Date of Award

6-2026

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Space Science (MSSS)

Department

Physics

First Advisor

Dr. Claus Gebhardt

Abstract

The purpose of this research is to explore the spectral behavior of sea ice and to understand how Arctic sea ice surfaces appear when they are observed with a hyperspectral sensor. This is crucial because sea ice changes a lot during the melt season, and different surface types can sometimes look similar to a human eye, but physically they are different. It is thus essential to identify the spectral differences between these surfaces. The main objective of this study is to examine how the spectra of white ice and melt ponds change when their physical and optical properties are varied, and to see how much the atmosphere changes their signal before it reaches the sensor. This work was carried out to develop physics-based SCIATRAN simulations that support the interpretation of future hyperspectral observations from the Earth observation mission Arab Satellite 813 and similar hyperspectral missions. To do this, the radiative transfer model SCIATRAN was used to generate spectra under controlled conditions. For white ice, the simulations varied optical thickness, chord length, and yellow substance absorption. For melt ponds, the simulations varied water depth, under-pond ice thickness, and transport-scattering coefficient. A second set of melt pond simulations was also produced to represent atmospherically corrected conditions, so that the role of the atmosphere could be seen more clearly. The results showed that white ice and melt ponds have clear spectral differences. White ice was generally brighter and kept more spectral structure into the infrared, while melt ponds were darker and more absorption-dominated. The results also showed that atmospheric effects can change the signal quite a lot, especially for dark melt ponds, whose signal is relatively weak. Overall, the main contribution of this thesis is that it used a physics-based approach and provided a collection of spectra that can help with the future interpretation of the Arab Satellite 813 hyperspectral observations over Arctic sea ice.

Arabic Abstract

رصد الجليد البحري في القطب الشمالي بواسطة القمر الصناعي العربي 813: محاكاة باستخدام نموذج انتقال الإشعاع "SCIATRAN"

يهدف هذا البحث إلى استكشاف السلوك الطيفي للجليد البحري وفهم كيفية ظهور أسطح الجليد البحري في القطب الشمالي عند رصدها باستخدام مستشعر فائق الطيف (Hyperspectral Sensor). وتكتسب هذه الدراسة أهمية خاصة لأن الجليد البحري يمر بتغيرات كبيرة خلال موسم الذوبان، كما أن أنواع الأسطح المختلفة قد تبدو متشابهة للعين البشرية رغم اختلافها الفيزيائي، لذلك، يصبح من الضروري تحديد الفروق الطيفية بين هذه الأسطح. يتمثل الهدف الرئيسي للدراسة في فحص كيفية تغير الانعكاسية الطيفية للجليد الأبيض وبرك الذوبان عند تغير خصائصها الفيزيائية والبصرية، بالإضافة إلى تقييم مدى تأثير الغلاف الجوي على الإشارة الطيفية قبل وصولها إلى المستشعر. وقد أُجريت هذه الدراسة لدعم مهمة رصد الأرض فائقة الأطياف الخاصة بالقمر الصناعي العربي 813. ولتحقيق ذلك، استخدم نموذج انتقال الإشعاع SCIATRAN لتوليد أطياف انعكاسية تحت ظروف محكومة. بالنسبة للجليد الأبيض، شملت المحاكاة تغير السمك البصري، وطول الوتر (Chord Length)، وامتصاص المادة الصفراء. أما بالنسبة لبرك الذوبان، فقد شملت المحاكاة تغير عمق الماء، وسمك الجليد أسفل البركة، ومعامل النقل والتشتت (Transport-Scattering Coefficient). كما أُنتجت مجموعة إضافية من محاكاة برك الذوبان لتمثيل الحالات المصححة جوياً، بهدف إظهار دور الغلاف الجوي بصورة أوضح. أظهرت النتائج وجود فروقات طيفية واضحة بين الجليد الأبيض وبرك الذوبان. فقد كان الجليد الأبيض أكثر سطوعاً بشكل عام، وحافظ على قدر أكبر من البنية الطيفية في نطاق الأشعة تحت الحمراء، في حين كانت برك الذوبان أكثر قتامة وأصبحت خاضعة لسيطرة عمليات الامتصاص عند أطوال موجية أقصر وبمعدل أسرع. كما بينت النتائج أن تأثيرات الغلاف الجوي يمكن أن تغير الإشارة المرصودة بشكل ملحوظ، خاصة فوق برك الذوبان الداكنة التي تكون إشارتها السطحية ضعيفة أساساً. وبشكل عام، تتمثل المساهمة الرئيسية لهذه الرسالة في اعتمادها على أسس فيزيائية وتوفيرها مجموعة من الأطياف التي يمكن أن تساعد مستقبلاً في تفسير مشاهدات القمر العربي 813 فائقة الطيف فوق الجليد البحري في القطب الشمالي.

Download

Included in

Physics Commons

COinS