1. Radiative Transfer For Variable 3D Atmospheres
- Author
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Golse, Francois, Hecht, Frederic, Pironneau, Olivier, Tournier, Pierre-Henri, Smets, Didier, École polytechnique (X), Laboratoire Jacques-Louis Lions (LJLL (UMR_7598)), Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Cité (UPCité), Algorithms and parallel tools for integrated numerical simulations (ALPINES), Institut National des Sciences Mathématiques et de leurs Interactions (INSMI)-Inria de Paris, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Laboratoire Jacques-Louis Lions (LJLL (UMR_7598)), and Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Cité (UPCité)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Cité (UPCité)
- Subjects
Climatology ,H-matrix ,Numerical Analysis (math.NA) ,[INFO.INFO-NA]Computer Science [cs]/Numerical Analysis [cs.NA] ,Navier-Stokes equation ,Mathematics - Analysis of PDEs ,Finite Element Methods ,Clouds ,FOS: Mathematics ,Radiative transfer ,Mathematics - Numerical Analysis ,3510, 35Q35, 35Q85, 80A21, 80M10 ,Integral equation ,Analysis of PDEs (math.AP) - Abstract
International audience; To study the temperature in a gas subjected to electromagnetic radiations, one may use the Radiative Transfer equations coupled with the Navier-Stokes equations. The problem has 7 dimensions; however with minimal simplifications it is equivalent to a small number of integrodifferential equations in 3 dimensions. We present the method and a numerical implementation using an H-matrix compression scheme. The result is a very fast: 50K physical points, all directions of radiation and 680 frequencies require less than 5 minutes on an Apple M1 Laptop. The method is capable of handling variable absorptioN and scattering functionS of spatial positions and frequencies. The implementation is done using htool 1 , a matrix compression library interfaced with the PDE solverfreefem++. Applications to the temperature in the French Chamonix valley is presented at different hours of the day with and without snow / clouds and with a variable absorption taken from the Gemini measurements. The result is precise enough to assert temperature differences due to increased absorption in the vibrational frequency subrange of greenhouse gasses.; Pour étudier la température dans un gaz soumis à des rayonnements électromagnétiques, on peut utiliser les équations du transfert radiatif couplées aux équations de Navier-Stokes. Le problème a 7 dimensions ; cependant, avec des simplifications minimales,on peut le réduire à un petit nombre d'équations intégro-différentielles en 3 dimensions. Nous présentons la méthode et une implémentation numérique utilisant un schéma de compression de matrice H. Le résultat est très rapide : 50K points physiques, toutes les directions de rayonnement et 680 fréquences nécessitent moins de 5 minutes sur un ordinateur portable Apple M1. Le procédé est capable de gérer des coefficients d'absorption et de diffusion dépendants des positions spatiales et des fréquences. L'implémentation se fait à l'aide de la bibliothèque htool , pour la compression de matrice à diagonales dominante, interfacée avec le solveur d'EDP freefem++. Les applications à la température dans la vallée française de Chamonix sont présentées à différentes heures de la journée avec et sans neige/nuage et avec une absorption variable tirée des mesures Gemini. Le résultat est suffisamment précis pour obtenir les différences de température dues à une absorption accrue dans une sous-gamme de fréquence vibratoire des gaz à effet de serre.
- Published
- 2023