Satellite Aerosol Amount and Classification Retrieval Over Bright Surfaces at High Latitude: A Novel Perspective - SALVI

De siste 100 år har temperaturen i Arktis økt omlag dobbelt så mye som den globale middeltemperaturen. Klimaeffekten av aerosoler er meget usikker for høye breddegrader. Om vinteren og våren kan langtransportert forurensing fra oppvarming av hus og fakling gi Arktisk tåke. Boreale skogbranner kan påvirke den Arktiske atmosfæren om sommeren. Måle- og modelleringstudier trengs for å forstå effekten av både naturlige og menneskeskapte aerosoler på klimaet. Fjernmåling av aerosoler fra satelitter er utfordrende da man må ta hensyn til aerosolenes størrelsesfordeling, kjemiske sammensetning, form og vertikale fordeling. Videre vil refleksjon fra jordens overflate og skyer påvirke den elektromagnetiske strålingen som satellitten måler. Målet til SALVI-prosjektet var å fjernmåle aerosoler ved høye breddegrader over snø- og isdekkede overflater. Et omfattende testrammeverk ble utviklet ved å kombinere strålingsmodellering av SLSTR- og OLCI-satellittsensorene med realistisk innputt fra modellering av en torvbrann på Grønland i 2017. Simulerte SLSTR- og OLCI-signal ble undersøkt for spor av brannen ved å bruke de nye mulighetene SLSTR og OLCI gir. Spor av brannene ble funnet over bar bakke, men ikke over snødekt bakke. Det vil si, deteksjon og fjernmåling av aerosoler over snødekt bakke var ikke mulig. Følgende funn ble gjort som en del av utviklingen av testrammeverket: 1) Ved forbrenning av karbonholdig materiale produseres sot-partikler. Ferske sot-partikler er vanligvis fraktal-lignende aggregat. Vi finner at sot-partikler samlet fra dråper, er signifikant mer kompakt enn ferske og middels gamle sot-partikler. Det vil si at skyer gjør sot-partikler mer kompakt. 2) Tjæreballer er atmosfæriske partikler som det er rikelig av i røyk fra brenning av biomasse. Aggregat av tjæreballer har et enkelt-sprednings-albedo som er 41% (550 nm) og 23% (350 nm) større enn for individuelle tjære-partikler. Strålingspådriv ved toppen av atmosfæren er opp til 53% større for tjæreballaggregat sammenlignet med indivduelle tjære-partikler. 3) For å få et estimat for strålingseffekten av mineralstøv i Arktis er det gjort beregninger av strålingspådrivet for 2012. Beregningene viser at mineralstøv avsatt på snø er årsaken til nesten hele (99%) strålingspådrivet ved bunnen av atmosfæren. Støvkilder på høye breddegrader bidrar med omtrent 52% til det årlige strålingspådrivet ved bunnen av atmosfæren og omtrent 39% ved toppen av atmosfæren. Mer informasjon om prosjektet er tilgjengelig på https://salvi.wp.nilu.no/.

SALVI has provided new insights to the importance of realistic treatment of aerosol composition and shape on radiative forcing and detection of aerosols. This includes the understanding that both the top of the atmosphere radiative forcing and the aerosol retrievals are largely affected by high albedo. Thus, the other investigated approximations are of less importance for high albedos. For lower values of surface albedo, assumptions in mixing and shape largely affect the retrieval of aerosol properties. As part of SALVI, a comprehensive model framework for simulation of optical satellite instruments with realistic input, has been developed. The developed tools may prove useful in future studies on related topics, e.g. improving smoke detection by separating the signal of spherical particles (e.g. mist) from the signal of soot resulting from combustion. SALVI has improved the international cooperation between DNV GL, NILU and Michigan Technological University (MTU).

The SALVI project responds to the NRC Earth Observing system objective to increase monitoring capability, and pollution tracking from local and long-range transported aerosols in the northern and polar areas. SALVI achieves this by developing a novel satellite retrieval of the aerosol optical depth (AOD), aerosol type (AT) and aerosol layer height (AH), customized for the northern areas. SALVI will utilize the Sea and Land Surface Temperature Radiometer (SLSTR) and Ocean and Land Colour Instrument (OLCI) on board the Sentinel-3 satellite. Specifically SALVI will address: 1. The accuracy of particle optical property models assumed in the retrieval algorithms, as AOD, AT and AH retrievals depend critically on the models used. 2. The retrieval over bright (snow/ice) surfaces of AOD, AT and AH, due to difficulties in separating the contributions to the satellite measured radiance from surface reflectance and the back-scattering by aerosols. SALVI novel methodologies include: 1. Novel observationally based aerosol optics parameterization, using data from various field and laboratory campaigns, targeted to parameterize aerosol chemico-physical, optical and spectral properties. 2. Dual sensor retrieval algorithm, which combines SLSTR dual view with the OLCI higher spectral coverage, to improve separation of atmospheric and surface contribution to the measured signal. SALVI will improve upon the current state of the art, where aerosol retrievals use simplified aerosol optical properties treatment and simplified parameterization of surface bidirectional reflectance. SALVI directly addresses the programmatic objectives of the NRC Romforskning program, and benefits ongoing research activities at UiO and NILU, trough synergetically contributing to several projects with focus on climate change at high latitude, land atmosphere interactions and monitoring programs.