Onderzoek

Van fysica van gepolariseerd licht naar waarnemingen van planeetatmosferen

Ik bestudeer hoe licht wordt verstrooid, geabsorbeerd, gereflecteerd en gepolariseerd door planeetatmosferen en oppervlakken. Mijn werk combineert stralingstransportmodellering vanuit eerste principes met waarnemingen van de Aarde, Venus en aardachtige exoplaneten.

Inleidend schema dat uitlegt hoe ongepolariseerd zonlicht na reflectie door de aarde gepolariseerd raakt — Inleidend schema van Victor Trees: ongepolariseerd zonlicht raakt na reflectie door de aarde gepolariseerd. Het schema bevat een PACE-illustratie (credit: NASA/PACE) en een SpaceEngine-aardeachtergrond door Victor Trees.

Eerste HARP2-beeld boven de westkust van Zuid-Amerika met warekleurenbeeld en polarisatiebeeld — Eerste HARP2-beeld boven de westkust van Zuid-Amerika. In het polarisatiebeeld is een wolkenboog zichtbaar, veroorzaakt door vloeibare waterdruppels in de wolken. Credit: UMBC / HARP2 team, gebruikt met toestemming. Originele UMBC-pagina.

Boekomslagen van Transfer of Polarized Light in Planetary Atmospheres en Light Scattering by Small Particles — Klassieke referenties in lichtverstrooiing en gepolariseerd stralingstransport: Hovenier et al. en Van de Hulst.

Methodologische basis

Gepolariseerd stralingstransport

Wat is polarisatie van licht?

Licht is een elektromagnetische golf. In gewoon zonlicht of sterlicht trilt het elektrische veld in veel richtingen tegelijk, waardoor het licht effectief ongepolariseerd is. Na verstrooiing door moleculen of wolkendeeltjes, of na reflectie aan een oppervlak zoals een oceaan, krijgen sommige trillingsrichtingen de voorkeur en raakt het licht gedeeltelijk gepolariseerd. De eerste figuur hierboven vat dit samen en laat ook de graad van polarisatie zien, P: het aandeel gepolariseerde straling ten opzichte van de totale straling.

Waarom is dat nuttig?

Polarisatie bevat vaak informatie die niet direct uit helderheid en kleur alleen volgt. Polarisatie is gevoelig voor de golflengte, de verlichtings- en kijkgeometrie, en voor de grootte, vorm en samenstelling van deeltjes en oppervlakken. Omdat de graad van polarisatie een relatieve grootheid is, is die bovendien minder gevoelig voor de absolute helderheid van het invallende zonlicht en voor verschillende instrumentele effecten.

Wat kun je ermee zien?

Het HARP2-beeld hierboven laat die meerwaarde direct zien. In het RGB-paneel zie je vooral het wolkenveld voor de westkust van Zuid-Amerika, terwijl in het polarisatiepaneel een duidelijke wolkenboog zichtbaar wordt. Zo'n wolkenboog ontstaat door bijna bolvormige waterdruppels en laat dus zien dat dit wolken van vloeibaar water zijn. Uit de details van dat signaal kun je vervolgens informatie halen over druppelgrootte en wolkenmicrofysica. Hetzelfde basisidee werkt ook buiten de aarde. Een klassiek voorbeeld is Venus: Hansen en Hovenier (1974) gebruikten polarisatiemetingen van Venus als geheel, bij verschillende fasehoeken, om te laten zien dat de belangrijkste Venuswolken uit zwavelzuurdruppels bestaan.

Waarom simuleren?

Om polarisatiemetingen goed te kunnen gebruiken, moet je de waarnemingen terugkoppelen naar de onderliggende fysica. Gesimuleerd gepolariseerd stralingstransport beschrijft hoe licht verandert terwijl het in een atmosfeer wordt verstrooid en geabsorbeerd, en door het oppervlak wordt gereflecteerd. Zulke simulaties zijn nodig om satelliet- en telescoopmetingen te interpreteren, om toekomstige instrumenten te ontwerpen en te testen, en om te verkennen hoe wolken, oceanen, bewoonbaarheid en mogelijke sporen van leven zichtbaar kunnen worden in gereflecteerd licht. MONKI is voor dat doel ontwikkeld, ook voor atmosferen met driedimensionale wolkenstructuren.

Nederlandse wetenschappelijke context

Dit werk bouwt voort op een sterke Nederlandse traditie in optica, lichtverstrooiing en polarimetrie. Christiaan Huygens (1629-1695) formuleerde een vroege golftheorie van licht en gebruikte die om verschijnselen zoals reflectie, breking en dubbele breking te verklaren. Prof. dr. Marcel Minnaert (1893-1970) verbond optica, astronomie en verschijnselen in de atmosfeer. Prof. dr. Henk van de Hulst (1918-2000) leverde fundamentele bijdragen aan de theorie van lichtverstrooiing door kleine deeltjes. Prof. dr. Joop Hovenier (1936-2024) ontwikkelde een groot deel van de moderne theorie van gepolariseerd stralingstransport in planeetatmosferen.

Meer recent leverden dr. Johan de Haan en dr. Piet Stammes belangrijke bijdragen aan polarimetrie en stralingstransport bij het KNMI. Dr. Daphne Stam legde belangrijke grondslagen voor het gebruik van polarimetrie in aardobservatie, planeetwetenschap en exoplaneetonderzoek, en begeleidde mijn masterscriptie over exoplaneetpolarimetrie. Ook dr. Ping Wang begeleidde mijn promotiewerk bij het KNMI. Een groot deel van mijn eigen begrip van polarisatie komt uit Hoveniers Transfer of Polarized Light in Planetary Atmospheres, samen met het klassieke overzichtsartikel van Hansen en Travis (1974).

Software en methoden MONKI-paper UMBC HARP2-pagina Boek van Hovenier et al.Hansen en Travis (1974)Hansen en Hovenier (1974)

Onderzoeksthema’s

Artist impression of Copernicus Sentinel-5P carrying TROPOMI observing Earth — Copernicus Sentinel-5P met TROPOMI aan boord observeert de aardatmosfeer. Credit: ESA/ATG medialab.

Aardobservatie

Wolken, aerosolen, luchtkwaliteit en stralingstransport in satellietgegevens

Wolken regelen in sterke mate de stralingsbalans van de aarde en spelen een sleutelrol in de hydrologische cyclus door neerslag en verdamping te beïnvloeden. Luchtkwaliteit wordt bepaald door kortlevende spoorgassen zoals O₃ en NO₂, en door aerosolen die invloed hebben op menselijke gezondheid, zicht, weer en klimaat.

Satellietwaarnemingen zijn essentieel omdat ze consistente informatie geven over grote delen van de wereld. KNMI is niet alleen een weerinstituut, maar ook een vooraanstaand centrum voor het monitoren van luchtkwaliteit, wolken, aerosolen, ozon, wind en straling vanuit de ruimte. Het satellietobservatiewerk omvat kalibratie en retrievalalgoritmen, dataverwerking en producten van missies zoals OMI, TROPOMI, GOME-2, SEVIRI en EarthCARE.

Tijdens mijn promotie aan TU Delft en KNMI ontwikkelde ik DARCLOS om wolkenschaduwen in TROPOMI-data op te sporen en een methode om satellietmetingen tijdens zonsverduisteringen te herstellen. Deze methoden helpen om scènes te interpreteren waarin het gemeten stralingsveld wordt gevormd door driedimensionale wolken, aerosolen en schaduwen. De eclipscorrectie maakte het ook mogelijk om te onderzoeken hoe ondiepe cumuluswolken reageren wanneer zonlicht tijdelijk wordt verminderd.

Aardobservatiepublicaties DARCLOS Eclipscorrectie KNMI R&D Satellietwaarnemingen

Venus

Spectropolarimetrie voor ESA’s EnVision-missie

Venus is onze dichtstbijzijnde buurplaneet en lijkt op de aarde in leeftijd, globale samenstelling, massa en grootte. Toch is Venus een heel andere wereld geworden: de dikke atmosfeer bestaat vooral uit CO₂, de oppervlaktetemperatuur is ongeveer 465 graden Celsius, er is geen vloeibaar water, en de wolken bestaan uit zwavelzuur. Waarom heeft Venus zich zo anders ontwikkeld dan de aarde?

ESA's EnVision-missie, gepland voor lancering in de jaren 2030, gaat die vraag onderzoeken. De spectrometers VenSpec-U en VenSpec-H meten respectievelijk ultraviolet en nabij infrarood zonlicht dat door Venus wordt gereflecteerd. Die metingen begrenzen wolkeneigenschappen die belangrijk zijn voor de chemie, dynamica en het klimaat van de Venusatmosfeer.

Beide spectrometers zijn ook gevoelig voor de polarisatie van het gereflecteerde zonlicht. Omdat polarisatie sterk afhangt van de microfysische en grootschalige eigenschappen van de Venuswolken, helpen MONKI-simulaties om de toekomstige metingen te koppelen aan de fysische structuur van de atmosfeer.

Venus contribution MONKI

Artist's impression of the TRAPPIST-1 planetary system — Artistieke impressie van het TRAPPIST-1-planetenstelsel. Credit: ESO/M. Kornmesser.

Aardachtige exoplaneten

Oceanen en wolken in gereflecteerd sterlicht

Exoplaneten zijn planeten buiten ons zonnestelsel. De ontdekking van vloeibaar water op een aardachtige exoplaneet zou een mijlpaal zijn in de zoektocht naar leven, omdat vloeibaar water essentieel is voor leven zoals wij dat kennen. Toekomstige telescopen zoeken naar tekenen van oceanen, wolken, vegetatie en gassen in de atmosfeer door het spectrum en de polarisatie van gereflecteerd sterlicht te analyseren.

Omdat zulke planeten slechts als zwakke lichtpuntjes zichtbaar zullen zijn, en niet als ruimtelijk opgeloste schijven, zijn simulaties nodig om te weten waar we naar moeten zoeken. Ik simuleer hoe het schijfgemiddelde signaal van een aardachtige planeet verandert met golflengte, tijd, fasehoek, wolkenbedekking, oppervlak en oceaancondities. Zo kun je testen wanneer aanwijzingen zoals oceaanglint of polarisatie door wolken van vloeibaar water herkenbaar kunnen zijn.

Mijn exoplanetenwerk voorspelde manieren om vloeibare oceanen te herkennen met gepolariseerd gereflecteerd licht. Deze simulaties zijn later gebruikt in een studie naar hoe NASA's Habitable Worlds Observatory-concept zulke aanwijzingen rond andere werelden zou kunnen vinden.

Exoplanetenpublicaties Nature Astronomy highlight

Verbindend idee

Eén fysisch probleem, drie werelden

De Aarde biedt gedetailleerde waarnemingen en directe toepassingen voor stralingstransportmodellering, Venus biedt een nabije extreme atmosfeer met wolken en gassen die sterk verschillen van de Aarde, en exoplaneten vormen de langetermijnuitdaging: het interpreteren van zwakke signalen van gereflecteerd licht van verre werelden. In al die contexten blijft de centrale vraag hetzelfde: wat vertelt gemeten licht ons over de atmosfeer en het oppervlak dat dat licht heeft gevormd?