 입자 크기가 20에서 최대 산란효율 나타내며, 입자가 증가할수록
산란효율이 일정하게 나타내었다. 또한 Ocean도 유사한 경향을 띠며 최대 산란효율은 5에서
나타내었다.
이와 같이 WCP112 Table에서 언급된 0.55 µm의 굴절률은 해당 입자간 산란 특성에 차이를
발생시켰으며, 입자 크기가 증가할수록 뚜렷한 차이를 나타내었다. 또한, 0.55 µm을 기준으로
입자크기가 작을 때 레일라이 산란이 발생되며, 입자크기가 클 때 미 산란이 발생되는 특성이
있다.
그림 1. 4가지 입자와 입자 크기에 따른 산란효율

3. a. 산란위상함수에 따른 NFD b. 산란위상함수에 따른 NFD (Polar 2D)
c. 산란위상함수에 따른 NFD (Polar 3D Contour)
그림 2. 입자 크기에 따른 산란위상함수
[HW#2]. Dust-like 입자에 대하여 입자크기=0.1, 0.55, 1, 5, 10 µm인 경우에서의
산란위상함수(Phase function)를 polar plot 작성 및 비교설명.
그림 2a은 파장 0.55 um, Dust-like 입자에 대하여 산란 각도에 따른 Normalized Forward
Direction(이하 NFD)로 나타내며, x축은 산란 각도와 y축은 NTD이다. 또한, 산란각이
0~60˚(전방산란; 빨강 음영), 60~120˚(측방산란; 파란 음영), 120~180˚(후방산란; 초록
음영)으로 나타내었다.
입자 크기가 0.1 um인 경우, NTD는 산란각이 0˚인 경우에 최대이고, 산란각이 증가할수록
NTD가 감소하여 60~120˚ 근처에서 최소값이 나타내고, 120~180˚ 사이에서 NTD가 오히려
증가하고 있다. 이때 빛의 파장에 비해 입자 크기가 작기 때문에 레일라이 산란이 발생되며,
전방산란이 된 양만큼 후방 산란되어 나타난다(그림 2b, 그림 2c 참조).
이와 달리 빛의 파장에 비해 입자 크기가 비슷하거나 큰 경우, 미 산란이 발생되며 전방산란이
현저하고 상대적으로 작은 에너지가 측방, 후방으로 산란된다(그림 2b, 그림 2c 참조). 이때
레일라이 산란과 달리 파장이 길거나 짧거나 파장에 의하여 산란의 강도가 변하지 않고, 입자
크기, 종류, 모양에 등에 변화한다.

4. [HW#3]. 4가지 입자에 대하여 각각 파장별, 입자크기별, 산란계수(Cext) 3D 또는
2D contour 그래프 작성 및 비교설명.
그림 3은 입자들에 대하여 각 파장, 입자크기에 따른 산란계수를 2D와 3D로 나타내었으며,
x축은 파장(0~40 µm)과 y축은 입자 크기(0~100) 그리고 z축은 산란 계수이다.
Dust인 경우, 그림 3a와 같이 입자 크기(0~20)에서 각 파장별 산란계수와 파장(0~8 µm)에서 각
입자별 산란계수는 일정하게 나타나며, 파장이 8 µm 이후에 각 파장별 입자별 산란계수가
증가함을 나타났다. 이와 같이 8 µm에서 산란계수는 변화가 나타나는 이유는 그림 4a와 같이
Dust에서 굴절률의 실수부가 증가 때문이다. 또한, 파장이 30 µm 이상 영역과 입자 크기가
20 이상 영역에서 산란계수가 선형적으로 증가를 보였다.
Water인 경우, 그림 3b와 같이 Dust와 유사한 경향을 띠며 특히, 8 µm에서 다른 입자에
비하여 최대 산란계수를 나타났으며, 이는 앞서 설명된 바와 일치한다.
Ocean인 경우, 그림 3c와 같이 Dust, Water와 유사한 경향을 띠며 8 µm에서 다른 입자에
비하여 최소 산란계수를 나타났으며, 이는 굴절률의 실수부가 감소하기 때문으로 기인된다.
이와 달리 Soot은 그림 4a와 같이 굴절률의 실수부가 다른 입자에 비해 큰 폭으로 증가함에도
불구하고 그림 4d에서 입자 크기와 파장별에 따른 산란계수는 뚜렷한 변화없이 선형적으로
증가함을 보였다. 이는 그림 4a, b와 같이 굴절률의 실수부는 증가하고 굴절률의 허수부가
감소하여 두 요소의 상쇄되었기 때문이다.

5. a. Dust b. Water
c. Ocean d. Soot
그림 3. 각 파장, 입자크기에 따른 산란계수 (2D, 3D Contour)
a. 실수부 b. 허수부
그림 4. 각 입자에 따른 실수부와 허수부