<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing with OASIS Tables v3.0 20080202//EN" "https://jats.nlm.nih.gov/nlm-dtd/publishing/3.0/journalpub-oasis3.dtd">
<article xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:oasis="http://docs.oasis-open.org/ns/oasis-exchange/table" xml:lang="en" dtd-version="3.0" article-type="research-article">
  <front>
    <journal-meta><journal-id journal-id-type="publisher">GMD</journal-id><journal-title-group>
    <journal-title>Geoscientific Model Development</journal-title>
    <abbrev-journal-title abbrev-type="publisher">GMD</abbrev-journal-title><abbrev-journal-title abbrev-type="nlm-ta">Geosci. Model Dev.</abbrev-journal-title>
  </journal-title-group><issn pub-type="epub">1991-9603</issn><publisher>
    <publisher-name>Copernicus Publications</publisher-name>
    <publisher-loc>Göttingen, Germany</publisher-loc>
  </publisher></journal-meta>
    <article-meta>
      <article-id pub-id-type="doi">10.5194/gmd-19-9677-2026</article-id><title-group><article-title>MONKI: a three-dimensional Monte Carlo simulator for transfer of polarised light in planetary atmospheres</article-title><alt-title>MONKI radiative transfer code</alt-title>
      </title-group>
      <contrib-group>
        <contrib contrib-type="author" corresp="yes" rid="aff1 aff2">
          <name><surname>Trees</surname><given-names>Victor J. H.</given-names></name>
          <email>victor.trees@knmi.nl</email>
        <ext-link>https://orcid.org/0000-0002-4567-5699</ext-link></contrib>
        <contrib contrib-type="author" corresp="no" rid="aff2">
          <name><surname>Wang</surname><given-names>Ping</given-names></name>
          
        </contrib>
        <contrib contrib-type="author" corresp="no" rid="aff2 aff3">
          <name><surname>Wiltink</surname><given-names>Job I.</given-names></name>
          
        <ext-link>https://orcid.org/0009-0002-9190-1279</ext-link></contrib>
        <contrib contrib-type="author" corresp="no" rid="aff2">
          <name><surname>Stammes</surname><given-names>Piet</given-names></name>
          
        </contrib>
        <contrib contrib-type="author" corresp="no" rid="aff4">
          <name><surname>Stam</surname><given-names>Daphne M.</given-names></name>
          
        </contrib>
        <contrib contrib-type="author" corresp="no" rid="aff2">
          <name><surname>Donovan</surname><given-names>David P.</given-names></name>
          
        </contrib>
        <contrib contrib-type="author" corresp="no" rid="aff1">
          <name><surname>Siebesma</surname><given-names>A. Pier</given-names></name>
          
        </contrib>
        <aff id="aff1"><label>1</label><institution>Geoscience and Remote Sensing Department, Delft University of Technology, Delft, the Netherlands</institution>
        </aff>
        <aff id="aff2"><label>2</label><institution>R&amp;D Satellite Observations, Royal Netherlands Meteorological Institute (KNMI), De Bilt, the Netherlands</institution>
        </aff>
        <aff id="aff3"><label>3</label><institution>Meteorology and Air Quality Group, Wageningen University &amp; Research, Wageningen, the Netherlands</institution>
        </aff>
        <aff id="aff4"><label>4</label><institution>Leiden Observatory, Leiden University, Leiden, the Netherlands</institution>
        </aff>
      </contrib-group>
      <author-notes><corresp id="corr1">Victor J. H. Trees (victor.trees@knmi.nl)</corresp></author-notes><pub-date><day>12</day><month>October</month><year>2026</year></pub-date>
      
      <volume>19</volume>
      <issue>19</issue>
      <fpage>9677</fpage><lpage>9728</lpage>
      <history>
        <date date-type="received"><day>10</day><month>May</month><year>2025</year></date>
           <date date-type="rev-request"><day>14</day><month>July</month><year>2025</year></date>
           <date date-type="rev-recd"><day>13</day><month>May</month><year>2026</year></date>
           <date date-type="accepted"><day>23</day><month>July</month><year>2026</year></date>
      </history>
      <permissions>
        <copyright-statement>Copyright: © 2026 Victor J. H. Trees et al.</copyright-statement>
        <copyright-year>2026</copyright-year>
      <license license-type="open-access"><license-p>This work is licensed under the Creative Commons Attribution 4.0 International License. To view a copy of this licence, visit <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/</ext-link></license-p></license></permissions><self-uri xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/19/9677/2026/gmd-19-9677-2026.html">This article is available from https://gmd.copernicus.org/articles/19/9677/2026/gmd-19-9677-2026.html</self-uri><self-uri xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/19/9677/2026/gmd-19-9677-2026.pdf">The full text article is available as a PDF file from https://gmd.copernicus.org/articles/19/9677/2026/gmd-19-9677-2026.pdf</self-uri>
      <abstract><title>Abstract</title>

      <p id="d2e156">Spectropolarimetry is a powerful tool for characterising planetary atmospheres and surfaces. For the design and operation of spectro(polari)metric instrumentation, numerically simulated signals of the measured radiation are essential. We present MONKI (Monte Carlo KNMI), an efficient and accurate Monte Carlo radiative transfer code written in Fortran. MONKI computes total, linearly polarised, and circularly polarised radiances reflected by and transmitted through planetary atmospheres, fully accounting for the polarisation of light in all orders of scattering. Unlike classical Monte Carlo approaches that rely on post-sampling weight corrections and can therefore produce rare but disproportionately large photon weights, MONKI samples scattering directions from the full polarisation-dependent distribution, consistently in both forward and backward Monte Carlo modes. We provide the corresponding theoretical framework in the appendices. Because of this exact polarised sampling approach, the code converges robustly for optically thick and/or strongly polarising atmospheres. MONKI can handle horizontally homogeneous atmospheres as well as atmospheres with horizontal inhomogeneities, such as three-dimensional (3D) patchy clouds. We validate MONKI through comparisons with other radiative transfer codes. Finally, we present sample simulations of sunlight reflected by the Earth and Venus, and explain the total and polarised radiance features by analysing the altitudes at which photons are scattered. We conclude that MONKI is a versatile and accurate tool for simulations and detailed analyses of total and polarised light emerging from the atmospheres of the Earth, Venus, and, in principle, any other planet.</p>
  </abstract>
    
<funding-group>
<award-group id="gs1">
<funding-source>Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek</funding-source>
<award-id>ALWGO.2018.016</award-id>
</award-group>
</funding-group>
</article-meta>
  </front>
<body>
      

<sec id="Ch1.S1" sec-type="intro">
  <label>1</label><title>Introduction</title>
      <p id="d2e168">Sunlight and, more generally, starlight from solar-type stars, can be considered to be unpolarised when integrated over the disk <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx39" id="paren.1"/>. This light becomes (partially) polarised when it is scattered by the particles constituting a planetary atmosphere. Measuring the degree of polarisation, <inline-formula><mml:math id="M1" display="inline"><mml:mi>P</mml:mi></mml:math></inline-formula>, of the scattered light, i.e., the fraction of polarised radiance with respect to the total radiance, is a powerful tool to characterise planetary atmospheres because the scattering angle and wavelength dependence of <inline-formula><mml:math id="M2" display="inline"><mml:mi>P</mml:mi></mml:math></inline-formula> are very sensitive to the composition, size, and shape of the scattering particles <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx32" id="paren.2"/>. If a planetary atmosphere is bounded below by a surface, light that has been reflected by the surface can also influence the polarisation of the light that is reflected by the planet at the top of the atmosphere (TOA), depending on optical properties of the surface. In particular, Fresnel reflection by liquid surfaces (water on Earth, but hydrocarbons on Titan) or leaves of vegetation can strongly polarise the light <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx49 bib1.bibx78" id="paren.3"><named-content content-type="pre">see e.g.</named-content></xref>. Additionally, since <inline-formula><mml:math id="M3" display="inline"><mml:mi>P</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a relative measure, it is insensitive to various instrumental errors and to uncertainties in the total flux of the light that is incident at TOA.</p>
      <p id="d2e204">An example of an Earth-observation satellite instrument dedicated to measuring the degree of polarisation was the POLarisation and Directionality of the Earth's Reflectances (POLDER) imager <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx19" id="paren.4"/>. With multi-angular polarisation observations across three spectral bands, it provided an alternative for the retrieval of cloud droplet sizes to traditional methods that relied solely on total radiances <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx9" id="paren.5"/>, and improved the capability to characterise aerosols above liquid water clouds <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx84" id="paren.6"/>. In February 2024, NASA launched the Plankton, Aerosol, Cloud, Ocean Ecosystem (PACE) satellite <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx86" id="paren.7"/>, carrying the Hyper-Angular Rainbow Polarimeter-2 (HARP-2) <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx48" id="paren.8"/> and the SPEXone spectropolarimeter <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx76" id="paren.9"/>, enabling accurate global polarisation measurements of aerosols and clouds to better quantify their impact on radiative forcing. On 13 August 2025, the MetOp-SG-A1 (Meteorological Operational Satellite – Second Generation A1) was launched successfully carrying the Multi-Viewing Multi-Channel Multi-Polarisation Imaging (3MI) instrument <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx42" id="paren.10"/>, and the Multi-Angle Polarimeter (MAP) on the Copernicus Anthropogenic Carbon Dioxide Monitoring (CO2M) mission is scheduled for launch in 2027 <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx63" id="paren.11"/>.</p>
      <p id="d2e233">Polarimetry has also proven its strength in characterising other solar system bodies than the Earth <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx2" id="paren.12"><named-content content-type="pre">see</named-content><named-content content-type="post">and references therein</named-content></xref>. A famous example is the characterisation of Venus's main cloud deck by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx31" id="text.13"/>, who found that the droplets consist of a <inline-formula><mml:math id="M4" display="inline"><mml:mo>∼</mml:mo></mml:math></inline-formula> 75 % H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub> mixture with water, and that their sizes are described by a narrow distribution and effective radii of <inline-formula><mml:math id="M7" display="inline"><mml:mo>∼</mml:mo></mml:math></inline-formula> 1 <inline-formula><mml:math id="M8" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">µ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>m. They achieved this characterisation using ground-based polarisation measurements of Venus (spatially unresolved, thus integrated across the planet's disk) at a number of wavelengths and a range of planetary phase angles (that is, the angles between Earth, Venus and the Sun) collected over decades by several different observers. ESA's upcoming Venus orbiter EnVision <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx29" id="paren.14"/>, planned for launch in 2032, will carry VenSpec-H <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx54" id="paren.15"/>, a near-infrared spectrometer that will include polarisation filters. These filters will be used to correct for VenSpec-H's polarisation sensitivity (i.e. like with many spectrometers, the instrument response depends on the polarisation of the observed light) and can also be used to characterise Venus's clouds and hazes in unprecedented detail. Beyond our solar system, polarimetry has been proposed to detect liquid water clouds <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx64 bib1.bibx38 bib1.bibx59" id="paren.16"/> and liquid water oceans <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx72 bib1.bibx73" id="paren.17"/> on exoplanets, for example with NASA's upcoming space-borne Habitable Worlds Observatory (HWO) <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx80" id="paren.18"/>.</p>
      <p id="d2e303">Radiative transfer simulations of reflected (polarised) light are essential for spectro(polari)meters on space missions. Simulations (1) help explore the observational parameter space during the design phase, (2) serve as sample signals for the development of end-to-end data simulations, and (3) form the core of atmospheric retrieval algorithms during space mission operations. For instruments that are polarisation sensitive, simulations are used to estimate the impact of the sensitivity on the total radiance measurements. Even for instruments with a polarisation scrambler, such as TROPOMI <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx81" id="paren.19"/>, accounting for polarisation in radiative transfer simulations remains important for accurate total radiance estimations. This is because atmospheric scattering is only properly described by a (phase) matrix multiplication of the Stokes vector, not by a scalar (phase function) multiplication of the radiance <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx11 bib1.bibx77 bib1.bibx37" id="paren.20"><named-content content-type="pre">see</named-content></xref>. Neglecting (linear) polarisation can cause errors of more than 9 % in the computed geometric albedo of planets with Rayleigh scattering atmospheres <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx65" id="paren.21"/>, and up to 10 % in the computed locally reflected radiance for cloud-free atmospheres <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx50" id="paren.22"/> and 8 % in patchy cloudy conditions <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx22" id="paren.23"/>, depending on the wavelength and scattering geometry.</p>
      <p id="d2e324">Several types of radiative transfer algorithms can simulate both the total and polarised radiances reflected by scattering planetary atmospheres. Classical radiative transfer codes divide the atmosphere into horizontally homogeneous, plane-parallel layers, computing the signal at the top of the atmosphere (TOA) using e.g. the doubling-adding method <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx15" id="paren.24"/> or the discrete-ordinates method <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx11" id="paren.25"/>. Despite advances in radiative transfer simulations and computing power, most satellite retrieval algorithms for aerosols, clouds and trace gases still rely on this horizontally homogeneous approach, due to its simplicity, efficiency, and the limited availability of knowledge about the scene's inhomogeneity. For instance, the aerosol retrieval algorithm of SPEXone applies an independent pixel approximation (IPA), modelling the signal of a partly cloudy pixel as a weighted sum of horizontally homogeneous cloud-free and fully cloudy scenes <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx33 bib1.bibx34" id="paren.26"><named-content content-type="pre">see</named-content></xref>.</p>
      <p id="d2e338">In reality, planetary atmospheres are usually horizontally inhomogeneous. In particular, 3D cloud structures can cast shadows onto the surface or lower atmospheric layers, and/or scatter light towards cloud-free regions <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx43 bib1.bibx45 bib1.bibx46" id="paren.27"><named-content content-type="pre">see, e.g.</named-content></xref>, thus affecting observations from imagers such as MODIS <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx85 bib1.bibx79" id="paren.28"/>. Furthermore, 3D cloud effects can introduce significant errors in aerosol retrievals, as shown by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx68 bib1.bibx69" id="text.29"/> and <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx14" id="text.30"/> for POLDER observations over broken cloud decks. Although spectro(polari)meters typically have larger pixels than imagers, <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx74" id="text.31"/> detected cloud shadows in radiance measurements by the TROPOMI spectrometer which has a pixel size of 5.5 <inline-formula><mml:math id="M9" display="inline"><mml:mo>×</mml:mo></mml:math></inline-formula> 3.5 km<sup>2</sup> in the nadir viewing direction. As the spatial resolution of spectro(polari)metric instruments continues to increase, understanding and correcting for these 3D effects becomes increasingly important.</p>
      <p id="d2e375">Examples of radiative transfer codes capable of simulating both total and polarised radiances while accounting for the 3D structure of the atmosphere are 3DMCPOL <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx13 bib1.bibx26" id="paren.32"/>, MSCART <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx82 bib1.bibx83" id="paren.33"/>, MYSTIC <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx47 bib1.bibx23" id="paren.34"/>, SHDOM <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx25" id="paren.35"/>, and SPARTA <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx4" id="paren.36"/>. Most of these codes (except SHDOM) use the Monte Carlo method, simulating light as the statistical propagation of photon packets through a model atmosphere. Their simulated total and polarised radiances have been compared <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx24" id="paren.37"/>. We note that these codes have primarily been applied to model scenarios on Earth. An example of a polarised 3D radiative transfer code for simulating sunlight reflected by other planets than Earth is the Preconditioned Backward Monte Carlo (PBMC) algorithm of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx27" id="text.38"/>. Unlike classical Monte Carlo codes, PBMC converges even in optically thick and strongly polarising atmospheres, such as that of Venus, by fully taking into account polarisation of light when sampling scattering directions. Other Monte Carlo codes that also take into account polarisation-dependent sampling of scattering directions are 3DMCPOL <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx13" id="paren.39"/>, SMART-G <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx57" id="paren.40"/>, and the code of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx5" id="text.41"/>, but only do so in forward mode.</p>
      <p id="d2e409">In this paper, we present MONKI (Monte Carlo KNMI), a 3D Monte Carlo code for simulating total and linearly and circularly polarised radiances that are locally reflected or transmitted by planetary atmospheres. MONKI can perform simulations in both forward and backward modes (with reversed photon directions) for horizontally homogeneous and inhomogeneous (3D cloudy) plane-parallel atmospheres. MONKI is designed for versatility, accepting input model atmospheres and surfaces for any planet. For Earth-based applications, MONKI computes atmospheric optical properties identically to DAK (Doubling Adding KNMI) <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx15 bib1.bibx67" id="paren.42"/> and has already been used to simulate cloud shadow effects in TROPOMI's Absorbing Aerosol Index product <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx75" id="paren.43"/>, as well as 3D cloud-radiation effects in satellite-based global horizontal irradiance retrievals <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx89" id="paren.44"/>. By fully tracking the polarisation state history of photons along their trajectories and sampling scattering directions from the corresponding polarisation-dependent distribution, MONKI converges in both forward and backward modes, including for optically thick and strongly polarising planetary atmospheres. The code has been written in modern Fortran. In addition to presenting the code itself, this paper provides, we believe for the first time, a complete derivation of the underlying forward and backward Monte Carlo equations and polarisation-dependent sampling formulae, thereby offering a unified theoretical framework for readers who wish to understand, validate, or extend polarised Monte Carlo radiative transfer methods.</p>
      <p id="d2e421">This paper is organised as follows. In Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2"/>, we describe the MONKI algorithm. In Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S3"/>, we validate MONKI through comparisons with results of other radiative transfer codes. In Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S4"/>, we show sample simulations of total radiances and the degree of polarisation for locally reflected light from Earth and Venus. In Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S5"/>, finally, we provide a summary, discussion, and outlook. The appendices contain detailed explanations of the formulae implemented in MONKI, together with the derivation of the forward and backward Monte Carlo equations for polarised radiative transfer.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2">
  <label>2</label><title>Method</title>
<sec id="Ch1.S2.SS1">
  <label>2.1</label><title>Definitions of radiance, reflectance and polarisation</title>
      <p id="d2e447">The radiance and polarisation state of a light beam can be described by a Stokes vector <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx32 bib1.bibx37" id="paren.45"><named-content content-type="pre">see, e.g.,</named-content></xref>

            <disp-formula id="Ch1.E1" content-type="numbered"><label>1</label><mml:math id="M11" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M12" display="inline"><mml:mi>I</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the total radiance (or intensity), <inline-formula><mml:math id="M13" display="inline"><mml:mi>Q</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M14" display="inline"><mml:mi>U</mml:mi></mml:math></inline-formula> are the linearly polarised radiances, and <inline-formula><mml:math id="M15" display="inline"><mml:mi>V</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the circularly polarised radiance. All radiances are expressed in units of W m<sup>−2</sup> nm<sup>−1</sup> sr<sup>−1</sup>, where nm<sup>−1</sup> indicates the dependence on the wavelength of light, <inline-formula><mml:math id="M20" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and sr<sup>−1</sup> indicates the dependence on the solid angle, <inline-formula><mml:math id="M22" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The linearly polarised radiances, <inline-formula><mml:math id="M23" display="inline"><mml:mi>Q</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M24" display="inline"><mml:mi>U</mml:mi></mml:math></inline-formula>, are defined relative to a reference plane. For example, for light that is reflected locally by the planet, the local meridian plane can be used, which contains the local zenith direction and the direction of light propagation towards the observer <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx15" id="paren.46"><named-content content-type="pre">see</named-content></xref>. In particular, for <inline-formula><mml:math id="M25" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M26" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), the direction of polarisation is parallel (perpendicular) to the reference plane. For <inline-formula><mml:math id="M27" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M28" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), the direction of polarisation is rotated by <inline-formula><mml:math id="M29" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">45</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M30" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">45</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) from the direction parallel to the reference plane, with positive rotations defined as anti-clockwise when looking in the propagation direction of the light. For <inline-formula><mml:math id="M31" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, there is an excess of right-handed circular polarisation, that is, the electric field vector rotates clockwise when looking in the propagation direction of the light.</p>

      <fig id="F1"><label>Figure 1</label><caption><p id="d2e696">The reference system used in MONKI. The <inline-formula><mml:math id="M32" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula>-axis points towards the zenith. The incident light with propagation direction <inline-formula><mml:math id="M33" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is scattered at <inline-formula><mml:math id="M34" display="inline"><mml:mi>O</mml:mi></mml:math></inline-formula> into direction <inline-formula><mml:math id="M35" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> over scattering angle <inline-formula><mml:math id="M36" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The azimuthal angles for the incident and scattered light are denoted by <inline-formula><mml:math id="M37" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M38" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, respectively. The zenith angles of the incident and scattered light are <inline-formula><mml:math id="M39" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M40" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, respectively. Angles <inline-formula><mml:math id="M41" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M42" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the angles between the meridian planes of the incident and scattered light, respectively, with <inline-formula><mml:math id="M43" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the scattering plane.</p></caption>
          <graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/19/9677/2026/gmd-19-9677-2026-f01.png"/>

        </fig>

      <p id="d2e818">The sunlight that is incident at the top of the atmosphere (TOA) of a planet is assumed to be unpolarised <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx39" id="paren.47"/>, and is represented by the flux Stokes vector <inline-formula><mml:math id="M44" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, with

            <disp-formula id="Ch1.E2" content-type="numbered"><label>2</label><mml:math id="M45" display="block"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          and where <inline-formula><mml:math id="M46" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the wavelength-dependent total incident solar flux, measured perpendicular to the propagation direction of the light, expressed in W m<sup>−2</sup> nm<sup>−1</sup>. In Earth observation studies, <inline-formula><mml:math id="M49" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is commonly known as the “irradiance spectrum”. The incident sunlight is assumed to be unidirectional, leading to the following expression for the radiance Stokes vector of the light that is locally reflected by the planetary atmosphere-surface system (thus at TOA) (see <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx32" id="altparen.48"/>)<fn id="Ch1.Footn1"><p id="d2e951"><xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx32" id="text.49"/> used the notation <inline-formula><mml:math id="M50" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> instead of <inline-formula><mml:math id="M51" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the solar flux vector.</p></fn>

            <disp-formula id="Ch1.E3" content-type="numbered"><label>3</label><mml:math id="M52" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M53" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi></mml:math></inline-formula> denotes the 4 <inline-formula><mml:math id="M54" display="inline"><mml:mo>×</mml:mo></mml:math></inline-formula> 4 reflectance matrix of the local atmosphere-surface system. We use the quantities <inline-formula><mml:math id="M55" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M56" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M57" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M58" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) and <inline-formula><mml:math id="M59" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M60" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>≤</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) represent the zenith angles of the propagation directions of the reflected light and the incident direct solar beam, respectively, measured positively from the local zenith (i.e., the <inline-formula><mml:math id="M61" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula>-axis), see Fig. <xref ref-type="fig" rid="F1"/>. Angles <inline-formula><mml:math id="M62" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M63" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) and <inline-formula><mml:math id="M64" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M65" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>≤</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) are the corresponding azimuth angles, respectively. They are defined relative to the <inline-formula><mml:math id="M66" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>-axis of the local Cartesian coordinate system, with the sign convention shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="F1"/>. For (scattered or unscattered) light that is incident on a particle, we use the notations <inline-formula><mml:math id="M67" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M68" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> instead of <inline-formula><mml:math id="M69" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M70" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In addition, we use <inline-formula><mml:math id="M71" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>arccos⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M72" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>arccos⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the viewing and solar zenith angles, defined between <inline-formula><mml:math id="M73" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M74" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with respect to the local normal.</p>
      <p id="d2e1368">Light in the local atmosphere-surface system usually becomes polarised upon scattering, leading to non-zero values of <inline-formula><mml:math id="M75" display="inline"><mml:mi>Q</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M76" display="inline"><mml:mi>U</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and/or <inline-formula><mml:math id="M77" display="inline"><mml:mi>V</mml:mi></mml:math></inline-formula>. From Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E3"/>) it follows that the assumption of unpolarised incident sunlight implies that only the first column of <inline-formula><mml:math id="M78" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi></mml:math></inline-formula>, thus <inline-formula><mml:math id="M79" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">21</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">31</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">41</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, contributes to <inline-formula><mml:math id="M80" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Substituting <inline-formula><mml:math id="M81" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> into Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E3"/>), and omitting the explicit dependencies on angles and wavelengths, we arrive at

            <disp-formula id="Ch1.E4" content-type="numbered"><label>4</label><mml:math id="M82" display="block"><mml:mrow><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">21</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">31</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">41</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>I</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>U</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>V</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where the element <inline-formula><mml:math id="M83" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is referred to as the total TOA reflectance, <inline-formula><mml:math id="M84" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">21</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M85" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">31</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as the linearly polarised TOA reflectances, and <inline-formula><mml:math id="M86" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">41</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as the circularly polarised TOA reflectance. Those TOA reflectances are independent of <inline-formula><mml:math id="M87" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and their (angular and wavelength-dependent) values depend on the composition and structure of the local atmosphere and surface. Similar definitions can be derived for the transmittance at the bottom of the atmosphere (BOA), by replacing <inline-formula><mml:math id="M88" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi></mml:math></inline-formula> in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E3"/>) with <inline-formula><mml:math id="M89" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the 4 <inline-formula><mml:math id="M90" display="inline"><mml:mo>×</mml:mo></mml:math></inline-formula> 4 transmission matrix of the local atmosphere-surface system (note that light that is reflected by the surface can be scattered downwards again by the atmosphere – the atmospheric transmission matrix will thus also depend on the properties of the surface, if present).</p>
      <p id="d2e1627">The polarisation of the reflected or transmitted light beam is quantified by its degree of polarisation <inline-formula><mml:math id="M91" display="inline"><mml:mi>P</mml:mi></mml:math></inline-formula>:

            <disp-formula id="Ch1.E5" content-type="numbered"><label>5</label><mml:math id="M92" display="block"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mi>I</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          The degree of polarisation is independent of the choice of reference plane. For observations in the principal plane, i.e. the vertical plane containing the local zenith direction and the incident solar beam, the viewing direction lies in the same vertical plane as the incident radiation. In this case (with relative azimuth angles of 0 or <inline-formula><mml:math id="M93" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">180</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), the principal plane coincides with the scattering plane. If the local atmosphere-surface system is horizontally homogeneous, symmetry implies that <inline-formula><mml:math id="M94" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and we can use the signed degree of linear polarisation

            <disp-formula id="Ch1.E6" content-type="numbered"><label>6</label><mml:math id="M95" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          When <inline-formula><mml:math id="M96" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is positive (negative), the light is polarised perpendicularly (parallel) to the reference plane. Because <inline-formula><mml:math id="M97" display="inline"><mml:mi>P</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M98" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are relative measures, they are both independent of the incoming solar flux <inline-formula><mml:math id="M99" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2.SS2">
  <label>2.2</label><title>Model grid and geometrical notation</title>
      <p id="d2e1768">The coordinate system used in MONKI is Cartesian, with the positive <inline-formula><mml:math id="M100" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula>-axis pointing towards the local zenith and the <inline-formula><mml:math id="M101" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>- and <inline-formula><mml:math id="M102" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula>-axes oriented horizontally, as shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="F1"/>. The computational domain of the atmosphere-surface system is discretised on a 3D rectangular grid that is composed of <inline-formula><mml:math id="M103" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> columns in the <inline-formula><mml:math id="M104" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> direction, <inline-formula><mml:math id="M105" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> columns in the <inline-formula><mml:math id="M106" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula> direction, and <inline-formula><mml:math id="M107" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> layers in the <inline-formula><mml:math id="M108" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> direction, as illustrated in Fig. <xref ref-type="fig" rid="F2"/>. All columns have the same horizontal dimensions, which may be square or rectangular, while the layer thicknesses may vary with altitude. Each grid cell may contain a different number and type of scattering particles, as described in Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S1"/>. The computational domain is periodic in the horizontal directions: light emerging from one horizontal boundary re-enters the domain through the opposite boundary.</p>

      <fig id="F2" specific-use="star"><label>Figure 2</label><caption><p id="d2e1856">Sketches of the 3D computational domain of MONKI with a photon trajectory (red arrows) in forward mode (left) and backward mode (right). Here, the numbers of columns in the <inline-formula><mml:math id="M109" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M110" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula> directions are <inline-formula><mml:math id="M111" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M112" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, respectively, while <inline-formula><mml:math id="M113" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the number of layers. The domain is periodic in the horizontal directions. At every scattering event (i.e. each change in direction of the red arrow), the probability of scattering towards the detector/eye (in forward mode) or towards the light source/Sun (in backward mode) is computed according to the local estimation method (blue arrows).</p></caption>
          <graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/19/9677/2026/gmd-19-9677-2026-f02.png"/>

        </fig>

      <p id="d2e1924">To indicate in our Monte Carlo simulations the location and direction of a photon that travels through the computational domain, we use the vectors <inline-formula><mml:math id="M114" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M115" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi></mml:math></inline-formula>, that denote position and propagation direction, respectively:

            <disp-formula id="Ch1.E7" content-type="numbered"><label>7</label><mml:math id="M116" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>x</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>y</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>z</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="2em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="array" columnalign="center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          Here, <inline-formula><mml:math id="M117" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M118" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:math></inline-formula> are the local zenith and azimuth angles, respectively, as defined in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2.SS1"/> and shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="F1"/>. Throughout the description of the method, <inline-formula><mml:math id="M119" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi></mml:math></inline-formula> denotes a generic photon propagation direction. At a scattering event, we use <inline-formula><mml:math id="M120" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the propagation direction of the photon incident on the scattering particle, and <inline-formula><mml:math id="M121" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi></mml:math></inline-formula> for the propagation direction after scattering, consistent with the angular notation in Fig. <xref ref-type="fig" rid="F1"/>.</p>
      <p id="d2e2052">The light source (the Sun) and the observer (the detector) are assumed to be sufficiently far from the computational domain that the incident solar beam and the rays towards the detector can be treated as collimated. We denote the entry point of a photon of the incident sunlight at TOA by <inline-formula><mml:math id="M122" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and its direction of propagation by <inline-formula><mml:math id="M123" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Similarly, <inline-formula><mml:math id="M124" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes the point where a photon travelling in the detector direction intersects the TOA or BOA boundary, and <inline-formula><mml:math id="M125" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes the propagation direction of light towards the detector. The directions <inline-formula><mml:math id="M126" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M127" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are therefore constant throughout the domain. When needed, <inline-formula><mml:math id="M128" display="inline"><mml:mi>O</mml:mi></mml:math></inline-formula> denotes the horizontal area of a selected detector grid column at TOA or BOA.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2.SS3">
  <label>2.3</label><title>Calculating the reflected and transmitted sunlight</title>
      <p id="d2e2137">Given an atmosphere-surface system, MONKI computes the total and polarised radiances reflected at TOA, or transmitted at BOA, using the Monte Carlo method <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx45" id="paren.50"><named-content content-type="pre">see, e.g.,</named-content></xref>: photons are traced through the system.<fn id="Ch1.Footn2"><p id="d2e2145">Note that what we refer to as photons in a Monte Carlo radiative transfer simulation are not actual quanta of the electromagnetic field, but rather numerical entities used to simulate the light path in a statistical manner.</p></fn> Since MONKI fully accounts for the polarisation of light, a photon is represented by a normalised Stokes vector, <inline-formula><mml:math id="M129" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, carrying a weight, <inline-formula><mml:math id="M130" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula>, that represents the probability of “survival” of the photon (i.e., <inline-formula><mml:math id="M131" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula> will become zero upon total absorption). Since <inline-formula><mml:math id="M132" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> changes along the photon trajectory, its dependence on position, direction, and previous events is omitted for readability. The trajectory of a photon in the forward mode is summarised in the flow diagram in Fig. <xref ref-type="fig" rid="F3"/>, which is explained below. We refer to Appendices <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S7.SS1"/> to <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S7.SS7"/> for the derivation of the forward Monte Carlo equations for polarised light as used in this section. A similar diagram applies for the backward mode, by replacing “detector” with “the Sun” (see Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2.SS4"/>).</p>

      <fig id="F3" specific-use="star"><label>Figure 3</label><caption><p id="d2e2227">Flow diagram of a photon trajectory in MONKI in forward mode. The boxes in the grey area pertain to the trajectory of the photon through the atmosphere-surface domain, while the boxes in the blue and green areas represent interactions with the atmosphere and surface, respectively.</p></caption>
          <graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/19/9677/2026/gmd-19-9677-2026-f03.png"/>

        </fig>

      <p id="d2e2236">At the start of a forward simulation for light with a given wavelength <inline-formula><mml:math id="M133" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, photons are injected at TOA at randomly sampled entry points <inline-formula><mml:math id="M134" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, with propagation direction <inline-formula><mml:math id="M135" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, normalised Stokes vector <inline-formula><mml:math id="M136" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and weight <inline-formula><mml:math id="M137" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Before a photon moves through the domain, the free photon path length <inline-formula><mml:math id="M138" display="inline"><mml:mi>d</mml:mi></mml:math></inline-formula> (the straight geometrical distance travelled until an atmospheric event, i.e. scattering or absorption, occurs) is sampled as follows (see Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S2"/>):

            <disp-formula id="Ch1.E8" content-type="numbered"><label>8</label><mml:math id="M139" display="block"><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M140" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a random number in the open interval <inline-formula><mml:math id="M141" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, drawn from a uniform distribution. Quantity <inline-formula><mml:math id="M142" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the atmospheric extinction coefficient in m<sup>−1</sup>, which depends on the vertical optical thickness <inline-formula><mml:math id="M144" display="inline"><mml:mi>b</mml:mi></mml:math></inline-formula> and the vertical extent <inline-formula><mml:math id="M145" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the grid cell via <inline-formula><mml:math id="M146" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The wavelength dependence and spatial distribution of <inline-formula><mml:math id="M147" display="inline"><mml:mi>b</mml:mi></mml:math></inline-formula> across the 3D grid depend on the scattering and absorption optical thicknesses of the gases and aerosol particles in the grid cells (see Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S1"/> for a description of the model atmosphere). Although all optical properties and radiances generally depend on the wavelength, we omit the <inline-formula><mml:math id="M148" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi></mml:math></inline-formula>-notation here. In the current version of MONKI, we only consider elastic scattering processes, that is, for which the wavelength of the light remains invariant.</p>
      <p id="d2e2435">Next, the free path length <inline-formula><mml:math id="M149" display="inline"><mml:mi>d</mml:mi></mml:math></inline-formula> is compared with the distance along the straight photon path to the boundary of the grid cell, to check whether the atmospheric event occurs in the current cell. If so, the photon is moved to the atmospheric event location. If not, the photon is moved along its straight path to the grid cell boundary. The grid cell boundary may be (1) the surface, (2) TOA where the photon leaves the simulation, or (3) the boundary of an adjacent grid cell. In the latter case, the free path length that remains after reaching the boundary is rescaled using the <inline-formula><mml:math id="M150" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:math></inline-formula> value of the grid cell that the photon enters.</p>
      <p id="d2e2452">If an atmospheric event occurs, the photon interacts with one of the atmospheric constituents present in the grid cell: either the gas or one of the <inline-formula><mml:math id="M151" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> aerosol types. To determine which constituent is encountered, we draw a uniformly distributed random number <inline-formula><mml:math id="M152" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> between 0 and 1 and solve the following inequality for the constituent type index <inline-formula><mml:math id="M153" display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula> <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx3" id="paren.51"><named-content content-type="pre">see, e.g., Eq. 18 of</named-content></xref>:

            <disp-formula id="Ch1.E9" content-type="numbered"><label>9</label><mml:math id="M154" display="block"><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>≤</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M155" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the total extinction coefficient of constituent <inline-formula><mml:math id="M156" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the grid cell. Here, the constituents comprise the gas and the <inline-formula><mml:math id="M157" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> aerosol types, and <inline-formula><mml:math id="M158" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the total extinction coefficient of the grid cell. Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S1"/> explains how this constituent-wise treatment is related to the effective optical properties of a grid cell that contains gas molecules and one or more aerosol types.</p>
      <p id="d2e2637">In an atmospheric event, the photon is either absorbed or scattered by the constituent that it encounters. The probability of scattering is, by definition, equal to the single-scattering albedo <inline-formula><mml:math id="M159" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of that constituent, and that of absorption equals <inline-formula><mml:math id="M160" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Instead of removing the photon from the simulation upon absorption, we apply a more efficient approach: multiplying the photon weight <inline-formula><mml:math id="M161" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula> by <inline-formula><mml:math id="M162" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Thus, if the gas is selected, <inline-formula><mml:math id="M163" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula> is multiplied by <inline-formula><mml:math id="M164" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>; if aerosol type <inline-formula><mml:math id="M165" display="inline"><mml:mi>c</mml:mi></mml:math></inline-formula> is selected, <inline-formula><mml:math id="M166" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula> is multiplied by <inline-formula><mml:math id="M167" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (see Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S1"/>). If the photon has lost virtually all of its weight<fn id="Ch1.Footn3"><p id="d2e2736">We set <inline-formula><mml:math id="M168" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">16</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as the minimum weight for a photon to continue in the simulation.</p></fn>, the photon is removed from the simulation. Otherwise, its contribution to the TOA or BOA signal measured by the detector for this scattering event is computed, as explained below.</p>
      <p id="d2e2758">Instead of collecting photons within the narrow solid angle subtended by the detector, MONKI uses the more efficient “local estimation method” <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx44 bib1.bibx45" id="paren.52"/>, a standard approach in Monte Carlo radiative transfer algorithms <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx62 bib1.bibx47 bib1.bibx21" id="paren.53"><named-content content-type="pre">see, e.g.,</named-content></xref>. In this method, the photon is used to simulate the signal contributions of all atmospheric scattering and surface reflection events along the photon's trajectory. Suppose that we have a detector towards the direction <inline-formula><mml:math id="M169" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. For an atmospheric event involving constituent type <inline-formula><mml:math id="M170" display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the contribution to the TOA or BOA signal measured by the detector is expressed by the column vector <inline-formula><mml:math id="M171" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">W</mml:mi></mml:math></inline-formula>:

            <disp-formula id="Ch1.E10" content-type="numbered"><label>10</label><mml:math id="M172" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">W</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:munderover><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          where the exponential term represents the direct transmittance along the straight path <inline-formula><mml:math id="M173" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in direction <inline-formula><mml:math id="M174" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, from the location <inline-formula><mml:math id="M175" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:math></inline-formula> of the considered event (<inline-formula><mml:math id="M176" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) to the detector boundary (<inline-formula><mml:math id="M177" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), and <inline-formula><mml:math id="M178" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the normalised <inline-formula><mml:math id="M179" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> phase matrix of the selected constituent type, describing the scattering of the event's incident normalised Stokes vector <inline-formula><mml:math id="M180" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in direction <inline-formula><mml:math id="M181" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> towards the detector in direction <inline-formula><mml:math id="M182" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The extinction coefficient <inline-formula><mml:math id="M183" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:math></inline-formula> in the transmittance term is the total extinction coefficient of the atmospheric mixture along the path. MONKI can, in practice, compute the result of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E10"/>) simultaneously for multiple viewing zenith angles <inline-formula><mml:math id="M184" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> given a viewing azimuth angle <inline-formula><mml:math id="M185" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d2e3086">For the selected atmospheric constituent type <inline-formula><mml:math id="M186" display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the phase matrix is computed as

            <disp-formula id="Ch1.E11" content-type="numbered"><label>11</label><mml:math id="M187" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">F</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M188" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">F</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the single-scattering matrix of the selected constituent, i.e. the gas or one of the aerosol types at <inline-formula><mml:math id="M189" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:math></inline-formula> (see Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S1"/>). Matrix <inline-formula><mml:math id="M190" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">F</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> depends on the scattering angle <inline-formula><mml:math id="M191" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>arccos⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (see Fig. <xref ref-type="fig" rid="F1"/>) and on <inline-formula><mml:math id="M192" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Matrix <inline-formula><mml:math id="M193" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the 4 <inline-formula><mml:math id="M194" display="inline"><mml:mo>×</mml:mo></mml:math></inline-formula> 4 rotation matrix that transforms the Stokes vector between different reference planes <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx36" id="paren.54"><named-content content-type="pre">see</named-content></xref>:

            <disp-formula id="Ch1.E12" content-type="numbered"><label>12</label><mml:math id="M195" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mtable class="matrix" columnalign="center center center center" framespacing="0em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          Rotation angle <inline-formula><mml:math id="M196" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi></mml:math></inline-formula> is positive in the anti-clockwise direction when viewed along the propagation direction of the light. Specifically, angles <inline-formula><mml:math id="M197" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M198" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E11"/>) are the angles required to rotate the reference plane from the local meridian plane of the incident beam to the local meridian plane of the scattered beam (see Fig. <xref ref-type="fig" rid="F1"/>). For a given incident photon direction and selected atmospheric constituent, matrix <inline-formula><mml:math id="M199" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> thus generally depends on the two angles that describe the detector direction <inline-formula><mml:math id="M200" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, namely <inline-formula><mml:math id="M201" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M202" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d2e3439">If the photon reaches the surface, <inline-formula><mml:math id="M203" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula> is multiplied by the surface albedo, <inline-formula><mml:math id="M204" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which equals the probability of reflection by the Lambertian surface. The value of <inline-formula><mml:math id="M205" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can depend on <inline-formula><mml:math id="M206" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. If the photon retains enough weight (see footnote 3) and the detector is at TOA, the surface reflection contribution to the TOA signal is computed, again using Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E10"/>). For <inline-formula><mml:math id="M207" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the atmospheric scattering factor <inline-formula><mml:math id="M208" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E10"/>) is replaced by:

            <disp-formula id="Ch1.E13" content-type="numbered"><label>13</label><mml:math id="M209" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">L</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mtable class="matrix" columnalign="center center center center" framespacing="0em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M210" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, with <inline-formula><mml:math id="M211" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the zenith angle corresponding to the detector direction <inline-formula><mml:math id="M212" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The factor <inline-formula><mml:math id="M213" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> corresponds to the probability density function of the Lambertian surface reflection direction (see Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S3.E55"/>), and <inline-formula><mml:math id="M214" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">L</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the <inline-formula><mml:math id="M215" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> Lambertian surface reflection matrix, which is filled with zeros except for its upper left element which equals <inline-formula><mml:math id="M216" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (see Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E13"/>). The division by <inline-formula><mml:math id="M217" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is necessary because, as explained above, the multiplication by <inline-formula><mml:math id="M218" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is already included in <inline-formula><mml:math id="M219" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d2e3747">After computing the event's contribution to the TOA or BOA signal, the new propagation direction of the photon, <inline-formula><mml:math id="M220" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi></mml:math></inline-formula>, is sampled from the probability density function of the atmospheric scattering or surface reflection direction. To sample this new direction, we apply either the inverse transform method or the acceptance-rejection method, depending on the type of event, fully accounting for the photon's state of polarisation along its trajectory (see Appendices <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S3"/>, <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S4"/>, <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S5"/>, and <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S6"/> for details on those methods and the choice of method). For the continuation of the photon's trajectory after an atmospheric event, its Stokes vector is adjusted as follows (see Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S7.SS7"/>):

            <disp-formula id="Ch1.E14" content-type="numbered"><label>14</label><mml:math id="M221" display="block"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M222" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the normalised Stokes vector before the event, and <inline-formula><mml:math id="M223" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is computed for the newly sampled propagation direction <inline-formula><mml:math id="M224" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi></mml:math></inline-formula> and the incident direction <inline-formula><mml:math id="M225" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The division by the first element, indicated by <inline-formula><mml:math id="M226" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, of the scattered Stokes vector is necessary for normalisation. Indeed, in this way the first element of <inline-formula><mml:math id="M227" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> remains equal to 1.0, as the directional dependence of <inline-formula><mml:math id="M228" display="inline"><mml:mi>I</mml:mi></mml:math></inline-formula> is already taken care of in the sampling of the new photon direction, while the probability of scattering instead of absorption at an atmospheric event is captured by <inline-formula><mml:math id="M229" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula>. For a surface event, we set <inline-formula><mml:math id="M230" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, because the Lambertian reflection fully depolarises the photon, while the probability of surface reflection instead of absorption is captured by the multiplication of <inline-formula><mml:math id="M231" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula> by <inline-formula><mml:math id="M232" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d2e3971">Next, a new free path length <inline-formula><mml:math id="M233" display="inline"><mml:mi>d</mml:mi></mml:math></inline-formula> is sampled using Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E8"/>) in case of an atmospheric event, or the remaining free path length is computed in case of a surface event. The photon continues its trajectory, where it again may be (partially) absorbed or scattered, or reflected by the surface.</p>
      <p id="d2e3983">Finally, the detector radiance Stokes vector in the direction <inline-formula><mml:math id="M234" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and at wavelength <inline-formula><mml:math id="M235" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, for a given grid column and averaged over its horizontal area <inline-formula><mml:math id="M236" display="inline"><mml:mi>O</mml:mi></mml:math></inline-formula> at TOA or BOA, is computed using the unbiased estimator (see also Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S7.SS10"/>):

            <disp-formula id="Ch1.E15" content-type="numbered"><label>15</label><mml:math id="M237" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">W</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">χ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">where</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">χ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="{" close=""><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="cases" columnspacing="1em" columnalign="left left" framespacing="0em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>if </mml:mtext><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>•</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mtext>otherwise.</mml:mtext></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          The summation is performed over all <inline-formula><mml:math id="M238" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> scattering and surface reflection events of all <inline-formula><mml:math id="M239" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> photons injected into each of the <inline-formula><mml:math id="M240" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>×</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> grid columns at TOA. By default, MONKI assumes <inline-formula><mml:math id="M241" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Vector <inline-formula><mml:math id="M242" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">W</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes the local-estimation contribution of event <inline-formula><mml:math id="M243" display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> of photon <inline-formula><mml:math id="M244" display="inline"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula> injected in source column <inline-formula><mml:math id="M245" display="inline"><mml:mi>j</mml:mi></mml:math></inline-formula> towards the detector direction <inline-formula><mml:math id="M246" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E10"/>), and the indicator function <inline-formula><mml:math id="M247" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">χ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> selects only those contributions whose straight detector path intersects TOA or BOA within the horizontal area <inline-formula><mml:math id="M248" display="inline"><mml:mi>O</mml:mi></mml:math></inline-formula> of the considered grid column, at location <inline-formula><mml:math id="M249" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>•</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Thus, photons injected in grid columns other than the considered one can also contribute to its signal. The factor <inline-formula><mml:math id="M250" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> accounts for the conversion between the horizontal source and detector areas associated with the same scattering volume element (see Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S7.SS6"/>). The explicit dependence of <inline-formula><mml:math id="M251" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi></mml:math></inline-formula> on the horizontal area <inline-formula><mml:math id="M252" display="inline"><mml:mi>O</mml:mi></mml:math></inline-formula> is only relevant for horizontally inhomogeneous scenes, where the estimator yields the radiance Stokes vector averaged over that area. For horizontally homogeneous scenes, this dependence vanishes because the same radiance is obtained everywhere within <inline-formula><mml:math id="M253" display="inline"><mml:mi>O</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2.SS4">
  <label>2.4</label><title>Backward Monte Carlo simulation</title>
      <p id="d2e4438">MONKI can be used in both forward and backward modes. In backward mode, photon paths are traced from the detector towards the light source (the Sun), as illustrated in Fig. <xref ref-type="fig" rid="F2"/>. The detector radiance Stokes vector is again computed using the local estimation method, here with the option to evaluate multiple solar zenith angles <inline-formula><mml:math id="M254" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at a fixed solar azimuth angle <inline-formula><mml:math id="M255" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> simultaneously.</p>
      <p id="d2e4465">The backward mode is particularly useful when the detector is at a finite distance from, or even inside, the atmosphere-surface system. Although this application is not treated in the present paper, it is important for future extensions of MONKI to spherical atmospheres in combination with a detector at a finite distance. In such cases, the path from a scattering event to the detector depends on the location of the event, and the detector cannot be represented by a single collimated viewing direction throughout the domain. Consequently, in forward mode, only a small fraction of photons launched from the source would reach the detector's field of view, severely limiting the code's efficiency. In backward mode, by contrast, photons are launched from the detector, so that all traced photon paths lie within its field of view. Assuming collimated illumination from a light source at infinite distance, every backward-traced photon that is not completely absorbed can, in principle, be connected to the source direction and therefore contributes to the local estimate. We refer to Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S7.SS8"/> for the derivation of the backward Monte Carlo equations for polarised light as used in this section.</p>
      <p id="d2e4470">According to the reciprocity principle <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx37" id="paren.55"><named-content content-type="pre">see Sect. 2.4 of</named-content></xref>, reversing a light path through a medium preserves the reflectance and transmittance along the original path. In practice, this principle allows swapping the light source and detector in a radiative transfer simulation and launching photons in the reverse direction. In the following, we continue to use <inline-formula><mml:math id="M256" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M257" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi></mml:math></inline-formula> for the incident and scattered propagation directions in the associated forward trajectory. Thus, along the backward trajectory, the photon arrives at the current event from the detector side with propagation direction <inline-formula><mml:math id="M258" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and leaves the event towards the source side with propagation direction <inline-formula><mml:math id="M259" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Reversing both propagation directions leaves the scattering angle <inline-formula><mml:math id="M260" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>arccos⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>arccos⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> unchanged.</p>
      <p id="d2e4575">At atmospheric events in the backward mode, the interacting constituent type <inline-formula><mml:math id="M261" display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula> is selected in the same way as in the forward mode, and the photon weight is multiplied by the corresponding single-scattering albedo <inline-formula><mml:math id="M262" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Because MONKI accounts for polarisation, the orientation of the Stokes vector must be mirrored relative to the reference plane when tracing the reversed photon trajectory. That is, the phase matrices used in the reversed light path do not give the desired result (which is the scattered radiance in the forward light path), and must be corrected as follows <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx37" id="paren.56"><named-content content-type="pre">see Eq. 3.37 of</named-content></xref><fn id="Ch1.Footn4"><p id="d2e4600">The relation of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E16"/>) is only valid for particles (including gaseous molecules) very small compared to the wavelength, or particles accompanied by their mirror particles in equal numbers and in random orientation, or particles with a plane of symmetry (such as spheres, spheroids, ellipsoids, cylinders and cubes) that are randomly oriented <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx37" id="paren.57"><named-content content-type="pre">see</named-content><named-content content-type="post">Sects. 2.4, 2.7 and 3.3</named-content></xref>.</p></fn>:

            <disp-formula id="Ch1.E16" content-type="numbered"><label>16</label><mml:math id="M263" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Δ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Δ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where the minus signs indicate reversed propagation directions, the superscript T denotes the transpose, and <inline-formula><mml:math id="M264" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Δ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is given by

            <disp-formula id="Ch1.E17" content-type="numbered"><label>17</label><mml:math id="M265" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Δ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mtable class="array" columnalign="center center center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          In the backward mode, the normalised unpolarised incident Stokes vector, <inline-formula><mml:math id="M266" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, must be multiplied by the phase matrices at the end of the photon trajectory. That is, the event's contribution to the TOA or BOA signal measured by the detector is computed as follows:

            <disp-formula id="Ch1.E18" content-type="numbered"><label>18</label><mml:math id="M267" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">W</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          where the direct transmittance is calculated in direction <inline-formula><mml:math id="M268" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from the event location <inline-formula><mml:math id="M269" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M270" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) to the entry location of the solar beam (<inline-formula><mml:math id="M271" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). Matrix <inline-formula><mml:math id="M272" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is the <inline-formula><mml:math id="M273" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> normalised detector-response matrix, which contains the cumulative polarisation transformation between the current event and the detector, and its path dependence is omitted from the notation. The phase matrix <inline-formula><mml:math id="M274" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E18"/>) describes the first scattering event of the associated forward trajectory, from the sunlight direction <inline-formula><mml:math id="M275" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> into the direction <inline-formula><mml:math id="M276" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Along the backward trajectory, this same event is encountered in reverse, from <inline-formula><mml:math id="M277" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> towards <inline-formula><mml:math id="M278" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Therefore the phase matrix is obtained from the reversed one using the reciprocity correction of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E16"/>). For a surface event, the atmospheric phase-matrix factor <inline-formula><mml:math id="M279" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is replaced by the corresponding Lambertian surface-reflection factor, analogous to Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E13"/>).</p>
      <p id="d2e5115">After computing the event's contribution to the TOA or BOA signal, the new upstream direction of the backward-traced photon, <inline-formula><mml:math id="M280" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, is sampled from the polarisation-dependent probability density function of the scattering direction, now using the propagated matrix <inline-formula><mml:math id="M281" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> (see Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S7.SS8"/>). At the start of the backward simulation at the detector, <inline-formula><mml:math id="M282" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is initialised as the identity matrix. It is updated at each event to retain the full polarisation history accumulated along the backward photon trajectory as follows (Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S7.SS8"/>):

            <disp-formula id="Ch1.E19" content-type="numbered"><label>19</label><mml:math id="M283" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          Here, <inline-formula><mml:math id="M284" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the propagation direction of the backward-traced photon on the detector side of the current event, and  <inline-formula><mml:math id="M285" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes the updated detector-response matrix after sampling the new upstream propagation direction on the source side, <inline-formula><mml:math id="M286" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Note that the right-multiplications by <inline-formula><mml:math id="M287" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E19"/>) for all events are applied before the multiplication by <inline-formula><mml:math id="M288" display="inline"><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:math></inline-formula> in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E18"/>) <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx12" id="paren.58"><named-content content-type="pre">see also</named-content></xref>. For a surface event, the detector-response matrix is updated analogously, using the corresponding Lambertian surface-reflection matrix instead of the atmospheric phase matrix.</p>
      <p id="d2e5304">Finally, the detector radiance Stokes vector in the direction <inline-formula><mml:math id="M289" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and at wavelength <inline-formula><mml:math id="M290" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, for a given grid column and averaged over its horizontal area <inline-formula><mml:math id="M291" display="inline"><mml:mi>O</mml:mi></mml:math></inline-formula> at TOA or BOA, is computed by the unbiased estimator (see Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S7.SS10"/>):

            <disp-formula id="Ch1.E20" content-type="numbered"><label>20</label><mml:math id="M292" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">W</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where the summation is performed over all <inline-formula><mml:math id="M293" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> scattering and surface reflection events of all <inline-formula><mml:math id="M294" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> photons launched uniformly over the horizontal area <inline-formula><mml:math id="M295" display="inline"><mml:mi>O</mml:mi></mml:math></inline-formula> of the considered grid column at TOA or BOA, and again <inline-formula><mml:math id="M296" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by default. Here, <inline-formula><mml:math id="M297" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">W</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes the backward local-estimation contribution of event <inline-formula><mml:math id="M298" display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> of photon <inline-formula><mml:math id="M299" display="inline"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula> (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E18"/>). In contrast to the forward mode (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E15"/>), no factor <inline-formula><mml:math id="M300" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, no indicator function <inline-formula><mml:math id="M301" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">χ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and no additional sum over the <inline-formula><mml:math id="M302" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>×</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> source columns appear, because in backward mode the estimator is written directly for photons launched from and averaged over the same detector area <inline-formula><mml:math id="M303" display="inline"><mml:mi>O</mml:mi></mml:math></inline-formula> of the considered grid column (see Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S7.SS10"/>).</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2.SS5">
  <label>2.5</label><title>Precomputation of optical paths to the detector</title>
      <p id="d2e5557">The extinction coefficient <inline-formula><mml:math id="M304" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:math></inline-formula> in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E10"/>) depends on the position <inline-formula><mml:math id="M305" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> along the straight path between the event location and the detector boundary. Coefficient <inline-formula><mml:math id="M306" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:math></inline-formula> may vary across grid cells within the 3D domain. Moreover, the lengths of the different path segments within each grid cell depend on both the location of the event and the detector direction <inline-formula><mml:math id="M307" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The integral in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E10"/>) can be numerically evaluated by propagating the photon from the event location to the detector boundary, obtaining <inline-formula><mml:math id="M308" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:math></inline-formula> and the path segment length for each grid cell.</p>
      <p id="d2e5608">This evaluation is computationally expensive, as it must be performed for all events of each photon and every viewing zenith angle of the detector. However, if the path to the detector passes through atmospheric grid cells that have the same optical properties in the horizontal directions, the horizontal cell boundaries can be neglected along this path, as only the extinction coefficient <inline-formula><mml:math id="M309" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:math></inline-formula> and the path segment length per layer are relevant. If the event occurs at the bottom boundary of a layer, while the detector is above TOA, then Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E10"/>) simplifies to:

            <disp-formula id="Ch1.E21" content-type="numbered"><label>21</label><mml:math id="M310" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">W</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M311" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes the index of the layer where the event happens and <inline-formula><mml:math id="M312" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the path segment length through layer <inline-formula><mml:math id="M313" display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> in the direction from the event to the detector. Note that <inline-formula><mml:math id="M314" display="inline"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be computed for each <inline-formula><mml:math id="M315" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M316" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> prior to simulating the photon trajectories. If the event occurs within the atmosphere and not exactly at a layer boundary (as is most often the case), the photon is first propagated by a distance <inline-formula><mml:math id="M317" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> towards the detector until it reaches the nearest layer boundary. The term <inline-formula><mml:math id="M318" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is then added to <inline-formula><mml:math id="M319" display="inline"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. A similar approach applies for a detector below BOA. An analogous expression can be derived for the backward mode, by precomputing the optical path from the event towards the sunlight-entry boundary.</p>
      <p id="d2e5937">In 3D cloudy scenes, there are still many cloud-free paths between atmospheric or surface events and the detector, for example, when events occur in atmospheric layers above the clouds or between patchy clouds. For every grid cell, we precompute whether straight paths to the detector are cloud- and aerosol-free from all cell corners as well as for several points within each cell. If these paths pass through gas only, the grid cell is flagged. Assuming that the gas is horizontally homogeneous, we use Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E21"/>) for events in the flagged cells, eliminating the need to propagate photons between the event locations and the detector boundary. This approach is computationally more efficient compared to evaluating Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E10"/>), while its results are identical.<fn id="Ch1.Footn5"><p id="d2e5944">The computation speed increases with the number of cloud-free grid cells and viewing directions. For example, for the cloudy Earth sample signal of Fig. <xref ref-type="fig" rid="F12"/>, for <inline-formula><mml:math id="M320" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and 90 viewing zenith angles, the speed improvement is a factor 1.9.</p></fn></p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2.SS6">
  <label>2.6</label><title>Simulation rounds and noise estimation</title>
      <p id="d2e5985">The computation of the detector radiance Stokes vector with Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E15"/>), or Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E20"/>) in backward mode, using <inline-formula><mml:math id="M321" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> photons per column is called one simulation round. In practice, we perform <inline-formula><mml:math id="M322" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> independent rounds, so that in total <inline-formula><mml:math id="M323" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> photons per column are used. Let <inline-formula><mml:math id="M324" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denote the estimate of the first Stokes component obtained in round <inline-formula><mml:math id="M325" display="inline"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The value reported in this paper is the mean over all rounds,

            <disp-formula id="Ch1.E22" content-type="numbered"><label>22</label><mml:math id="M326" display="block"><mml:mrow><mml:mo>〈</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>〉</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          The Monte Carlo noise of this reported mean is estimated from the scatter between the independent round estimates:

            <disp-formula id="Ch1.E23" content-type="numbered"><label>23</label><mml:math id="M327" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>〈</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>〉</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          This quantity estimates the standard error of the mean <inline-formula><mml:math id="M328" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>〈</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>〉</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, not the standard deviation of the individual round estimates <inline-formula><mml:math id="M329" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.<fn id="Ch1.Footn6"><p id="d2e6222">Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E23"/>) is obtained by first estimating the scatter between the independent round estimates <inline-formula><mml:math id="M330" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx45" id="paren.59"><named-content content-type="pre">cf. Eq. 4.46 of</named-content></xref>, and then dividing by <inline-formula><mml:math id="M331" display="inline"><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt></mml:math></inline-formula> to obtain the standard error of their mean. Since each round contains the same number of photons, averaging over <inline-formula><mml:math id="M332" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> rounds is statistically equivalent to using one simulation with <inline-formula><mml:math id="M333" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> independent photons.</p></fn> To obtain a reliable estimate of <inline-formula><mml:math id="M334" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>〈</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>〉</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we require <inline-formula><mml:math id="M335" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">30</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In this paper, we use <inline-formula><mml:math id="M336" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">100</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The same procedure is applied to the other Stokes components <inline-formula><mml:math id="M337" display="inline"><mml:mi>Q</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M338" display="inline"><mml:mi>U</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M339" display="inline"><mml:mi>V</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="Ch1.S3">
  <label>3</label><title>Validation results</title>
      <p id="d2e6358">In this section, we present the validation of MONKI. In Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S3.SS1"/>, we validate MONKI's total and polarised radiances for horizontally homogeneous scenes by comparing them with results from the widely used doubling–adding method. In Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S3.SS2"/>, we validate MONKI's total and polarised radiances against benchmark results for thick Rayleigh-scattering atmospheres. In Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S3.SS3"/>, we validate MONKI for scenes with 3D cloud structures. In what follows, all results that we present are for a detector at TOA or BOA. Therefore, we omit the <inline-formula><mml:math id="M340" display="inline"><mml:mo>•</mml:mo></mml:math></inline-formula> notation for the detector direction, and use <inline-formula><mml:math id="M341" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M342" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M343" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:math></inline-formula> instead of <inline-formula><mml:math id="M344" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M345" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M346" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
<sec id="Ch1.S3.SS1">
  <label>3.1</label><title>Comparison with de Haan et al. (1987)</title>
      <p id="d2e6436">Here, we present a comparison of total and polarised radiances that emerge from a horizontally homogeneous atmosphere-surface system (i.e., <inline-formula><mml:math id="M347" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) with the benchmark results of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx15" id="text.60"/>, who used an efficient doubling-adding algorithm that included full polarisation for all orders of scattering.</p>

<table-wrap id="T1" specific-use="star"><label>Table 1</label><caption><p id="d2e6467">Comparison of the TOA radiances computed with MONKI, using 10<sup>7</sup> photons in forward mode, with the benchmark results of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx15" id="text.61"/> for an atmosphere consisting of two plane-parallel layers with a total optical thickness <inline-formula><mml:math id="M349" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.6</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (see text), and an underlying Lambertian reflecting surface with <inline-formula><mml:math id="M350" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The direction of the incident unpolarised light beam is <inline-formula><mml:math id="M351" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.33em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.5</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.33em" linebreak="nobreak"/><mml:mn mathvariant="normal">0.0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The reported uncertainties in the MONKI results refer to twice the standard error of the mean, evaluated separately for each Stokes component using Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E23"/>).</p></caption><oasis:table frame="topbot"><oasis:tgroup cols="8">
     <oasis:colspec colnum="1" colname="col1" align="left"/>
     <oasis:colspec colnum="2" colname="col2" align="left"/>
     <oasis:colspec colnum="3" colname="col3" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="4" colname="col4" align="right" colsep="1"/>
     <oasis:colspec colnum="5" colname="col5" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="6" colname="col6" align="right" colsep="1"/>
     <oasis:colspec colnum="7" colname="col7" align="right"/>
     <oasis:colspec colnum="8" colname="col8" align="right"/>
     <oasis:thead>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1"/>
         <oasis:entry colname="col2"/>
         <oasis:entry rowsep="1" namest="col3" nameend="col4" align="center" colsep="1"><inline-formula><mml:math id="M352" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry rowsep="1" namest="col5" nameend="col6" align="center" colsep="1"><inline-formula><mml:math id="M353" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.5</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry rowsep="1" namest="col7" nameend="col8" align="center"><inline-formula><mml:math id="M354" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row rowsep="1">
         <oasis:entry colname="col1"/>
         <oasis:entry colname="col2"/>
         <oasis:entry colname="col3">de Haan</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">MONKI</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">de Haan</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6">MONKI</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col7">de Haan</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col8">MONKI</oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:thead>
     <oasis:tbody>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M355" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.5</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M356" display="inline"><mml:mi>I</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">0.532950</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">0.532497 <inline-formula><mml:math id="M357" display="inline"><mml:mo>±</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.000605</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">0.208430</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6">0.208432 <inline-formula><mml:math id="M358" display="inline"><mml:mo>±</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.000225</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col7">0.093680</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col8">0.093679 <inline-formula><mml:math id="M359" display="inline"><mml:mo>±</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.000077</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M360" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M361" display="inline"><mml:mi>Q</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M362" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.028340</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M363" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.028361</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M364" display="inline"><mml:mo>±</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.000137</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5"><inline-formula><mml:math id="M365" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.036299</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6"><inline-formula><mml:math id="M366" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.036337</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M367" display="inline"><mml:mo>±</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.000069</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col7"><inline-formula><mml:math id="M368" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.024156</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col8"><inline-formula><mml:math id="M369" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.024158</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M370" display="inline"><mml:mo>±</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.000038</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1"/>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M371" display="inline"><mml:mi>U</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">0.000000</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">0.000040 <inline-formula><mml:math id="M372" display="inline"><mml:mo>±</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.000125</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">0.000000</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6"><inline-formula><mml:math id="M373" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.000033</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M374" display="inline"><mml:mo>±</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.000049</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col7">0.000000</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col8"><inline-formula><mml:math id="M375" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.000008</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M376" display="inline"><mml:mo>±</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.000023</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row rowsep="1">
         <oasis:entry colname="col1"/>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M377" display="inline"><mml:mi>V</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">0.000000</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M378" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.000007</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M379" display="inline"><mml:mo>±</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.000011</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">0.000000</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6"><inline-formula><mml:math id="M380" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.000001</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M381" display="inline"><mml:mo>±</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.000006</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col7">0.000000</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col8">0.000000 <inline-formula><mml:math id="M382" display="inline"><mml:mo>±</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.000002</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M383" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.5</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M384" display="inline"><mml:mi>I</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">0.418140</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">0.417873 <inline-formula><mml:math id="M385" display="inline"><mml:mo>±</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.000489</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">0.184970</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6">0.185024 <inline-formula><mml:math id="M386" display="inline"><mml:mo>±</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.000206</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col7">0.093680</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col8">0.093679 <inline-formula><mml:math id="M387" display="inline"><mml:mo>±</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.000077</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math id="M388" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">30</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M389" display="inline"><mml:mi>Q</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M390" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.000058</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M391" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.000067</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M392" display="inline"><mml:mo>±</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.000130</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5"><inline-formula><mml:math id="M393" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.019649</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6"><inline-formula><mml:math id="M394" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.019663</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M395" display="inline"><mml:mo>±</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.000064</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col7"><inline-formula><mml:math id="M396" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.012078</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col8"><inline-formula><mml:math id="M397" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.012072</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M398" display="inline"><mml:mo>±</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.000028</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1"/>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M399" display="inline"><mml:mi>U</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math id="M400" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.073705</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math id="M401" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.073144</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M402" display="inline"><mml:mo>±</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.000156</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5"><inline-formula><mml:math id="M403" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.041401</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6"><inline-formula><mml:math id="M404" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.041470</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M405" display="inline"><mml:mo>±</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.000077</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col7"><inline-formula><mml:math id="M406" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.020920</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col8"><inline-formula><mml:math id="M407" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.020925</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M408" display="inline"><mml:mo>±</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.000034</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1"/>
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math id="M409" display="inline"><mml:mi>V</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">0.000106</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col4">0.000107 <inline-formula><mml:math id="M410" display="inline"><mml:mo>±</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.000011</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col5">0.000040</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col6">0.000044 <inline-formula><mml:math id="M411" display="inline"><mml:mo>±</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.000006</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col7">0.000000</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col8">0.000000 <inline-formula><mml:math id="M412" display="inline"><mml:mo>±</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.000002</oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:tbody>
   </oasis:tgroup></oasis:table></table-wrap>

      <p id="d2e7317">The paper by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx15" id="text.62"/> lists benchmark results for different atmosphere-surface systems. We compare with their results for an atmosphere with a total optical thickness <inline-formula><mml:math id="M413" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.6</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> that consists of two plane-parallel layers. Both layers contain gaseous molecules with a scattering optical thickness <inline-formula><mml:math id="M414" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">sca</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The bottom layer also contains water-haze <inline-formula><mml:math id="M415" display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> aerosols <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx17" id="paren.63"/>, with a scattering optical thickness <inline-formula><mml:math id="M416" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">sca</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.4</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The aerosol characteristics and expansion coefficients at <inline-formula><mml:math id="M417" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.70</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M418" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">µ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>m are provided by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx16" id="text.64"/>. There is no absorption of light (<inline-formula><mml:math id="M419" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">abs</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">abs</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), and the depolarisation factor of the gaseous molecules is 0.0279, a typical value for terrestrial air. The atmosphere is illuminated from above by unidirectional, unpolarised light propagating in the direction <inline-formula><mml:math id="M420" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.33em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.5</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.33em"/><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with a total flux <inline-formula><mml:math id="M421" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> equal to <inline-formula><mml:math id="M422" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The Lambertian reflecting surface has an albedo <inline-formula><mml:math id="M423" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of 0.1.</p>
      <p id="d2e7499">Table <xref ref-type="table" rid="T1"/> shows the benchmark results and simulated TOA radiances with MONKI for six viewing geometries: <inline-formula><mml:math id="M424" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.33em" linebreak="nobreak"/><mml:mn mathvariant="normal">0.5</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.33em"/><mml:mn mathvariant="normal">1.0</mml:mn><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M425" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.33em"/><mml:mn mathvariant="normal">30</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx15" id="paren.65"><named-content content-type="pre">see Table 9 of</named-content></xref>. The simulations were done in forward mode and used 10<sup>7</sup> photons in total, distributed over 100 rounds. The listed errors represent twice the standard error of the mean, evaluated separately for each Stokes component using Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E23"/>). The results agree excellently: almost all differences between the MONKI results and those of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx15" id="text.66"/> fall within twice the standard error of the mean. The magnitude of these differences is comparable to that reported by MYSTIC for simulations with <inline-formula><mml:math id="M427" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> photons, as shown in Table 2 of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx23" id="text.67"/>, and would further decrease if more photons were used. The MONKI results for a solar geometry with <inline-formula><mml:math id="M428" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.33em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.33em"/><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and those for a detector on the surface (not in Table <xref ref-type="table" rid="T1"/>) also show excellent agreement (see Tables S1, S2, and S3 in the Supplement). Using MONKI's backward mode, we find similar results (see Tables S4, S5, S6, and S7).</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S3.SS2">
  <label>3.2</label><title>Comparison with Natraj and Hovenier (2012)</title>
      <p id="d2e7636">The model atmospheres used by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx15" id="text.68"/> are optically relatively thin. Here, we compare with the benchmark results of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx52" id="text.69"/>, who reported total and polarised radiances of light that is reflected and transmitted by optically thick Rayleigh-scattering atmospheres, computed using the method of <inline-formula><mml:math id="M429" display="inline"><mml:mi>X</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M430" display="inline"><mml:mi>Y</mml:mi></mml:math></inline-formula> functions <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx11 bib1.bibx53" id="paren.70"/>. According to <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx52" id="text.71"/>, their results are accurate up to eight decimal places.</p>

      <fig id="F4" specific-use="star"><label>Figure 4</label><caption><p id="d2e7668">Comparison of the TOA radiances <inline-formula><mml:math id="M431" display="inline"><mml:mi>I</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M432" display="inline"><mml:mi>Q</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M433" display="inline"><mml:mi>U</mml:mi></mml:math></inline-formula> computed with MONKI using 10<sup>7</sup> photons in forward mode (crosses) with the benchmark results from <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx52" id="text.72"/> (circles), for a Rayleigh-scattering atmosphere with an optical thickness <inline-formula><mml:math id="M435" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">16</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, a single scattering albedo of 1.0, a depolarisation factor of 0.0, and a black surface below. The different colours indicate different values of <inline-formula><mml:math id="M436" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math id="M437" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>).</p></caption>
          <graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/19/9677/2026/gmd-19-9677-2026-f04.png"/>

        </fig>

      <fig id="F5" specific-use="star"><label>Figure 5</label><caption><p id="d2e7749">Similar to Fig. <xref ref-type="fig" rid="F4"/>, but presented as differences (MONKI results minus Natraj and Hovenier results), for MONKI in the forward mode (first row) and in the backward mode (second row), fully taking into account polarisation of light when sampling scattering directions. The third and fourth rows show the results when using instead the classical scattering direction sampling approach in MONKI, as used by, e.g., MYSTIC (see Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S7.SS9"/>). The error bars indicate the <inline-formula><mml:math id="M438" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>±</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> standard errors of the mean of the simulated results (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E23"/>). Those error bars, and the seven different colours referring to the different values of <inline-formula><mml:math id="M439" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, are virtually indistinguishable for the MONKI forward and backward modes.</p></caption>
          <graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/19/9677/2026/gmd-19-9677-2026-f05.png"/>

        </fig>

      <p id="d2e7782">We compare to their Tables 1, 3, and 5, which list <inline-formula><mml:math id="M440" display="inline"><mml:mi>I</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M441" display="inline"><mml:mi>Q</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M442" display="inline"><mml:mi>U</mml:mi></mml:math></inline-formula> of light that is reflected by a homogeneous atmospheric layer with an optical thickness <inline-formula><mml:math id="M443" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">16</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The layer contains only gas, which does not absorb and which has a depolarisation factor of zero. The surface below the layer is black. The atmosphere is illuminated from the top by a beam of unpolarised light with <inline-formula><mml:math id="M444" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, with direction <inline-formula><mml:math id="M445" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.33em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.33em"/><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Because there is only Rayleigh scattering in the model atmosphere, no circularly polarised light will emerge <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx32" id="paren.73"><named-content content-type="pre">see</named-content><named-content content-type="post">and Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E25"/></named-content></xref>, thus <inline-formula><mml:math id="M446" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for all geometries. Figure <xref ref-type="fig" rid="F4"/> shows <inline-formula><mml:math id="M447" display="inline"><mml:mi>I</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M448" display="inline"><mml:mi>Q</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M449" display="inline"><mml:mi>U</mml:mi></mml:math></inline-formula> computed by MONKI in forward mode using <inline-formula><mml:math id="M450" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> photons distributed over 100 simulation rounds, and as listed by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx52" id="text.74"/>. Viewing direction <inline-formula><mml:math id="M451" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:math></inline-formula> ranges from 0 to 1.0, and <inline-formula><mml:math id="M452" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:math></inline-formula> from 0 to 180<inline-formula><mml:math id="M453" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi></mml:math></inline-formula>. As can be seen in Fig. <xref ref-type="fig" rid="F5"/>, the agreement between the results of MONKI and those of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx52" id="text.75"/> is excellent for all geometries, in both forward and backward mode.</p>
      <p id="d2e7958">MONKI fully accounts for the photon's polarisation history when sampling scattering directions. However, when the classical scattering-direction sampling approach is used in MONKI instead, Fig. <xref ref-type="fig" rid="F5"/> (two bottom rows) shows clear deviations and a much larger variance. The classical approach <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx12" id="paren.76"><named-content content-type="pre">see</named-content></xref> neglects the polarisation state of the incident photon when sampling a new scattering direction, and corrects for this neglect by adjusting the photon's weighting factor (see Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S7.SS9"/>). Examples of codes that use this approach are MYSTIC <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx23" id="paren.77"/>, MSCART <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx82 bib1.bibx83" id="paren.78"/>, SPARTA <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx4" id="paren.79"/>, IVMCM <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx28" id="paren.80"/>, and the backward mode of SMART-G <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx57" id="paren.81"/>. <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx27" id="text.82"/> pointed out that for thick, strongly polarising<fn id="Ch1.Footn7"><p id="d2e7989">Note that for such atmospheres, the radiation that emerges at TOA or BOA will generally have a relatively low degree of polarisation because it comprises light with a broad range of polarisation states.</p></fn> atmospheres, such as those used by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx52" id="text.83"/>, those codes may fail to converge. This is because, upon multiple scattering, these correction factors are multiplied repeatedly. In the unlikely event that a photon path contains several strongly polarising scattering directions, this can produce infrequent but very large photon weights (see Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S7.SS9"/>).</p>
      <p id="d2e7999">Because MONKI fully accounts for the photon's polarisation history it thus does not include such variance-producing corrections (see Appendices <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S4"/>, <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S5"/>, and <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S6"/>). Figure <xref ref-type="fig" rid="F6"/> shows MONKI's convergence history when computing the TOA reflectance <inline-formula><mml:math id="M454" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in both forward and backward modes, for photon numbers up to <inline-formula><mml:math id="M455" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, for <inline-formula><mml:math id="M456" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M457" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M458" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, different values of <inline-formula><mml:math id="M459" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and different optical thicknesses <inline-formula><mml:math id="M460" display="inline"><mml:mi>b</mml:mi></mml:math></inline-formula> (the single scattering albedo is 1.0). The surface is black. Indeed, for the two cases with <inline-formula><mml:math id="M461" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, namely <inline-formula><mml:math id="M462" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">16</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M463" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the lines pertaining to MONKI's forward and backward mode are virtually the same (those cases were also used by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx27" id="text.84"/> to demonstrate non-convergence of the classical approach, see their Fig. 8). This was also to be expected, as for this solar and viewing geometry (<inline-formula><mml:math id="M464" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), the photon paths in the forward and backward modes are identical. For <inline-formula><mml:math id="M465" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.5</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the photon paths in the forward mode differ from those in the backward mode, and consequently, although MONKI converges to the same values, its convergence history is different for the forward and backward modes. These results show that, unlike classical Monte Carlo codes (right figure in Fig. <xref ref-type="fig" rid="F6"/>),  MONKI converges well for optically thick and polarising atmospheres in both its forward and backward modes.</p>

      <fig id="F6" specific-use="star"><label>Figure 6</label><caption><p id="d2e8172">Left: convergence history of the TOA reflectance, <inline-formula><mml:math id="M466" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, by MONKI in forward mode (solid lines) and backward mode (dotted lines) for a Rayleigh scattering atmosphere with <inline-formula><mml:math id="M467" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M468" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (black), <inline-formula><mml:math id="M469" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">16</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M470" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.5</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (blue), and <inline-formula><mml:math id="M471" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">16</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M472" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (red). The viewing geometry is nadir <inline-formula><mml:math id="M473" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. For <inline-formula><mml:math id="M474" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the solid and dotted lines overlap. Right: similar, but using the classical  scattering direction sampling approach in MONKI, as used by, e.g., MYSTIC (see Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S7.SS9"/>). The jumps are caused by infrequent but large photon weights.</p></caption>
          <graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/19/9677/2026/gmd-19-9677-2026-f06.png"/>

        </fig>

</sec>
<sec id="Ch1.S3.SS3">
  <label>3.3</label><title>Comparison with Emde et al. (2018)</title>
      <p id="d2e8315">In the previous sections, we validated MONKI for horizontally homogeneous atmosphere-surface systems. Here, we validate MONKI for horizontally inhomogeneous (3D) cloudy atmospheres by  comparing with benchmarks from the polarised radiative transfer model intercomparison project (IPRT) <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx24" id="paren.85"/>.</p>

      <fig id="F7" specific-use="star"><label>Figure 7</label><caption><p id="d2e8323">MONKI results (columns 1 and 2) of the radiance <inline-formula><mml:math id="M475" display="inline"><mml:mi>I</mml:mi></mml:math></inline-formula> divided by <inline-formula><mml:math id="M476" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (top row) and degree of polarisation <inline-formula><mml:math id="M477" display="inline"><mml:mi>P</mml:mi></mml:math></inline-formula> in % (bottom row), for a cubic cloud inside a Rayleigh scattering atmosphere, and the differences between the MONKI results and those of MYSTIC (columns 3 and 4). Results are shown for 2 of the 9 cases described by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx24" id="text.86"/>. In case 4 (columns 1 and 3), the detector is on the surface (BOA), and in case 9 (columns 2 and 4), the detector is at TOA. The sunlight is incident from left to right along the <inline-formula><mml:math id="M478" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>-direction. The solar and viewing angles are given in Table S8. Because of the horizontal periodicity, the cloud shadow crosses the right domain boundary and re-enters the domain on the left-hand side.</p></caption>
          <graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/19/9677/2026/gmd-19-9677-2026-f07.png"/>

        </fig>

      <p id="d2e8367">Our first comparison with IPRT results is for a homogeneous Rayleigh scattering atmosphere with <inline-formula><mml:math id="M479" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.5</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, that has a cubic-shaped cloud with an optical thickness of 10 embedded <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx24" id="paren.87"><named-content content-type="pre">see Sect. 5 of</named-content></xref>. The single scattering albedo of the gaseous molecules is 1.0 and the depolarisation factor is 0.0. The cloud droplets are spherical with their sizes described by a gamma distribution with effective radii of 10 <inline-formula><mml:math id="M480" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">µ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>m and an effective variance of 0.1. Their single scattering albedo is 1.0. We use their single scattering matrices at <inline-formula><mml:math id="M481" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">800</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> nm as provided by the IPRT. The surface reflects Lambertian with an albedo of 0.2.</p>
      <p id="d2e8408">The cloud has dimensions of 1 <inline-formula><mml:math id="M482" display="inline"><mml:mo>×</mml:mo></mml:math></inline-formula> 1 <inline-formula><mml:math id="M483" display="inline"><mml:mo>×</mml:mo></mml:math></inline-formula> 1 km<sup>3</sup>, and extends from 2 to 3 km altitude. The computational domain extends to an altitude of 5 km. Horizontally, the domain spans 7 km in both directions, with periodic boundary conditions. Both the light source and the detector are at infinite distances from the atmosphere-surface system: the solar and viewing geometries are the same across the domain. The horizontal area of <inline-formula><mml:math id="M485" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> km<sup>2</sup> is covered by <inline-formula><mml:math id="M487" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">70</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">70</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> pixels. MONKI used <inline-formula><mml:math id="M488" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> photons per pixel, matching the number of photons used in the IPRT <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx24" id="paren.88"/>.</p>
      <p id="d2e8482">Figure <xref ref-type="fig" rid="F7"/> shows the results of MONKI (in forward mode) for the radiance <inline-formula><mml:math id="M489" display="inline"><mml:mi>I</mml:mi></mml:math></inline-formula> and degree of polarisation <inline-formula><mml:math id="M490" display="inline"><mml:mi>P</mml:mi></mml:math></inline-formula>, for IPRT-cases 4 and 9, that differ in solar and viewing geometries <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx24" id="paren.89"><named-content content-type="pre">see Table 4 of</named-content></xref>. Because MONKI defines the angles slightly differently from <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx24" id="text.90"/>, we have listed the geometries in Table S8 in the Supplement. Figure S1 in the Supplement shows the results for all 9 cases and all Stokes parameters, with cases 1 to 4 pertaining to light transmitted through the atmosphere, thus at BOA, and cases 5 to 9 pertaining to reflected light, thus at TOA. Results for cases 1 to 4 are stored on the <inline-formula><mml:math id="M491" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>-grid at the surface, whereas results for cases 5 to 9 are stored on the <inline-formula><mml:math id="M492" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>-grid at TOA.<fn id="Ch1.Footn8"><p id="d2e8534">MONKI can also map the reflected light at TOA on the <inline-formula><mml:math id="M493" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>-grid at the surface, making MONKI suitable for air- and spaceborne applications which typically store measurements on ground-based pixel grids.</p></fn></p>
      <p id="d2e8549">The radiance <inline-formula><mml:math id="M494" display="inline"><mml:mi>I</mml:mi></mml:math></inline-formula> in the cloud-free regions of cases 1 to 4 (BOA) is smaller than in cases 5 to 9 (TOA), due to the larger contribution of the surface reflection in the latter cases (see Fig. S1). Cases 5 to 9 (TOA) show shadows on the surface, while cases 1 to 4 (BOA) only show subtle shadows in the sky. Note that due to horizontal periodicity, the shadow of the cloud stretches outside the right-hand side of the domain and back into the domain on the left-hand side. The difference between the surface and sky shadows is, for instance, evident in <inline-formula><mml:math id="M495" display="inline"><mml:mi>P</mml:mi></mml:math></inline-formula> for case 9 (see Fig. S1), where <inline-formula><mml:math id="M496" display="inline"><mml:mi>P</mml:mi></mml:math></inline-formula> on the right-hand side of the cloud is relatively low due to the atmospheric shadow: in this part of the atmosphere, the direct sunlight is attenuated by the cloud. Instead, this part of the atmosphere is mostly illuminated by diffuse light with generally a lower degree of polarisation due to randomisation <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx75" id="paren.91"><named-content content-type="pre">see Fig. 7 of</named-content></xref>. Above the cloud shadow on the surface, <inline-formula><mml:math id="M497" display="inline"><mml:mi>P</mml:mi></mml:math></inline-formula> is high because the shadow suppresses the unpolarised contribution of light that has been reflected by the Lambertian surface. For a detailed discussion of the features in Figs. <xref ref-type="fig" rid="F7"/> and S1, see Sect. 5 of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx24" id="text.92"/>.</p>
      <p id="d2e8591">MONKI's results closely match the benchmark results <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx24" id="paren.93"><named-content content-type="pre">cf. Fig. A2 of</named-content></xref>. Figure <xref ref-type="fig" rid="F7"/> shows the differences between MONKI and MYSTIC for test cases 4 and 9 for <inline-formula><mml:math id="M498" display="inline"><mml:mi>I</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M499" display="inline"><mml:mi>P</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and Fig. S2 in the Supplement shows the differences for all nine cases and all Stokes parameters. In the cloud-free regions, the differences in <inline-formula><mml:math id="M500" display="inline"><mml:mi>I</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M501" display="inline"><mml:mi>Q</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M502" display="inline"><mml:mi>U</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M503" display="inline"><mml:mi>V</mml:mi></mml:math></inline-formula> are nearly zero. Small, random differences in <inline-formula><mml:math id="M504" display="inline"><mml:mi>P</mml:mi></mml:math></inline-formula> remain below 0.07<inline-formula><mml:math id="M505" display="inline"><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="italic">%</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and are centred around zero. In cloudy pixels, the differences are larger, as expected because of increased simulation noise. This effect is common in Monte Carlo codes due to infrequent but significant contributions in the local estimation method associated with strongly forward-peaked Mie scattering phase functions of the cloud droplets <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx3" id="paren.94"><named-content content-type="pre">see, e.g.,</named-content></xref>. Nevertheless, these differences remain below 2.82 <inline-formula><mml:math id="M506" display="inline"><mml:mo>×</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M507" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, 0.66 <inline-formula><mml:math id="M508" display="inline"><mml:mo>×</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M509" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, 0.63 <inline-formula><mml:math id="M510" display="inline"><mml:mo>×</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M511" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, 10.98 <inline-formula><mml:math id="M512" display="inline"><mml:mo>×</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M513" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and 0.49 % for <inline-formula><mml:math id="M514" display="inline"><mml:mi>I</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M515" display="inline"><mml:mi>Q</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M516" display="inline"><mml:mi>U</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M517" display="inline"><mml:mi>V</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M518" display="inline"><mml:mi>P</mml:mi></mml:math></inline-formula>, respectively, and are centred around zero for all cases. Increasing the number of photons would reduce this random noise. We find no systematic biases between MONKI and MYSTIC.</p>

      <fig id="F8" specific-use="star"><label>Figure 8</label><caption><p id="d2e8789">Results of MONKI in forward (“MONKI-F”) and backward mode (“MONKI-B”) for the cubic cloud scenario of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx24" id="text.95"/>, cases 4 (rows 1 and 2) and 9 (rows 3 and 4), for a cross-section through the domain at <inline-formula><mml:math id="M519" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3.95</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> km (see Fig. S1 in the Supplement). Stokes parameters <inline-formula><mml:math id="M520" display="inline"><mml:mi>I</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M521" display="inline"><mml:mi>Q</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M522" display="inline"><mml:mi>U</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M523" display="inline"><mml:mi>V</mml:mi></mml:math></inline-formula> are shown in four columns, also for the other codes in the IPRT project, with the absolute differences of all codes with MYSTIC below. The grey area in the difference plots corresponds to 2 standard deviations of 3DMCPOL. The Stokes parameters are normalised to <inline-formula><mml:math id="M524" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1000</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></caption>
          <graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/19/9677/2026/gmd-19-9677-2026-f08.png"/>

        </fig>

      <fig id="F9" specific-use="star"><label>Figure 9</label><caption><p id="d2e8860">MONKI results (columns 1 and 2) of the radiance <inline-formula><mml:math id="M525" display="inline"><mml:mi>I</mml:mi></mml:math></inline-formula> (row 1) and <inline-formula><mml:math id="M526" display="inline"><mml:mi>P</mml:mi></mml:math></inline-formula> (row 2), for a 3D cumulus cloud field inside a scattering and absorbing gaseous atmosphere <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx24" id="paren.96"/>, for 2 different solar and viewing geometries with a detector at TOA (cases 5 and 9 in Table S8). The sunlight is incident from left to right along the <inline-formula><mml:math id="M527" display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>-direction. Radiance <inline-formula><mml:math id="M528" display="inline"><mml:mi>I</mml:mi></mml:math></inline-formula> is divided by <inline-formula><mml:math id="M529" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M530" display="inline"><mml:mi>P</mml:mi></mml:math></inline-formula> is in %. Columns 3 and 4 show the differences between MONKI and MYSTIC.</p></caption>
          <graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/19/9677/2026/gmd-19-9677-2026-f09.png"/>

        </fig>

      <p id="d2e8919">To demonstrate how MONKI performs compared to other codes, Fig. <xref ref-type="fig" rid="F8"/> shows cross-sections at <inline-formula><mml:math id="M531" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3.95</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> km of the results of MONKI in both forward and backward modes for cases 4 and 9, together with results of the codes used in the IPRT project <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx24" id="paren.97"/>. Also, the differences with MYSTIC are shown, together with the <inline-formula><mml:math id="M532" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>±</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> standard deviation range of the 3DMCPOL results. The results for all nine cases are shown in Fig. S5 in the Supplement. Unlike some other codes, MONKI shows excellent agreement with MYSTIC in all cases, in both its forward and backward modes.</p>
      <p id="d2e8949"><xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx24" id="text.98"/> also provide test cases for a more realistic scenario: a 3D cumulus cloud field that has been generated by a Large Eddy Simulation (LES) code <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx70" id="paren.99"/>, embedded  within a scattering and absorbing gaseous atmosphere.  The domain size is 6.7 <inline-formula><mml:math id="M533" display="inline"><mml:mo>×</mml:mo></mml:math></inline-formula> 6.7 <inline-formula><mml:math id="M534" display="inline"><mml:mo>×</mml:mo></mml:math></inline-formula> 30 km<sup>3</sup>. The cloud's optical thickness and droplet effective radius vary across the <inline-formula><mml:math id="M536" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">100</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">100</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">53</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> grid cells (the 12 top layers are cloud-free). For a detailed description of the model, see <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx24" id="text.100"/>. Figure <xref ref-type="fig" rid="F9"/> shows <inline-formula><mml:math id="M537" display="inline"><mml:mi>I</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M538" display="inline"><mml:mi>P</mml:mi></mml:math></inline-formula> as computed with MONKI for the solar and viewing geometries of cases 5 and 9 (see Table S8), along with their differences from MYSTIC benchmark results. We used <inline-formula><mml:math id="M539" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> photons per pixel. Once again, we find no systematic biases. Numerical tests showed that the remaining differences decrease when increasing the number of photons.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="Ch1.S4">
  <label>4</label><title>Sample signals for the Earth and Venus</title>
      <p id="d2e9036">In this section, we present sample simulations with MONKI of sunlight that is locally reflected by the atmospheres of the Earth and Venus. The model atmospheres are horizontally homogeneous (i.e., <inline-formula><mml:math id="M540" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), as illustrated in Fig. <xref ref-type="fig" rid="F10"/>. These simulations demonstrate MONKI's versatility in handling different types of atmospheres, following the formulae provided in Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S1"/>. Below, we first describe the model setting and then the results. The model settings are also summarised in Table <xref ref-type="table" rid="T2"/>.</p>

      <fig id="F10" specific-use="star"><label>Figure 10</label><caption><p id="d2e9069">The model atmosphere-surface systems of the Earth (in blue) and Venus (in orange). From left to right: the pressure profiles, temperature profiles, the ozone volume mixing ratio profile for the Earth, the cloud model for the Earth, the cloud model for Venus. Below the latter two graphs, the surface albedo, <inline-formula><mml:math id="M541" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, is also given.</p></caption>
        <graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/19/9677/2026/gmd-19-9677-2026-f10.png"/>

      </fig>

<table-wrap id="T2" specific-use="star"><label>Table 2</label><caption><p id="d2e9092">Model settings used in the sample simulations of the Earth and Venus at <inline-formula><mml:math id="M542" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">550</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> nm.</p></caption><oasis:table frame="topbot"><oasis:tgroup cols="3">
     <oasis:colspec colnum="1" colname="col1" align="left"/>
     <oasis:colspec colnum="2" colname="col2" align="left"/>
     <oasis:colspec colnum="3" colname="col3" align="left"/>
     <oasis:thead>
       <oasis:row rowsep="1">
         <oasis:entry colname="col1">Setting</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">Earth</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">Venus</oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:thead>
     <oasis:tbody>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Altitude range</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">0–100 km (33 layers)</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">0–100 km (40 layers)</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Surface albedo <inline-formula><mml:math id="M543" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">0.05</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">0.0</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Vertical temperature-pressure profile</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">MLS</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">VIRA</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Gravitational acceleration <inline-formula><mml:math id="M544" display="inline"><mml:mi>g</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">9.81 m s<sup>−2</sup> (not used)</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">8.87 m s<sup>−2</sup></oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Refractive index <inline-formula><mml:math id="M547" display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> of the gas</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">
                  <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx56" id="text.101"/>
                </oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">
                  <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx61 bib1.bibx88" id="text.102"/>
                </oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Depolarisation factor <inline-formula><mml:math id="M548" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">0.0283 for air</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">0.0789 for CO<sub>2</sub></oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Absorbing gases</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">O<sub>3</sub> (MLS profile)</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">None</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Absorption cross-sections <inline-formula><mml:math id="M551" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">abs</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">
                  <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx6" id="text.103"/>
                </oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">–</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Cloud altitude range</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">1–2 km</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">50–70 km</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Cloud optical thickness <inline-formula><mml:math id="M552" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">5</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">30</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Cloud particle type</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">Liquid water</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">Liquid 75 % H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub> solution</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Particle size distribution</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">Two-parameter gamma</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">Two-parameter gamma</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Effective radius <inline-formula><mml:math id="M555" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">eff</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">10 <inline-formula><mml:math id="M556" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">µ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>m</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">1.05 <inline-formula><mml:math id="M557" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">µ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>m</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Effective variance <inline-formula><mml:math id="M558" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">eff</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">0.1</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">0.07</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Real refractive index of the liquid droplets <inline-formula><mml:math id="M559" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">1.33</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">1.43</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>
         <oasis:entry colname="col1">Imaginary refractive index of the liquid droplets <inline-formula><mml:math id="M560" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col2">0</oasis:entry>
         <oasis:entry colname="col3">0</oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:tbody>
   </oasis:tgroup></oasis:table></table-wrap>

      <p id="d2e9505">The Earth model atmosphere consists of 33 plane-parallel, horizontally homogeneous layers from 0 to 100 km altitude. The surface reflects Lambertian with an albedo <inline-formula><mml:math id="M561" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of 0.05. The only absorbing gas is ozone (O<sub>3</sub>). The wavelength- and temperature-dependent O<sub>3</sub> absorption cross-sections, <inline-formula><mml:math id="M564" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">abs</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, are taken from <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx6" id="text.104"/>. Pressure, temperature, and ozone volume mixing ratios (VMRs) vary with altitude according to the standard Mid-Latitude Summer profile <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx1" id="paren.105"/>. We assume that the pressure-to-temperature ratio decreases exponentially with altitude within each layer (see Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E33"/>). The refractive index of air, <inline-formula><mml:math id="M565" display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula>, is computed with the dispersion formula of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx56" id="text.106"/>. The King correction factor <inline-formula><mml:math id="M566" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">K</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the air (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E32"/>) is the sum of the values for N<sub>2</sub>, O<sub>2</sub>, Ar, and CO<sub>2</sub> as given by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx7" id="text.107"/>, weighted by the respective mixing ratios of those gases on Earth: 78.084 %, 20.9476 %, 0.934 %, and 0.0375 %. At <inline-formula><mml:math id="M570" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">550</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> nm, this yields a depolarisation factor <inline-formula><mml:math id="M571" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.0283</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d2e9647">In the Earth scenario, the cloud extends from 1 to 2 km, with a vertically homogeneous optical thickness <inline-formula><mml:math id="M572" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of 5. We assume a two-parameter gamma distribution for cloud droplet sizes <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx32" id="paren.108"/>, with an effective radius <inline-formula><mml:math id="M573" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">eff</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M574" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">µ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>m and an effective variance <inline-formula><mml:math id="M575" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">eff</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The droplets are composed of liquid water with a real refractive index of 1.33 <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx30" id="paren.109"/> and an imaginary refractive index of zero (i.e., the single scattering albedo of the cloud droplets is 1.0).</p>
      <p id="d2e9706">The Venus model atmosphere consists of 40 plane-parallel, horizontally homogeneous layers from 0 to 100 km altitude. At <inline-formula><mml:math id="M576" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">550</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> nm, the reflected light at TOA is virtually insensitive to Venus's lower atmosphere and surface albedo. Therefore, we use 4 km thick layers from the surface to 40 and 2 km thick layers above 40 km. The surface is assumed black. We neglect gaseous absorption, which is a reasonable assumption for Venus at <inline-formula><mml:math id="M577" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">550</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> nm <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx51 bib1.bibx35" id="paren.110"/>. Pressure profiles follow the Venus International Reference Atmosphere (VIRA) for latitudes up to 30<inline-formula><mml:math id="M578" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi></mml:math></inline-formula>, based on <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx60" id="text.111"/>, which incorporates data from four Pioneer Venus Probes, the Pioneer Venus Orbiter, and the Venera 10, 12, and 13 landers. We assume hydrostatic equilibrium (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E34"/>), a gravitational acceleration of <inline-formula><mml:math id="M579" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">8.87</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> m s<sup>−2</sup>, and the background gas molar mass <inline-formula><mml:math id="M581" display="inline"><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula> is computed by the weighted sum of 96.5 % CO<sub>2</sub> (44.01 g mol<sup>−1</sup>) and 3.5 % N<sub>2</sub> (28.0134 g mol<sup>−1</sup>). The values for <inline-formula><mml:math id="M586" display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M587" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">K</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at <inline-formula><mml:math id="M588" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">550</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> nm are computed with the parametrisations for CO<sub>2</sub> stated in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx61" id="text.112"/><fn id="Ch1.Footn9"><p id="d2e9865">The refractive index of CO<sub>2</sub> stated in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx61" id="text.113"/> needs to be divided by <inline-formula><mml:math id="M591" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, see <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx88" id="text.114"/>.</p></fn>, leading to a depolarisation factor <inline-formula><mml:math id="M592" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.0789</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d2e9907">The cloud in the Venus model extends from 50 to 70 km, with a vertically homogeneous optical thickness <inline-formula><mml:math id="M593" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">30</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx35" id="paren.115"><named-content content-type="pre">see</named-content><named-content content-type="post">for more detailed Venus cloud models</named-content></xref>. The cloud particles are liquid droplets and their properties follow those of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx31" id="text.116"/>: a two-parameter gamma distribution with an effective radius of 1.05 <inline-formula><mml:math id="M594" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">µ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>m and an effective variance of 0.07. The droplets are composed of 75 % H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub> solution in water, with a real refractive index of 1.43 at <inline-formula><mml:math id="M597" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">550</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> nm <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx55" id="paren.117"/>. Their single scattering albedo is 1.0.</p>
      <p id="d2e9977">Figure <xref ref-type="fig" rid="F11"/> shows the angular distribution of the singly scattered radiance, <inline-formula><mml:math id="M598" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (the phase function), and the degree of linear polarisation, <inline-formula><mml:math id="M599" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, of the gas and cloud droplets in the Earth and Venus model atmospheres as functions of the scattering angle <inline-formula><mml:math id="M600" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> (see Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S1"/> for definitions of the single-scattering matrix elements). The large droplets of the Earth cloud produce a strong forward peak in <inline-formula><mml:math id="M601" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> due to diffraction <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx32" id="paren.118"><named-content content-type="pre">see</named-content></xref>. The peaks near <inline-formula><mml:math id="M602" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">142</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M603" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">122</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the primary and secondary cloudbows, caused by, respectively, one and two internal reflections inside the spherical droplets. The radiance and polarisation enhancement near <inline-formula><mml:math id="M604" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">180</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is called the “glory”. These features are less pronounced or absent in the much smaller cloud droplets on Venus. The features due to Rayleigh scattering by gas molecules are similar on Earth and Venus: <inline-formula><mml:math id="M605" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is fairly isotropic, while polarisation is strongest around <inline-formula><mml:math id="M606" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">90</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. For the Venusian gas, the Rayleigh polarisation maximum is lower than for the Earth's gas because it has a larger depolarisation factor.</p>

      <fig id="F11" specific-use="star"><label>Figure 11</label><caption><p id="d2e10106">The phase function <inline-formula><mml:math id="M607" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (left) and the degree of linear polarisation (<inline-formula><mml:math id="M608" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) (right) as functions of the scattering angle <inline-formula><mml:math id="M609" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, for singly scattered light by gaseous molecules (dashed lines) and cloud droplets (solid lines). The blue lines are for Earth-like gas (with a depolarisation factor <inline-formula><mml:math id="M610" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula> equal to 0.0283) and cloud particles (<inline-formula><mml:math id="M611" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">eff</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M612" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">µ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>m), and the orange lines are for Venus-like gas (with <inline-formula><mml:math id="M613" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0.0789</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) and cloud particles (<inline-formula><mml:math id="M614" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">eff</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1.05</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M615" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">µ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>m). The wavelength of the light is 550 nm.</p></caption>
        <graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/19/9677/2026/gmd-19-9677-2026-f11.png"/>

      </fig>

      <p id="d2e10219">Figure <xref ref-type="fig" rid="F12"/> shows the simulated TOA reflectance, <inline-formula><mml:math id="M616" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and degree of polarisation, <inline-formula><mml:math id="M617" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, computed with MONKI for the Earth and Venus model atmosphere–surface systems described above. Simulations were performed for three solar zenith angles: <inline-formula><mml:math id="M618" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M619" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">45</mml:mn></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M620" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">75</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The viewing zenith angles range from <inline-formula><mml:math id="M621" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math id="M622" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">89</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in <inline-formula><mml:math id="M623" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> increments. The azimuth angle of the sunlight was <inline-formula><mml:math id="M624" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The viewing azimuth angles are <inline-formula><mml:math id="M625" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M626" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">180</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (thus <inline-formula><mml:math id="M627" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). For each combination of the 90 values of <inline-formula><mml:math id="M628" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and (<inline-formula><mml:math id="M629" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), we used <inline-formula><mml:math id="M630" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">8</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> photons for the computations for the Earth and <inline-formula><mml:math id="M631" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> photons for Venus (the more isotropic scattering by the small Venusian cloud droplets requires fewer photons). In Fig. S6, we provide the comparison of the computations for the Earth with results computed with Doubling-Adding KNMI (DAK), which uses identical formulae for the optical properties of the model atmosphere as MONKI (see Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S1"/>).</p>

      <fig id="F12" specific-use="star"><label>Figure 12</label><caption><p id="d2e10420">Sample signals of the TOA reflectance <inline-formula><mml:math id="M632" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (top) and degree of polarisation <inline-formula><mml:math id="M633" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (bottom), for the Earth (left) and Venus (right), computed with MONKI. Note the different <inline-formula><mml:math id="M634" display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula>-scales for <inline-formula><mml:math id="M635" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The signals are presented as functions of viewing angle <inline-formula><mml:math id="M636" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and for solar zenith angles <inline-formula><mml:math id="M637" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (solid line), <inline-formula><mml:math id="M638" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">45</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (dashed line), and <inline-formula><mml:math id="M639" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">75</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (dotted line). The azimuth angle of the sunlight <inline-formula><mml:math id="M640" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is <inline-formula><mml:math id="M641" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></caption>
        <graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/19/9677/2026/gmd-19-9677-2026-f12.png"/>

      </fig>

      <p id="d2e10545">For the Earth model (Fig. <xref ref-type="fig" rid="F12"/>), the reflectance <inline-formula><mml:math id="M642" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> generally increases with <inline-formula><mml:math id="M643" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M644" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. With increasing angles, the optical paths through the gas and clouds increase and multiple scattering increases. Cloud droplet single scattering features (Fig. <xref ref-type="fig" rid="F11"/>) leave signatures in <inline-formula><mml:math id="M645" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, but show up more distinctly in <inline-formula><mml:math id="M646" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The cloudbows emerge near <inline-formula><mml:math id="M647" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> = (<inline-formula><mml:math id="M648" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">38</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), (<inline-formula><mml:math id="M649" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">180</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), and (<inline-formula><mml:math id="M650" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">37</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">180</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), corresponding to the scattering angle <inline-formula><mml:math id="M651" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">142</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math id="M652" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math id="M653" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M654" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">45</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M655" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">75</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, respectively.<fn id="Ch1.Footn10"><p id="d2e10720">As single scattering angle <inline-formula><mml:math id="M656" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> equals <inline-formula><mml:math id="M657" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">180</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> minus the reflection angle (cf. Fig. <xref ref-type="fig" rid="F1"/>).</p></fn> The glory shifts from <inline-formula><mml:math id="M658" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math id="M659" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">45</mml:mn></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math id="M660" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">75</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the <inline-formula><mml:math id="M661" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">180</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> direction with increasing <inline-formula><mml:math id="M662" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Rayleigh scattering, which enhances <inline-formula><mml:math id="M663" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> around <inline-formula><mml:math id="M664" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">90</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, causes <inline-formula><mml:math id="M665" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to peak near <inline-formula><mml:math id="M666" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">90</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math id="M667" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and near (<inline-formula><mml:math id="M668" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) = (<inline-formula><mml:math id="M669" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">10</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) for <inline-formula><mml:math id="M670" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">75</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. This behaviour can be verified with vertical profiles of the layer contributions to the total and polarised TOA reflectances. As an example, Fig. <xref ref-type="fig" rid="F13"/> shows those profiles for <inline-formula><mml:math id="M671" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, demonstrating that, towards perpendicular scattering geometries, an increasing fraction of the polarised signal originates from the gas above the cloud.</p>

      <fig id="F13" specific-use="star"><label>Figure 13</label><caption><p id="d2e10933">Contributions to the computed TOA reflectances at <inline-formula><mml:math id="M672" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, for Earth (left) and Venus (right), plotted as functions of the altitude of the last scattering event of the photons. The contribution profiles are expressed per kilometre (km<sup>−1</sup>) for the total reflectances <inline-formula><mml:math id="M674" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (top row) and the polarised reflectances <inline-formula><mml:math id="M675" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">21</mml:mn></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (bottom row).</p></caption>
        <graphic xlink:href="https://gmd.copernicus.org/articles/19/9677/2026/gmd-19-9677-2026-f13.png"/>

      </fig>

      <p id="d2e10998">The Venus results in Fig. <xref ref-type="fig" rid="F12"/> show that this planet appears much brighter in locally reflected light than Earth. The higher <inline-formula><mml:math id="M676" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> values are primarily due to the larger cloud optical thickness. As on Earth, cloud droplet single scattering features leave distinct signatures in <inline-formula><mml:math id="M677" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the locally reflected light, which can be seen to shift with increasing <inline-formula><mml:math id="M678" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, as they are characteristic for given scattering angles. However, the increase in polarisation due to Rayleigh scattering around a scattering angle of 90<inline-formula><mml:math id="M679" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi></mml:math></inline-formula> is less pronounced on Venus than on Earth. For example, for <inline-formula><mml:math id="M680" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M681" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> increases only at the largest viewing zenith angles. Despite Venus's large atmospheric pressure at surface level, the cloud deck extends up to 70 km altitude, leaving little gas above the cloud for light to scatter from, as shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="F13"/>. Instead, the signal is dominated by abundant virtually unpolarised light multiply scattered in the upper parts of the Venusian clouds.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S5" sec-type="conclusions">
  <label>5</label><title>Summary, discussion, and outlook</title>
      <p id="d2e11083">Polarimetry is a powerful tool for characterising planetary atmospheres and surfaces. Radiative transfer simulations of total and polarised radiances are essential for designing, preparing, and operating spectro(polari)metric remote sensing instruments. Even for instruments that do not measure polarisation, accounting for polarisation in simulations is crucial for obtaining accurate total radiance calculations and for assessing potential errors due to an instrument's polarisation sensitivity if no polarisation scrambler is used. With the increasing spatial resolution of current and future Earth observation spectro(polari)meters, simulating 3D radiative transfer effects, such as cloud shadows, becomes increasingly important.</p>
      <p id="d2e11086">In this paper, we have presented the 3D radiative transfer code MONKI (Monte Carlo KNMI), which fully accounts for the linear and circular polarisation of light at all orders of scattering. MONKI is written in modern Fortran and is based on the Monte Carlo method. Rather than counting photons at the detector, MONKI uses the more efficient “local estimation method”, which calculates the probability of scattering towards the detector at each scattering event. MONKI can compute both horizontally homogeneous and inhomogeneous (3D cloudy) scenes. It can operate both in forward mode (with photons propagating from the source to the detector) and in backward mode (with photons propagating in the opposite direction). Both modes converge to similar results, with comparable computation times in the tested cases.</p>
      <p id="d2e11089">We compared results of MONKI with benchmark results for polarised radiances in horizontally homogeneous atmospheres <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx15" id="paren.119"/> and thick Rayleigh-scattering atmospheres <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx52" id="paren.120"/>. Additionally, we validated MONKI's 3D radiative transfer capabilities using benchmark results for polarised radiances from 3D clouds <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx24" id="paren.121"/>. In all cases, MONKI showed excellent agreement with the benchmark results.</p>
      <p id="d2e11101">Although MONKI is not the first code of its kind, it has fundamental methodological differences from other Monte Carlo codes. A common limitation of Monte Carlo codes is their failure to converge in optically thick and strongly polarising atmospheres. This issue arises when approximations are made in the sampling of scattering directions, by neglecting the photon's polarisation state and correcting afterwards by weight factors. MONKI instead samples scattering directions from the full polarisation-dependent distribution while fully tracking the polarisation history of each photon along its trajectory. As demonstrated in this paper, this exact polarised sampling approach converges in both forward and backward modes, including for optically thick and strongly polarising planetary atmospheres. In addition, the appendices provide a complete derivation of the corresponding forward and backward Monte Carlo equations and polarisation-dependent sampling formulae, thereby offering a unified theoretical framework for polarised Monte Carlo radiative transfer.</p>
      <p id="d2e11105">The current version of MONKI does not use variance reduction techniques other than the local estimation method. Although such techniques can reduce the noise (and therefore the computation time needed for convergence), they can introduce biases <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx3" id="paren.122"><named-content content-type="pre">see, e.g.</named-content></xref> and/or increase code complexity. For example, directional importance sampling, which involves adjusting forward-peaked single scattering phase functions and photon weights, and photon splitting <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx10" id="paren.123"><named-content content-type="pre">see, e.g.</named-content></xref>, are mathematically correct but can reduce a code's intuitiveness. By omitting those variance reduction techniques, MONKI produces unbiased results while preserving readability and simplicity, and thus adaptability when future extensions of the code are to be implemented. Instead of using such techniques, we increase the number of photons to achieve higher precision when needed.</p>
      <p id="d2e11118">In order to speed up MONKI's simulations, we implemented and presented a precomputation approach for optical paths to the detector. By precomputing the optical thickness of the horizontally homogeneous background gas for each atmospheric layer towards the detector, and by identifying grid cells that have cloud- and aerosol-free optical paths to the detector, MONKI avoids repeated photon propagations between the locations of the scattering events and the detector. This approach significantly improves computational efficiency, especially in scenes with low and/or patchy clouds, without compromising the accuracy.</p>
      <p id="d2e11121">We have presented sample signals of the TOA reflectance and degree of polarisation of light that is locally reflected by the Earth and Venus using horizontally homogeneous cloud models. This exercise demonstrated MONKI's versatility for various atmospheric conditions. For Earth applications, MONKI uses the same method as DAK (Doubling-Adding KNMI) to compute the input atmospheric optical properties. MONKI can handle spectral variations of those properties, producing simulated spectra by so-called line-by-line computations. MONKI can import different particle scattering matrices and can, in principle, also simulate light scattered by non-spherical aerosol particles and ice clouds.</p>
      <p id="d2e11124">Since MONKI uses the Monte Carlo method, it can store the locations of photon scattering, also for different orders of scattering, for detailed analyses of features in the simulated signals. Among the planned extensions of MONKI is the implementation of atmospheric sphericity, which would allow computations for scenes with a low Sun and/or large viewing angles. We conclude that MONKI is an accurate radiative transfer code, ready to support the design, preparation, and operation of spectro(polari)metric missions for Earth, Venus, and other planets.</p>
</sec>

      
      </body>
    <back><app-group>

<app id="App1.Ch1.S1">
  <label>Appendix A</label><title>Describing the atmosphere and surface</title>
      <p id="d2e11138">In this appendix, we describe the optical properties of the atmosphere and surface used by MONKI. Each atmospheric grid cell can contain gas molecules and multiple aerosol types, such as cloud or haze particles. For each of these constituents, MONKI uses the total optical thickness, the single-scattering albedo, and the single-scattering matrix.</p>
      <p id="d2e11141">The total optical thickness of a grid cell is the sum of the optical thicknesses of the gas and all aerosol types:

          <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E24" content-type="numbered"><label>A1</label><mml:math id="M682" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">sca</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">abs</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">sca</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">abs</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

        where superscripts <inline-formula><mml:math id="M683" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M684" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:math></inline-formula> refer to gas molecules and aerosol particles, respectively, and subscripts “sca” and “abs” refer to scattering and absorption. The index <inline-formula><mml:math id="M685" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes the aerosol type. For a grid cell with vertical extent <inline-formula><mml:math id="M686" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the corresponding total extinction coefficient is <inline-formula><mml:math id="M687" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Analogous relations hold for the scattering and absorption extinction coefficients, and for each constituent type separately; for example, <inline-formula><mml:math id="M688" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M689" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">sca</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">sca</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for constituent type <inline-formula><mml:math id="M690" display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p>
<sec id="App1.Ch1.S1.SS1">
  <label>A1</label><title>Gas molecules</title>
      <p id="d2e11440">Single scattering of light by gas molecules is described by the anisotropic Rayleigh scattering matrix <inline-formula><mml:math id="M691" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx32" id="paren.124"/>: 

            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E25" content-type="numbered"><label>A2</label><mml:math id="M692" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mtable class="smallmatrix" columnalign="center center center center" framespacing="0em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathsize="small">F</mml:mi><mml:mn mathsize="small" mathvariant="normal">11</mml:mn><mml:mi mathsize="small" mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo mathsize="small">(</mml:mo><mml:mi mathsize="small" mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo mathsize="small">,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic" mathsize="small">λ</mml:mi><mml:mo mathsize="small">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathsize="small">F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal" mathsize="small">12</mml:mn><mml:mi mathsize="small" mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo mathsize="small">(</mml:mo><mml:mi mathsize="small" mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo mathsize="small">,</mml:mo><mml:mi mathsize="small" mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo mathsize="small">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathsize="small" mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathsize="small" mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathsize="small">F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal" mathsize="small">21</mml:mn><mml:mi mathsize="small" mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo mathsize="small">(</mml:mo><mml:mi mathsize="small" mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo mathsize="small">,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic" mathsize="small">λ</mml:mi><mml:mo mathsize="small">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathsize="small">F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal" mathsize="small">22</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal" mathsize="small">m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo mathsize="small">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal" mathsize="small">Θ</mml:mi><mml:mo mathsize="small">,</mml:mo><mml:mi mathsize="small" mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo mathsize="small">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal" mathsize="small">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal" mathsize="small">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal" mathsize="small">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal" mathsize="small">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathsize="small">F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal" mathsize="small">33</mml:mn><mml:mi mathsize="small" mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo mathsize="small">(</mml:mo><mml:mi mathsize="small" mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo mathsize="small">,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic" mathsize="small">λ</mml:mi><mml:mo mathsize="small">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal" mathsize="small">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathsize="small" mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathsize="small" mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal" mathsize="small">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathsize="small">F</mml:mi><mml:mn mathsize="small" mathvariant="normal">44</mml:mn><mml:mi mathsize="small" mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo mathsize="small">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal" mathsize="small">Θ</mml:mi><mml:mo mathsize="small">,</mml:mo><mml:mi mathsize="small" mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo mathsize="small">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          Here, <inline-formula><mml:math id="M693" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the scattering angle, defined relative to the propagation direction of the incident light, such that <inline-formula><mml:math id="M694" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> corresponds to forward scattering and <inline-formula><mml:math id="M695" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">180</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to backward scattering. The matrix elements are

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M696" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E26"><mml:mtd><mml:mtext>A3</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E27"><mml:mtd><mml:mtext>A4</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">22</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E28"><mml:mtd><mml:mtext>A5</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">33</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E29"><mml:mtd><mml:mtext>A6</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">44</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E30"><mml:mtd><mml:mtext>A7</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">21</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          with

            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E31" content-type="numbered"><label>A8</label><mml:math id="M697" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          The depolarisation factor <inline-formula><mml:math id="M698" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is computed from the King correction factor <inline-formula><mml:math id="M699" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">K</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> according to <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx8" id="paren.125"/>

            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E32" content-type="numbered"><label>A9</label><mml:math id="M700" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">K</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">6</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">K</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M701" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">K</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> depends on the composition of the atmospheric gas mixture.</p>
      <p id="d2e12184">In the current version of MONKI, gas properties are horizontally homogeneous and vary only with altitude <inline-formula><mml:math id="M702" display="inline"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The scattering optical thickness of the gas in atmospheric layer <inline-formula><mml:math id="M703" display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula>, bounded by <inline-formula><mml:math id="M704" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">bot</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M705" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">top</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, is computed as <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx66" id="paren.126"/>

            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E33" content-type="numbered"><label>A10</label><mml:math id="M706" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">sca</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">24</mml:mn><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">L</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">K</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">av</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">bot</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">top</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M707" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">L</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the Loschmidt number, <inline-formula><mml:math id="M708" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">av</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is Avogadro's constant, <inline-formula><mml:math id="M709" display="inline"><mml:mi>R</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the universal gas constant, <inline-formula><mml:math id="M710" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the wavelength-dependent refractive index of the atmospheric gas under standard conditions, and <inline-formula><mml:math id="M711" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M712" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the pressure and temperature profiles in Pa and K, respectively. Given the values of <inline-formula><mml:math id="M713" display="inline"><mml:mi>p</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M714" display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> at the layer boundaries, the integral is evaluated assuming an exponential decrease of <inline-formula><mml:math id="M715" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with altitude within the layer.</p>
      <p id="d2e12485">Alternatively, if for example the temperature profile is unknown, <inline-formula><mml:math id="M716" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">sca</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be computed assuming hydrostatic equilibrium:

            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E34" content-type="numbered"><label>A11</label><mml:math id="M717" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">sca</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">24</mml:mn><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">L</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">K</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">av</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M718" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">bot</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">top</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M719" display="inline"><mml:mi>g</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the gravitational acceleration, and <inline-formula><mml:math id="M720" display="inline"><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the molar mass of the background gas.</p>
      <p id="d2e12683">The gaseous absorption optical thickness of layer <inline-formula><mml:math id="M721" display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> is computed by summing over all absorbing gases:

            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E35" content-type="numbered"><label>A12</label><mml:math id="M722" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">abs</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">av</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">bot</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">top</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">abs</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M723" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the volume mixing ratio of absorbing gas <inline-formula><mml:math id="M724" display="inline"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M725" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">abs</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is its absorption cross section in m<sup>2</sup>. The absorption cross section may depend on wavelength, temperature, and pressure, hence its dependence on altitude. Within each layer, <inline-formula><mml:math id="M727" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M728" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">abs</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are assumed to vary linearly with altitude. The single-scattering albedo of the gas is

            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E36" content-type="numbered"><label>A13</label><mml:math id="M729" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">sca</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">sca</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">abs</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S1.SS2">
  <label>A2</label><title>Aerosol particles</title>
      <p id="d2e12969">Aerosol particles are described by their size distribution, refractive index, and number density. In the present version of MONKI, aerosol particles are assumed to be spherical, so their optical properties are pre-computed with Mie theory <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx16" id="paren.127"/>. For aerosol type <inline-formula><mml:math id="M730" display="inline"><mml:mi>c</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the pre-computed single-scattering matrix used by MONKI is

            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E37" content-type="numbered"><label>A14</label><mml:math id="M731" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">F</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mtable class="smallmatrix" columnalign="center center center center" framespacing="0em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathsize="small">F</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathsize="small" mathvariant="normal">11</mml:mn><mml:mo mathsize="small">,</mml:mo><mml:mi mathsize="small">c</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal" mathsize="small">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo mathsize="small">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal" mathsize="small">Θ</mml:mi><mml:mo mathsize="small">,</mml:mo><mml:mi mathsize="small" mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo mathsize="small">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathsize="small">F</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal" mathsize="small">12</mml:mn><mml:mo mathsize="small">,</mml:mo><mml:mi mathsize="small">c</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal" mathsize="small">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo mathsize="small">(</mml:mo><mml:mi mathsize="small" mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo mathsize="small">,</mml:mo><mml:mi mathsize="small" mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo mathsize="small">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathsize="small" mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathsize="small" mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathsize="small">F</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal" mathsize="small">21</mml:mn><mml:mo mathsize="small">,</mml:mo><mml:mi mathsize="small">c</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal" mathsize="small">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo mathsize="small">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal" mathsize="small">Θ</mml:mi><mml:mo mathsize="small">,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic" mathsize="small">λ</mml:mi><mml:mo mathsize="small">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathsize="small">F</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal" mathsize="small">22</mml:mn><mml:mo mathsize="small">,</mml:mo><mml:mi mathsize="small">c</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal" mathsize="small">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo mathsize="small">(</mml:mo><mml:mi mathsize="small" mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo mathsize="small">,</mml:mo><mml:mi mathsize="small" mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo mathsize="small">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathsize="small" mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathsize="small" mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathsize="small" mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathvariant="normal" mathsize="small">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathsize="small">F</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal" mathsize="small">33</mml:mn><mml:mo mathsize="small">,</mml:mo><mml:mi mathsize="small">c</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathsize="small" mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo mathsize="small">(</mml:mo><mml:mi mathsize="small" mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo mathsize="small">,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic" mathsize="small">λ</mml:mi><mml:mo mathsize="small">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathsize="small">F</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal" mathsize="small">34</mml:mn><mml:mo mathsize="small">,</mml:mo><mml:mi mathsize="small">c</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal" mathsize="small">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo mathsize="small">(</mml:mo><mml:mi mathsize="small" mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo mathsize="small">,</mml:mo><mml:mi mathsize="small" mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo mathsize="small">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn mathsize="small" mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn mathsize="small" mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathsize="small">F</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal" mathsize="small">43</mml:mn><mml:mo mathsize="small">,</mml:mo><mml:mi mathsize="small">c</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathsize="small" mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo mathsize="small">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal" mathsize="small">Θ</mml:mi><mml:mo mathsize="small">,</mml:mo><mml:mi mathsize="small" mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo mathsize="small">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathsize="small">F</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal" mathsize="small">44</mml:mn><mml:mo mathsize="small">,</mml:mo><mml:mi mathsize="small">c</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal" mathsize="small">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo mathsize="small">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal" mathsize="small">Θ</mml:mi><mml:mo mathsize="small">,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic" mathsize="small">λ</mml:mi><mml:mo mathsize="small">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          with <inline-formula><mml:math id="M732" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">21</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M733" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">43</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">34</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d2e13299">The single-scattering albedo of aerosol type <inline-formula><mml:math id="M734" display="inline"><mml:mi>c</mml:mi></mml:math></inline-formula> is

            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E38" content-type="numbered"><label>A15</label><mml:math id="M735" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">sca</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">sca</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">abs</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          Equivalently, if the extinction cross section <inline-formula><mml:math id="M736" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the particle column number density <inline-formula><mml:math id="M737" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">col</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are specified, the scattering and absorption optical thicknesses are

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M738" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E39"><mml:mtd><mml:mtext>A16</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:msubsup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">sca</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">col</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S1.E40"><mml:mtd><mml:mtext>A17</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:msubsup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">abs</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">col</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          Here, <inline-formula><mml:math id="M739" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">col</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is expressed in m<sup>−2</sup> and <inline-formula><mml:math id="M741" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in m<sup>2</sup>. Each grid cell can contain multiple aerosol types and number densities, allowing MONKI to represent horizontally inhomogeneous aerosol and cloud fields. The total aerosol optical thickness of a grid cell is

            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E41" content-type="numbered"><label>A18</label><mml:math id="M743" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">sca</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">abs</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S1.SS3">
  <label>A3</label><title>Effective single-scattering matrix of a mixture</title>
      <p id="d2e13720">The vector radiative transfer equation (VRTE) in Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S7.SS1"/> is written in terms of an effective single-scattering matrix <inline-formula><mml:math id="M744" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">F</mml:mi></mml:math></inline-formula> for the local atmospheric mixture. Let the index <inline-formula><mml:math id="M745" display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula> denote all scattering constituent types present in a grid cell, for example the gas and the aerosol types. The total scattering coefficient is

            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E42" content-type="numbered"><label>A19</label><mml:math id="M746" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">sca</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:munder><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">sca</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          and, for <inline-formula><mml:math id="M747" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">sca</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the effective single-scattering matrix is

            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E43" content-type="numbered"><label>A20</label><mml:math id="M748" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">F</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">sca</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">F</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">sca</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          If <inline-formula><mml:math id="M749" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">sca</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the scattering source term in the VRTE vanishes and the choice of <inline-formula><mml:math id="M750" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">F</mml:mi></mml:math></inline-formula> is irrelevant. For a grid cell containing gas molecules and <inline-formula><mml:math id="M751" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> aerosol types, Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E43"/>) becomes

            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E44" content-type="numbered"><label>A21</label><mml:math id="M752" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">F</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mstyle scriptlevel="+1"><mml:mtable class="substack"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">sca</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">sca</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">F</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mstyle><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">sca</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">sca</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          This definition is equivalent to summing the scattering source terms of the individual constituents in the VRTE. The reason is that the rotation matrices used to construct the phase matrix from <inline-formula><mml:math id="M753" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">F</mml:mi></mml:math></inline-formula> depend only on the incident and scattered directions, and not on the constituent type.</p>
      <p id="d2e14133">The effective matrix in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E43"/>) is useful for writing the VRTE compactly. In the Monte Carlo algorithm, however, MONKI does not explicitly construct this matrix at every atmospheric event. Instead, the distance to the next atmospheric event is sampled using the total extinction coefficient <inline-formula><mml:math id="M754" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M755" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">sca</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">abs</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the total extinction coefficient of constituent type <inline-formula><mml:math id="M756" display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula>. At the event location <inline-formula><mml:math id="M757" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the constituent involved in the event is selected according to the probability

            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E45" content-type="numbered"><label>A22</label><mml:math id="M758" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Pr</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>∣</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          The photon weight is then multiplied by the single-scattering albedo of the selected constituent,

            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E46" content-type="numbered"><label>A23</label><mml:math id="M759" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">sca</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          and the scattering direction and Stokes-vector update are computed with the corresponding constituent matrix <inline-formula><mml:math id="M760" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">F</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Averaged over many photon histories, this gives

            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E47" content-type="numbered"><label>A24</label><mml:math id="M761" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:munder><mml:mi mathvariant="normal">Pr</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>∣</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">F</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">F</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          where

            <disp-formula id="App1.Ch1.S1.E48" content-type="numbered"><label>A25</label><mml:math id="M762" display="block"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">sca</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          is the single-scattering albedo of the local mixture. Thus, the Monte Carlo treatment of a grid cell containing several constituents reproduces the same effective scattering source term as the VRTE: the total extinction coefficient <inline-formula><mml:math id="M763" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:math></inline-formula> is used for path sampling, while the single-scattering albedo and scattering matrix are those of the selected constituent at the atmospheric event. If only one atmospheric constituent is present, then <inline-formula><mml:math id="M764" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Pr</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>∣</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M765" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M766" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">F</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">F</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In that case, the constituent type subscript <inline-formula><mml:math id="M767" display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula> may be omitted.</p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S1.SS4">
  <label>A4</label><title>Prescribed optical properties</title>
      <p id="d2e14600">As explained above, the Mie single-scattering matrices <inline-formula><mml:math id="M768" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">F</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the spherical particles in the model atmosphere are provided as input, while the Rayleigh single-scattering matrix <inline-formula><mml:math id="M769" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">F</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is determined by the depolarisation factor <inline-formula><mml:math id="M770" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, which depends on wavelength and atmospheric composition. Instead of computing <inline-formula><mml:math id="M771" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">sca</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M772" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">abs</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M773" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">sca</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M774" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">abs</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M775" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula> from the formulae above, MONKI can also use prescribed input values. This option is useful for benchmarking MONKI against other radiative transfer codes.</p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S1.SS5">
  <label>A5</label><title>Surface</title>
      <p id="d2e14712">In the current version of MONKI, the lower boundary is assumed to be a Lambertian surface. The surface reflects isotropically and fully depolarises the incident light. It is described by a surface albedo <inline-formula><mml:math id="M776" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which may depend on wavelength.</p>
</sec>
</app>

<app id="App1.Ch1.S2">
  <label>Appendix B</label><title>Sampling the free photon path length</title>
      <p id="d2e14735">This appendix, along with Appendices <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S3"/>, <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S4"/>, <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S5"/>, and <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S6"/>, concerns sampling techniques for randomly selecting a continuous variable based on its probability distribution <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx18" id="paren.128"><named-content content-type="pre">see, e.g.,</named-content><named-content content-type="post">for an introduction to probability theory</named-content></xref>. In MONKI, we use two techniques: the inverse transform method and the acceptance-rejection method <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx40" id="paren.129"><named-content content-type="pre">see Chap. 3 of</named-content></xref>.</p>
      <p id="d2e14759">Here, we describe how the inverse transform method is used to sample the free photon path length, <inline-formula><mml:math id="M777" display="inline"><mml:mi>d</mml:mi></mml:math></inline-formula>, until an atmospheric event (i.e., scattering or absorption) occurs. The inverse transform method requires (1) the cumulative distribution function (CDF) of <inline-formula><mml:math id="M778" display="inline"><mml:mi>d</mml:mi></mml:math></inline-formula>, denoted as <inline-formula><mml:math id="M779" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula><fn id="App1.Ch1.Footn1"><p id="d2e14789">In the appendices of this paper, <inline-formula><mml:math id="M780" display="inline"><mml:mi>P</mml:mi></mml:math></inline-formula> denotes the CDF corresponding to a PDF <inline-formula><mml:math id="M781" display="inline"><mml:mi>p</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and is not the degree of polarisation as in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2.SS1"/>.</p></fn>, which gives the probability that the photon interacts within distance <inline-formula><mml:math id="M782" display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>, (2) a random number, <inline-formula><mml:math id="M783" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, uniformly distributed between 0 and 1, and (3) a solution for <inline-formula><mml:math id="M784" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M785" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the inverse of <inline-formula><mml:math id="M786" display="inline"><mml:mi>P</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d2e14869">The direct transmittance, defined as the probability of a photon travelling along a straight distance <inline-formula><mml:math id="M787" display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula> through an optically homogeneous medium with total extinction coefficient <inline-formula><mml:math id="M788" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:math></inline-formula>, is given by <inline-formula><mml:math id="M789" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">dir</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In other words, this expression represents the probability that the photon does not encounter an atmospheric event along distance <inline-formula><mml:math id="M790" display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>, or <inline-formula><mml:math id="M791" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Pr</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx45" id="paren.130"><named-content content-type="pre">see, e.g.,</named-content></xref>. The probability that the photon does encounter an atmospheric event before reaching distance <inline-formula><mml:math id="M792" display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula> therefore equals

          <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E49" content-type="numbered"><label>B1</label><mml:math id="M793" display="block"><mml:mrow><mml:mtext>Pr</mml:mtext><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        By definition, Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S2.E49"/>) is <inline-formula><mml:math id="M794" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the CDF for the free path length, <inline-formula><mml:math id="M795" display="inline"><mml:mi>d</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The corresponding probability density function (PDF) is obtained by differentiating <inline-formula><mml:math id="M796" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with respect to <inline-formula><mml:math id="M797" display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>:

          <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E50" content-type="numbered"><label>B2</label><mml:math id="M798" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        This is the <italic>exponential distribution</italic> for the distance to the next atmospheric event. To sample <inline-formula><mml:math id="M799" display="inline"><mml:mi>d</mml:mi></mml:math></inline-formula> using the inverse transform method, we generate a uniformly distributed random number <inline-formula><mml:math id="M800" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and compute <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx47" id="paren.131"><named-content content-type="pre">see also Eq. 9 of</named-content></xref>

          <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E51" content-type="numbered"><label>B3</label><mml:math id="M801" display="block"><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        Since <inline-formula><mml:math id="M802" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is uniformly distributed in <inline-formula><mml:math id="M803" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M804" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> has the same probability density function as <inline-formula><mml:math id="M805" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Therefore, Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S2.E51"/>) can equivalently be written as <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx45" id="paren.132"><named-content content-type="pre">Eq. 4.39 of</named-content></xref>

          <disp-formula id="App1.Ch1.S2.E52" content-type="numbered"><label>B4</label><mml:math id="M806" display="block"><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>ln⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        Sampling random values of <inline-formula><mml:math id="M807" display="inline"><mml:mi>d</mml:mi></mml:math></inline-formula> with Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S2.E52"/>) ensures that the sampled free path lengths follow the PDF of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S2.E50"/>), which is consistent with the law of Lambert-Beer for radiative attenuation.</p>
      <p id="d2e15258">In the finite computational domain, the sampled distance <inline-formula><mml:math id="M808" display="inline"><mml:mi>d</mml:mi></mml:math></inline-formula> is compared with the distance to the next grid-cell or domain boundary along the photon direction. If that boundary is reached before the sampled atmospheric event, the photon is moved to the boundary and the remaining optical path is continued in the next grid cell, or the photon leaves the atmosphere or reaches the surface if the domain boundary is TOA or BOA, respectively.</p>
</app>

<app id="App1.Ch1.S3">
  <label>Appendix C</label><title>Sampling the surface reflection direction</title>
      <p id="d2e15276">In this appendix, we show how to sample the propagation direction <inline-formula><mml:math id="M809" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi></mml:math></inline-formula>, or equivalently <inline-formula><mml:math id="M810" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, of a photon after it has been reflected by the Lambertian surface, that is, an isotropically and fully depolarising surface. As in Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S2"/>, we use the inverse transform method for this.</p>
      <p id="d2e15304">Suppose <inline-formula><mml:math id="M811" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the radiance Stokes vector that has been reflected by a flat surface that reflects Lambertian. Consequently, only the first element of <inline-formula><mml:math id="M812" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M813" display="inline"><mml:mi>I</mml:mi></mml:math></inline-formula>, is non-zero, and <inline-formula><mml:math id="M814" display="inline"><mml:mi>I</mml:mi></mml:math></inline-formula> will be independent of <inline-formula><mml:math id="M815" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M816" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The reflected irradiance that emerges from the Lambertian surface then equals <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx41" id="paren.133"><named-content content-type="pre">see, e.g.,</named-content></xref>:

          <disp-formula id="App1.Ch1.S3.E53" content-type="numbered"><label>C1</label><mml:math id="M817" display="block"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:munderover><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        Dividing both sides by <inline-formula><mml:math id="M818" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> gives

          <disp-formula id="App1.Ch1.S3.E54" content-type="numbered"><label>C2</label><mml:math id="M819" display="block"><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:munderover><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        with

          <disp-formula id="App1.Ch1.S3.E55" content-type="numbered"><label>C3</label><mml:math id="M820" display="block"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        Since <inline-formula><mml:math id="M821" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a function whose integrals equal 1, it is by definition the joint probability density function (PDF) of <inline-formula><mml:math id="M822" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M823" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. For Lambertian reflection, <inline-formula><mml:math id="M824" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M825" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:math></inline-formula> are independent due to the symmetry in the azimuthal direction, such that <inline-formula><mml:math id="M826" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Thus, the direction <inline-formula><mml:math id="M827" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.33em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be sampled by sampling <inline-formula><mml:math id="M828" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M829" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:math></inline-formula> individually from their marginal PDFs <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx40" id="paren.134"><named-content content-type="pre">see Sect. 3.2 of</named-content></xref>.</p>
      <p id="d2e15614">The marginal PDF of <inline-formula><mml:math id="M830" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:math></inline-formula> can be obtained by integrating Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S3.E55"/>) over <inline-formula><mml:math id="M831" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:math></inline-formula>:

          <disp-formula id="App1.Ch1.S3.E56" content-type="numbered"><label>C4</label><mml:math id="M832" display="block"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        The corresponding CDF is <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx47" id="paren.135"><named-content content-type="pre">see also</named-content><named-content content-type="post">Eq. 18</named-content></xref>

          <disp-formula id="App1.Ch1.S3.E57" content-type="numbered"><label>C5</label><mml:math id="M833" display="block"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:munderover><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        The sampling expression for <inline-formula><mml:math id="M834" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:math></inline-formula> follows from the inverse of <inline-formula><mml:math id="M835" display="inline"><mml:mi>P</mml:mi></mml:math></inline-formula> <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx47" id="paren.136"><named-content content-type="pre">see also</named-content><named-content content-type="post">Eq. 19</named-content></xref>:

          <disp-formula id="App1.Ch1.S3.E58" content-type="numbered"><label>C6</label><mml:math id="M836" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        where <inline-formula><mml:math id="M837" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a generated, uniformly distributed random number between 0 and 1.</p>
      <p id="d2e15861">The marginal PDF of <inline-formula><mml:math id="M838" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:math></inline-formula> can be obtained by integrating Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S3.E55"/>) over <inline-formula><mml:math id="M839" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:math></inline-formula>:

          <disp-formula id="App1.Ch1.S3.E59" content-type="numbered"><label>C7</label><mml:math id="M840" display="block"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:munderover><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        The corresponding CDF is:

          <disp-formula id="App1.Ch1.S3.E60" content-type="numbered"><label>C8</label><mml:math id="M841" display="block"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        The sampling expression for <inline-formula><mml:math id="M842" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is then:

          <disp-formula id="App1.Ch1.S3.E61" content-type="numbered"><label>C9</label><mml:math id="M843" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        where <inline-formula><mml:math id="M844" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is another generated uniformly distributed random number between 0 and 1.</p>
</app>

<app id="App1.Ch1.S4">
  <label>Appendix D</label><title>The probability distribution of the atmospheric scattering direction of polarised light</title>
      <p id="d2e16102">In this appendix, we derive the probability density function (PDF) of the scattering direction of light in a unit volume of atmosphere.</p>
      <p id="d2e16105">Let <inline-formula><mml:math id="M845" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> represent the flux vector of incident light in direction <inline-formula><mml:math id="M846" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at a unit volume in the atmosphere, for a given wavelength <inline-formula><mml:math id="M847" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Here, we omit the <inline-formula><mml:math id="M848" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi></mml:math></inline-formula>-dependence notation. The incident light may be polarised, described by the Stokes vector <inline-formula><mml:math id="M849" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M850" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msup><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M851" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and/or <inline-formula><mml:math id="M852" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:msup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The radiance Stokes vector of the scattered light is then <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx37" id="paren.137"><named-content content-type="post">Eqs. 4.1 and 4.3</named-content></xref>

          <disp-formula id="App1.Ch1.S4.E62" content-type="numbered"><label>D1</label><mml:math id="M853" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        whose first element, <inline-formula><mml:math id="M854" display="inline"><mml:mi>I</mml:mi></mml:math></inline-formula>, represents the total scattered radiance contribution in the direction <inline-formula><mml:math id="M855" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi></mml:math></inline-formula>, for light from the specific incident direction <inline-formula><mml:math id="M856" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Here, <inline-formula><mml:math id="M857" display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the single scattering albedo, and <inline-formula><mml:math id="M858" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the phase matrix, given by <inline-formula><mml:math id="M859" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">F</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx37" id="paren.138"><named-content content-type="post">Eq. 3.7</named-content></xref>. Matrices <inline-formula><mml:math id="M860" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">F</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M861" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi></mml:math></inline-formula> are the single scattering matrix and the matrix for rotation of the polarisation reference plane, respectively, as in Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E11"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E12"/>). In the Monte Carlo algorithm, the quantities <inline-formula><mml:math id="M862" display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M863" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">F</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M864" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi></mml:math></inline-formula> in this appendix should be read as <inline-formula><mml:math id="M865" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M866" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">F</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M867" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the selected constituent type <inline-formula><mml:math id="M868" display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula> (here, we omit the <inline-formula><mml:math id="M869" display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula> subscript notation).</p>
      <p id="d2e16534">To sample the scattering direction <inline-formula><mml:math id="M870" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi></mml:math></inline-formula>, it is convenient to first consider the scattered radiance vector after the rotation over angle <inline-formula><mml:math id="M871" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> only, <inline-formula><mml:math id="M872" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>×</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, defined with respect to the scattering plane <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx87" id="paren.139"><named-content content-type="pre">see, e.g., the notes of</named-content></xref>:

          <disp-formula id="App1.Ch1.S4.E63" content-type="numbered"><label>D2</label><mml:math id="M873" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>×</mml:mo></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>;</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="bold">F</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        Recall that in the case of Rayleigh and Mie scattering <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx32" id="paren.140"><named-content content-type="pre">and a few other special cases, see</named-content></xref>, the single scattering matrix elements <inline-formula><mml:math id="M874" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">13</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">14</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">23</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">24</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">31</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">32</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">41</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">42</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (see Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S1"/>). Substituting those values into Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S4.E63"/>) yields the following expression for the first element of <inline-formula><mml:math id="M875" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>×</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>:

          <disp-formula id="App1.Ch1.S4.E64" content-type="numbered"><label>D3</label><mml:math id="M876" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>×</mml:mo></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>;</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="2.0em">[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo mathsize="1.1em">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo mathsize="1.1em">)</mml:mo><mml:mo mathsize="2.0em">]</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

        Note that the value of <inline-formula><mml:math id="M877" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>×</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> equals the total scattered radiance <inline-formula><mml:math id="M878" display="inline"><mml:mi>I</mml:mi></mml:math></inline-formula>, since the left multiplication by <inline-formula><mml:math id="M879" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S4.E62"/>) does not affect the first Stokes component. From inspection of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S4.E64"/>) it is clear that <inline-formula><mml:math id="M880" display="inline"><mml:mi>I</mml:mi></mml:math></inline-formula> not only depends on the phase function <inline-formula><mml:math id="M881" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, but also on scattering matrix element <inline-formula><mml:math id="M882" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and on the state of polarisation of the light beam <inline-formula><mml:math id="M883" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> incident at the scattering volume.</p>
      <p id="d2e16996">Because of the conservation of energy, the total scattered radiance integrated over all scattering directions must equal the fraction <inline-formula><mml:math id="M884" display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula> of the incident flux <inline-formula><mml:math id="M885" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> that is being scattered:

          <disp-formula id="App1.Ch1.S4.E65" content-type="numbered"><label>D4</label><mml:math id="M886" display="block"><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:munderover><mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>×</mml:mo></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>;</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        Let us now define the normalised incident Stokes vector by

          <disp-formula id="App1.Ch1.S4.E66" content-type="numbered"><label>D5</label><mml:math id="M887" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        Substituting Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S4.E64"/>) into Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S4.E65"/>) and dividing both sides by <inline-formula><mml:math id="M888" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> gives

          <disp-formula id="App1.Ch1.S4.E67" content-type="numbered"><label>D6</label><mml:math id="M889" display="block"><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:munderover><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        with

          <disp-formula id="App1.Ch1.S4.E68" content-type="numbered"><label>D7</label><mml:math id="M890" display="block"><mml:mrow><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="2.0em">[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo mathsize="2.0em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo mathsize="2.0em">)</mml:mo><mml:mo mathsize="2.0em">]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        where <inline-formula><mml:math id="M891" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> indicates the first element of a Stokes vector. Since the integrals in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S4.E67"/>) equal 1, <inline-formula><mml:math id="M892" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the joint PDF for the scattering direction <inline-formula><mml:math id="M893" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of polarised light incident on the scattering volume.<fn id="App1.Ch1.Footn2"><p id="d2e17667">If the incident light is unpolarised, Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S4.E68"/>) simplifies to the well-known result <inline-formula><mml:math id="M894" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx32" id="paren.141"><named-content content-type="pre">see, e.g.,</named-content></xref>.</p></fn> Given the functions for <inline-formula><mml:math id="M895" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M896" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and the values of the Stokes parameters of the incident beam <inline-formula><mml:math id="M897" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the variables <inline-formula><mml:math id="M898" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M899" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be sampled with a sampling method using this PDF (see Appendices <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S5"/> and <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S6"/>).</p>
      <p id="d2e17797">Finally, the scattering direction <inline-formula><mml:math id="M900" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi></mml:math></inline-formula>, or equivalently its angles <inline-formula><mml:math id="M901" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M902" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, is determined from the sampled values <inline-formula><mml:math id="M903" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M904" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> using spherical trigonometry (see Fig. <xref ref-type="fig" rid="F1"/>):

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M905" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S4.E69"><mml:mtd><mml:mtext>D8</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>arccos⁡</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S4.E70"><mml:mtd><mml:mtext>D9</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>arccos⁡</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">sign</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

        where the multiplication by the sign of <inline-formula><mml:math id="M906" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is needed for the correct rotation direction of <inline-formula><mml:math id="M907" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d2e17992">Similarly, we can derive a PDF for the scattering direction in the <italic>backward</italic> Monte Carlo mode. Following the convention introduced in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2.SS4"/>, <inline-formula><mml:math id="M908" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M909" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi></mml:math></inline-formula> denote the incident and scattered propagation directions in the associated forward trajectory, while <inline-formula><mml:math id="M910" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M911" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the corresponding detector-side and source-side directions along the backward trajectory. In contrast to the forward case, the quantity propagated along the trajectory is not a physical Stokes vector of incident radiation, but a normalised <inline-formula><mml:math id="M912" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> response matrix <inline-formula><mml:math id="M913" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, which describes the cumulative polarisation-dependent detector response between the current scattering event and the detector (see Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S7.SS8"/> for a more detailed explanation). Accordingly, the backward analogue of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S4.E62"/>) is

          <disp-formula id="App1.Ch1.S4.E71" content-type="numbered"><label>D10</label><mml:math id="M914" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-script">I</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        where <inline-formula><mml:math id="M915" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Here, <inline-formula><mml:math id="M916" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-script">I</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is not a physical radiance Stokes vector, but a dimensionless quantity describing how radiation scattered at the current event would contribute to the detector signal along the corresponding forward trajectory. In backward mode, <inline-formula><mml:math id="M917" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is obtained from the phase matrix in the reversed geometry through the reciprocity relation in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E16"/>). Using the same reasoning as in the forward case, we find the following expression for the joint PDF of the backward scattering direction:

          <disp-formula id="App1.Ch1.S4.E72" content-type="numbered"><label>D11</label><mml:math id="M918" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo mathsize="1.1em">[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">13</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo mathsize="1.1em">]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

        where <inline-formula><mml:math id="M919" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M920" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">13</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the <inline-formula><mml:math id="M921" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M922" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> elements of <inline-formula><mml:math id="M923" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>. Compared to the forward expression, the sign in front of the <inline-formula><mml:math id="M924" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">13</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> term is positive, and rotation angle <inline-formula><mml:math id="M925" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is used instead of <inline-formula><mml:math id="M926" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d2e18480">Finally, once <inline-formula><mml:math id="M927" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M928" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> have been sampled, the source-side direction in the reversed geometry, <inline-formula><mml:math id="M929" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, is obtained from the known detector-side reversed direction <inline-formula><mml:math id="M930" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> through

              <disp-formula specific-use="gather" content-type="numbered"><mml:math id="M931" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S4.E73"><mml:mtd><mml:mtext>D12</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>arccos⁡</mml:mi><mml:mo mathsize="1.1em">(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo mathsize="1.1em">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S4.E74"><mml:mtd><mml:mtext>D13</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>arccos⁡</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">sign</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

        These are the backward analogues of Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S4.E69"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S4.E70"/>), written for the reversed scattering geometry. In practice, this formulation allows the same direction-reconstruction routine to be used as in the forward mode: the reversed detector-side direction <inline-formula><mml:math id="M932" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is used as the incident direction, the reversed source-side direction <inline-formula><mml:math id="M933" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is reconstructed as the scattered direction, and <inline-formula><mml:math id="M934" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is used as the corresponding rotation angle in place of <inline-formula><mml:math id="M935" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
</app>

<app id="App1.Ch1.S5">
  <label>Appendix E</label><title>Sampling the Rayleigh scattering direction</title>
      <p id="d2e18855">In this appendix, we describe how to sample the photon propagation direction <inline-formula><mml:math id="M936" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi></mml:math></inline-formula>, or equivalently <inline-formula><mml:math id="M937" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, after Rayleigh scattering of polarised light. Because the CDF corresponding to the PDF <inline-formula><mml:math id="M938" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the scattering direction (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S4.E68"/>), and its inverse are not readily available, we do not use the inverse transform method. Instead, we use the acceptance-rejection method <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx40" id="paren.142"><named-content content-type="pre">see Sect. 3.1.5 of</named-content></xref>.</p>
      <p id="d2e18911">The acceptance-rejection method requires an envelope function <inline-formula><mml:math id="M939" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, with <inline-formula><mml:math id="M940" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, such that

          <disp-formula id="App1.Ch1.S5.E75" content-type="numbered"><label>E1</label><mml:math id="M941" display="block"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        for all <inline-formula><mml:math id="M942" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M943" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Here, <inline-formula><mml:math id="M944" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is called the proposal PDF. The method proceeds as follows: (1) sample a candidate pair <inline-formula><mml:math id="M945" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from <inline-formula><mml:math id="M946" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> using uniformly distributed random numbers <inline-formula><mml:math id="M947" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, (2) generate another uniformly distributed random number <inline-formula><mml:math id="M948" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and (3) accept the candidate if

          <disp-formula id="App1.Ch1.S5.E76" content-type="numbered"><label>E2</label><mml:math id="M949" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>;</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        otherwise, reject it and return to step (1).</p>
      <p id="d2e19209">For Rayleigh scattering, we choose a constant envelope function. To show that this choice is valid, define

          <disp-formula id="App1.Ch1.S5.E77" content-type="numbered"><label>E3</label><mml:math id="M950" display="block"><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        Because the incident Stokes vector is physically admissible, its degree of polarisation,

          <disp-formula id="App1.Ch1.S5.E78" content-type="numbered"><label>E4</label><mml:math id="M951" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msup><mml:msup><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:msup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:msup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        satisfies <inline-formula><mml:math id="M952" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Therefore,

          <disp-formula id="App1.Ch1.S5.E79" content-type="numbered"><label>E5</label><mml:math id="M953" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        Using the Cauchy–Schwarz inequality, it then follows that

          <disp-formula id="App1.Ch1.S5.E80" content-type="numbered"><label>E6</label><mml:math id="M954" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="|" close="|"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>≤</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

        Hence,

          <disp-formula id="App1.Ch1.S5.E81" content-type="numbered"><label>E7</label><mml:math id="M955" display="block"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mtext>for all </mml:mtext><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        For Rayleigh scattering (Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S1"/>),

          <disp-formula id="App1.Ch1.S5.E82" content-type="numbered"><label>E8</label><mml:math id="M956" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

        so that

          <disp-formula id="App1.Ch1.S5.E83" content-type="numbered"><label>E9</label><mml:math id="M957" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mtext>for all </mml:mtext><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        Using Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S4.E68"/>), the PDF for the scattering direction becomes

          <disp-formula id="App1.Ch1.S5.E84" content-type="numbered"><label>E10</label><mml:math id="M958" display="block"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        Because <inline-formula><mml:math id="M959" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M960" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we obtain

          <disp-formula id="App1.Ch1.S5.E85" content-type="numbered"><label>E11</label><mml:math id="M961" display="block"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        Substituting the Rayleigh expressions yields

          <disp-formula id="App1.Ch1.S5.E86" content-type="numbered"><label>E12</label><mml:math id="M962" display="block"><mml:mrow><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        Combining Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S5.E85"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S5.E86"/>), we find

          <disp-formula id="App1.Ch1.S5.E87" content-type="numbered"><label>E13</label><mml:math id="M963" display="block"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mtext>for all </mml:mtext><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mtext> and </mml:mtext><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        We may therefore choose the constant envelope function

          <disp-formula id="App1.Ch1.S5.E88" content-type="numbered"><label>E14</label><mml:math id="M964" display="block"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        Since <inline-formula><mml:math id="M965" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is constant on the domain <inline-formula><mml:math id="M966" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>×</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the normalising constant needed to make <inline-formula><mml:math id="M967" display="inline"><mml:mi>g</mml:mi></mml:math></inline-formula> a valid PDF, i.e. such that its double integral over the domain equals 1, is

          <disp-formula id="App1.Ch1.S5.E89" content-type="numbered"><label>E15</label><mml:math id="M968" display="block"><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:munderover><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        and the proposal PDF becomes

          <disp-formula id="App1.Ch1.S5.E90" content-type="numbered"><label>E16</label><mml:math id="M969" display="block"><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        Thus, candidate values can be sampled independently from <inline-formula><mml:math id="M970" display="inline"><mml:mi>g</mml:mi></mml:math></inline-formula> as

          <disp-formula id="App1.Ch1.S5.E91" content-type="numbered"><label>E17</label><mml:math id="M971" display="block"><mml:mrow><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        with <inline-formula><mml:math id="M972" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M973" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> independent random numbers uniformly distributed on <inline-formula><mml:math id="M974" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d2e20530">Next, we generate another uniformly distributed random number <inline-formula><mml:math id="M975" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and compute <inline-formula><mml:math id="M976" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from the sampled <inline-formula><mml:math id="M977" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M978" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the Rayleigh matrix elements <inline-formula><mml:math id="M979" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M980" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and the incident Stokes vector <inline-formula><mml:math id="M981" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> using Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S4.E68"/>). The candidate pair <inline-formula><mml:math id="M982" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is accepted if

          <disp-formula id="App1.Ch1.S5.E92" content-type="numbered"><label>E18</label><mml:math id="M983" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>;</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        otherwise, it is rejected and the procedure above is repeated. Finally, once <inline-formula><mml:math id="M984" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M985" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> have been accepted, the angles <inline-formula><mml:math id="M986" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M987" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:math></inline-formula> are computed with spherical trigonometry using Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S4.E69"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S4.E70"/>).</p>
      <p id="d2e20766">The same acceptance-rejection scheme can also be used in the backward Monte Carlo mode to sample <inline-formula><mml:math id="M988" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Using Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S4.E72"/>), define

          <disp-formula id="App1.Ch1.S5.E93" content-type="numbered"><label>E19</label><mml:math id="M989" display="block"><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn></mml:msub><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">13</mml:mn></mml:msub><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        The normalised detector-response matrix <inline-formula><mml:math id="M990" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> plays the same role in backward sampling as a normalised Stokes vector in forward sampling, so its first-row linear-polarisation components obey <inline-formula><mml:math id="M991" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn><mml:mrow><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">13</mml:mn><mml:mrow><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Therefore <inline-formula><mml:math id="M992" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by the Cauchy–Schwarz inequality. Hence, for Rayleigh scattering,

          <disp-formula id="App1.Ch1.S5.E94" content-type="numbered"><label>E20</label><mml:math id="M993" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

        Therefore, the same constant envelope function and proposal PDF as in the forward case can be used in backward mode as well. The only differences are that <inline-formula><mml:math id="M994" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is replaced by <inline-formula><mml:math id="M995" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and that the sampled direction is reconstructed using the backward geometry from Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S4"/>.</p>
</app>

<app id="App1.Ch1.S6">
  <label>Appendix F</label><title>Sampling the Mie scattering direction</title>
      <p id="d2e21107">In this appendix, we describe how to sample the photon propagation direction <inline-formula><mml:math id="M996" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi></mml:math></inline-formula>, or equivalently <inline-formula><mml:math id="M997" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, after Mie scattering of polarised light by a specific spherical aerosol type <inline-formula><mml:math id="M998" display="inline"><mml:mi>c</mml:mi></mml:math></inline-formula> (in this appendix, we omit the <inline-formula><mml:math id="M999" display="inline"><mml:mi>c</mml:mi></mml:math></inline-formula> subscript notation). As in Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S5"/>, we use the acceptance-rejection method.</p>
      <p id="d2e21149">For Mie scattering, it is generally inefficient to use a constant envelope function. This is because Mie scattering phase functions are often strongly peaked in the forward scattering direction (see Fig. <xref ref-type="fig" rid="F11"/>), which would result in a low acceptance rate for the generated scattering angles. Instead, we construct an envelope function that follows the <inline-formula><mml:math id="M1000" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:math></inline-formula>-dependence of the scattering direction PDF <inline-formula><mml:math id="M1001" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> more closely.</p>
      <p id="d2e21184">Using Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S4.E68"/>), define

          <disp-formula id="App1.Ch1.S6.E95" content-type="numbered"><label>F1</label><mml:math id="M1002" display="block"><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        As shown in Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S5"/>, the physical admissibility of the incident Stokes vector implies that

          <disp-formula id="App1.Ch1.S6.E96" content-type="numbered"><label>F2</label><mml:math id="M1003" display="block"><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        The PDF for the scattering direction can therefore be written as

          <disp-formula id="App1.Ch1.S6.E97" content-type="numbered"><label>F3</label><mml:math id="M1004" display="block"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        which satisfies

          <disp-formula id="App1.Ch1.S6.E98" content-type="numbered"><label>F4</label><mml:math id="M1005" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced open="|" close="|"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced open="|" close="|"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

        We may therefore choose the envelope function

          <disp-formula id="App1.Ch1.S6.E99" content-type="numbered"><label>F5</label><mml:math id="M1006" display="block"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced close="|" open="|"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        Note that <inline-formula><mml:math id="M1007" display="inline"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> is not constant, but depends on <inline-formula><mml:math id="M1008" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> only. Compared to a constant envelope, this choice follows the <inline-formula><mml:math id="M1009" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:math></inline-formula>-dependence of <inline-formula><mml:math id="M1010" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> more closely and thereby improves the acceptance rate.</p>
      <p id="d2e21579">The proposal PDF <inline-formula><mml:math id="M1011" display="inline"><mml:mi>g</mml:mi></mml:math></inline-formula> is obtained from <inline-formula><mml:math id="M1012" display="inline"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> through

          <disp-formula id="App1.Ch1.S6.E100" content-type="numbered"><label>F6</label><mml:math id="M1013" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>C</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced open="|" close="|"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

        where the normalising constant <inline-formula><mml:math id="M1014" display="inline"><mml:mi>C</mml:mi></mml:math></inline-formula> is given by

          <disp-formula id="App1.Ch1.S6.E101" content-type="numbered"><label>F7</label><mml:math id="M1015" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:munderover><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:munderover><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced open="|" close="|"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d2e21837">Quantities <inline-formula><mml:math id="M1016" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M1017" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> must be sampled from <inline-formula><mml:math id="M1018" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Equivalently, they can be sampled from the marginal PDF <inline-formula><mml:math id="M1019" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the conditional PDF <inline-formula><mml:math id="M1020" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of <inline-formula><mml:math id="M1021" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> given <inline-formula><mml:math id="M1022" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx40" id="paren.143"><named-content content-type="post">Sect. 3.2</named-content></xref>. As in Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S2"/>, we use the inverse transform method for this.</p>
      <p id="d2e21952">The marginal PDF of <inline-formula><mml:math id="M1023" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is obtained by integrating over <inline-formula><mml:math id="M1024" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>:

          <disp-formula id="App1.Ch1.S6.E102" content-type="numbered"><label>F8</label><mml:math id="M1025" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced open="|" close="|"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

        The conditional PDF of <inline-formula><mml:math id="M1026" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> given <inline-formula><mml:math id="M1027" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> then follows from the product rule <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx58" id="paren.144"><named-content content-type="pre">see, e.g.,</named-content><named-content content-type="post">Sect. 3.5.2</named-content></xref>:

          <disp-formula id="App1.Ch1.S6.E103" content-type="numbered"><label>F9</label><mml:math id="M1028" display="block"><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        Thus, under the proposal PDF <inline-formula><mml:math id="M1029" display="inline"><mml:mi>g</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the variables <inline-formula><mml:math id="M1030" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M1031" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are independent, and <inline-formula><mml:math id="M1032" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is uniformly distributed on <inline-formula><mml:math id="M1033" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d2e22241">The CDF corresponding to <inline-formula><mml:math id="M1034" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is

          <disp-formula id="App1.Ch1.S6.E104" content-type="numbered"><label>F10</label><mml:math id="M1035" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced open="|" close="|"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

        To evaluate Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S6.E104"/>), we precompute the normalising constant <inline-formula><mml:math id="M1036" display="inline"><mml:mi>C</mml:mi></mml:math></inline-formula> and generate a lookup table (LUT) for <inline-formula><mml:math id="M1037" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> on a fine <inline-formula><mml:math id="M1038" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>-grid, using the available values of <inline-formula><mml:math id="M1039" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M1040" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> computed with Mie theory. According to the inverse transform method, the sampling expression for <inline-formula><mml:math id="M1041" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is

          <disp-formula id="App1.Ch1.S6.E105" content-type="numbered"><label>F11</label><mml:math id="M1042" display="block"><mml:mrow><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        with <inline-formula><mml:math id="M1043" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the inverse of <inline-formula><mml:math id="M1044" display="inline"><mml:mi>G</mml:mi></mml:math></inline-formula> and where <inline-formula><mml:math id="M1045" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a uniformly distributed random number on <inline-formula><mml:math id="M1046" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In practice, the value of <inline-formula><mml:math id="M1047" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> corresponding to <inline-formula><mml:math id="M1048" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is retrieved from the LUT by linear interpolation.</p>
      <p id="d2e22581">The CDF corresponding to <inline-formula><mml:math id="M1049" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is

          <disp-formula id="App1.Ch1.S6.E106" content-type="numbered"><label>F12</label><mml:math id="M1050" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

        Hence, the sampling expression for <inline-formula><mml:math id="M1051" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is

          <disp-formula id="App1.Ch1.S6.E107" content-type="numbered"><label>F13</label><mml:math id="M1052" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        where <inline-formula><mml:math id="M1053" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is another uniformly distributed random number on <inline-formula><mml:math id="M1054" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d2e22809">Next, we compute <inline-formula><mml:math id="M1055" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from the sampled <inline-formula><mml:math id="M1056" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M1057" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the Mie matrix elements <inline-formula><mml:math id="M1058" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M1059" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and the incident Stokes vector <inline-formula><mml:math id="M1060" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> using Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S4.E68"/>). We then generate a third uniformly distributed random number <inline-formula><mml:math id="M1061" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The candidate pair <inline-formula><mml:math id="M1062" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is accepted if

          <disp-formula id="App1.Ch1.S6.E108" content-type="numbered"><label>F14</label><mml:math id="M1063" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>;</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        otherwise, it is rejected and the above steps are repeated. Finally, once <inline-formula><mml:math id="M1064" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M1065" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> have been accepted, the angles <inline-formula><mml:math id="M1066" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M1067" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:math></inline-formula> are computed with spherical trigonometry using Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S4.E69"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S4.E70"/>).</p>
      <p id="d2e23044">The same acceptance-rejection scheme can also be used in the backward Monte Carlo mode to sample <inline-formula><mml:math id="M1068" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In that case, Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S4.E68"/>) is replaced by the backward PDF <inline-formula><mml:math id="M1069" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S4.E72"/>). Since, analogously to Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S5"/>, the factor multiplying <inline-formula><mml:math id="M1070" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">12</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in <inline-formula><mml:math id="M1071" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> has absolute value not exceeding 1, the same envelope function of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S6.E99"/>) also bounds the backward PDF. Therefore, the same proposal PDF, normalising constant <inline-formula><mml:math id="M1072" display="inline"><mml:mi>C</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and lookup table for <inline-formula><mml:math id="M1073" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be used in backward mode as well. The only differences are that <inline-formula><mml:math id="M1074" display="inline"><mml:mi>p</mml:mi></mml:math></inline-formula> is replaced by <inline-formula><mml:math id="M1075" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>  and the sampled direction is reconstructed using the backward geometry from Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S4"/>.</p>
</app>

<app id="App1.Ch1.S7">
  <label>Appendix G</label><title>Derivation of forward and backward Monte Carlo estimators for polarised radiative transfer</title>
      <p id="d2e23177">For readers who wish to understand the theoretical basis of our Monte Carlo code using the local estimation method including polarisation of light, we here provide a complete derivation of the radiance Stokes-vector equations in forward and backward Monte Carlo modes, including polarisation-dependent sampling of the scattering direction. We note that related Monte Carlo derivations were presented by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx45" id="text.145"/> and <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx21" id="text.146"/> for the scalar case, and by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx44" id="text.147"/>, <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx20" id="text.148"/>, and <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx83" id="text.149"/> for the polarised case. However, these derivations are spread over multiple chapters or papers, sometimes omit intermediate derivation steps, and do not always make the consistency of the physical units explicit. In addition, the polarised derivations are generally formulated by extending scalar Monte Carlo expressions to Stokes-vector quantities, and they do not include polarisation-dependent sampling of the scattering direction.</p>
      <p id="d2e23195">To our knowledge, the derivation presented here is the first to start directly from the vector radiative transfer equation (VRTE) for polarised light and to proceed explicitly to the final forward and backward local-estimation formulae, while consistently incorporating polarisation-dependent sampling of the scattering directions. Readers interested only in the practical Monte Carlo method, including polarisation-dependent sampling of the scattering direction, may start with Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S7.SS7"/>.</p>
<sec id="App1.Ch1.S7.SS1">
  <label>G1</label><title>Vector radiative transfer equation (VRTE)</title>
      <p id="d2e23207">Let us consider a light beam with wavelength <inline-formula><mml:math id="M1076" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, described by the radiance Stokes vector <inline-formula><mml:math id="M1077" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in W m<sup>−2</sup> sr<sup>−1</sup> nm<sup>−1</sup>, propagating through a three-dimensional medium occupying a volume <inline-formula><mml:math id="M1081" display="inline"><mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi></mml:math></inline-formula>. We assume the system is in steady state, meaning that neither the radiation field nor the optical properties of the medium vary with time. Let <inline-formula><mml:math id="M1082" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denote position and <inline-formula><mml:math id="M1083" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi><mml:mi>sin⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi><mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> a propagation direction, with local zenith angle <inline-formula><mml:math id="M1084" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and azimuth angle <inline-formula><mml:math id="M1085" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Then, the rate of change of <inline-formula><mml:math id="M1086" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi></mml:math></inline-formula> at <inline-formula><mml:math id="M1087" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:math></inline-formula> in the direction of <inline-formula><mml:math id="M1088" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi></mml:math></inline-formula> is described by the steady-state, monochromatic vector radiative transfer equation (VRTE) <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx44" id="paren.150"/>:

            <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E109" content-type="numbered"><label>G1</label><mml:math id="M1089" display="block"><mml:mrow><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">sca</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          Here, <inline-formula><mml:math id="M1090" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M1091" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">abs</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">sca</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the total extinction coefficient, and <inline-formula><mml:math id="M1092" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">sca</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the total scattering coefficient, both in m<sup>−1</sup>. Matrix <inline-formula><mml:math id="M1094" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi></mml:math></inline-formula> is dimensionless and describes how light from incident directions <inline-formula><mml:math id="M1095" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is scattered into the beam along <inline-formula><mml:math id="M1096" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The factor <inline-formula><mml:math id="M1097" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> originates from the normalisation of the phase matrix. We neglect inelastic scattering processes, such as Raman scattering, for which <inline-formula><mml:math id="M1098" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi></mml:math></inline-formula> changes upon scattering.</p>
      <p id="d2e23736">The phase matrix is written as

            <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E110" content-type="numbered"><label>G2</label><mml:math id="M1099" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="bold">F</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M1100" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>arccos⁡</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the scattering angle, and <inline-formula><mml:math id="M1101" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">L</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the rotation matrix that transforms the Stokes vector's reference plane between the local meridian planes of the incident and scattered light (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E12"/>) via the rotation angles <inline-formula><mml:math id="M1102" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M1103" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Fig. <xref ref-type="fig" rid="F1"/>). The single-scattering matrix <inline-formula><mml:math id="M1104" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">F</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the effective single-scattering matrix of the local atmospheric mixture. It is equal to the single-scattering matrix of the scattering constituent if only one constituent is present, and to the scattering-coefficient-weighted mixture matrix if several constituents are present. In the Monte Carlo implementation, this effective matrix need not be constructed explicitly at each atmospheric event, because the scattering constituent is sampled first, as described in Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S1"/>.</p>
      <p id="d2e23886">The first term on the right-hand side of the VRTE describes attenuation by extinction, that is, by absorption and scattering out of the beam. The second term accounts for radiation scattered into the beam, using the phase matrix constructed from the effective single-scattering matrix of the local mixture. The final term, <inline-formula><mml:math id="M1105" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, is the source density in W m<sup>−3</sup> sr<sup>−1</sup> nm<sup>−1</sup> due to emission sources. In the current version of MONKI, thermal emission by the atmosphere and surface is neglected, so the Sun is the only emission source.</p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S7.SS2">
  <label>G2</label><title>Formal solution of the VRTE</title>
      <p id="d2e23944">To obtain a formal expression for the radiance Stokes vector <inline-formula><mml:math id="M1109" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we start from the VRTE  (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E109"/>) written as:

            <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E111" content-type="numbered"><label>G3</label><mml:math id="M1110" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">sca</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          Rearranging Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E111"/>) yields:

            <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E112" content-type="numbered"><label>G4</label><mml:math id="M1111" display="block"><mml:mrow><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">sca</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M1112" display="inline"><mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a linear differential operator,

            <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E113" content-type="numbered"><label>G5</label><mml:math id="M1113" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi><mml:mo>:=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          Using this operator in the method of Green's functions, we obtain the following formal solution for the radiance Stokes vector at wavelength <inline-formula><mml:math id="M1114" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and position <inline-formula><mml:math id="M1115" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:math></inline-formula> in direction <inline-formula><mml:math id="M1116" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi></mml:math></inline-formula> (see Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S8"/> for the derivation):

            <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E114" content-type="numbered"><label>G6</label><mml:math id="M1117" display="block"><mml:mrow><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi></mml:munder><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>‖</mml:mo></mml:mrow></mml:munderover><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>‖</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where the integration extends over the spatial domain <inline-formula><mml:math id="M1118" display="inline"><mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi></mml:math></inline-formula> of the medium. Here, <inline-formula><mml:math id="M1119" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes the position of a local radiation source within the medium, i.e., a point at which radiation is scattered into the beam or where direct solar illumination is represented through the source term. The Dirac delta function ensures that only source points <inline-formula><mml:math id="M1120" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> located upstream of <inline-formula><mml:math id="M1121" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:math></inline-formula> along the direction  <inline-formula><mml:math id="M1122" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> contribute, and the exponential factor accounts for extinction between <inline-formula><mml:math id="M1123" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M1124" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The factor <inline-formula><mml:math id="M1125" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> arises from the Jacobian that converts the line integral in the <inline-formula><mml:math id="M1126" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>-direction to a volume integral (see Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S8.E297"/>). Finally, the local source term in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E114"/>) is obtained directly from the right-hand side of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E112"/>):

            <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E115" content-type="numbered"><label>G7</label><mml:math id="M1127" display="block"><mml:mrow><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">sca</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          Equations (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E114"/>)–(<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E115"/>) show that the radiance Stokes vector at point <inline-formula><mml:math id="M1128" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:math></inline-formula> in direction <inline-formula><mml:math id="M1129" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the superposition of contributions from all source points <inline-formula><mml:math id="M1130" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> within the medium lying upstream of <inline-formula><mml:math id="M1131" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:math></inline-formula>, i.e. along the direction <inline-formula><mml:math id="M1132" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as seen from <inline-formula><mml:math id="M1133" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:math></inline-formula>, each weighted by the local source term <inline-formula><mml:math id="M1134" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi></mml:math></inline-formula> and exponentially attenuated along the optical path between <inline-formula><mml:math id="M1135" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M1136" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S7.SS3">
  <label>G3</label><title>Collision density</title>
      <p id="d2e24977">The collision density, <inline-formula><mml:math id="M1137" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in W m<sup>−3</sup> sr<sup>−1</sup> nm<sup>−1</sup>, is defined as the product of the extinction coefficient <inline-formula><mml:math id="M1141" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:math></inline-formula> and the Stokes vector <inline-formula><mml:math id="M1142" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi></mml:math></inline-formula>. It quantifies the rate at which radiant energy interacts with the medium at position <inline-formula><mml:math id="M1143" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:math></inline-formula> in direction <inline-formula><mml:math id="M1144" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi></mml:math></inline-formula> due to extinction processes. Because polarisation is included, the collision density is itself a Stokes vector. For brevity, the wavelength dependence <inline-formula><mml:math id="M1145" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is omitted in the following expressions, but all quantities remain wavelength dependent. Substituting Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E115"/>) into Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E114"/>), replacing <inline-formula><mml:math id="M1146" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">sca</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by the single scattering albedo <inline-formula><mml:math id="M1147" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and after some rearrangement, the collision density can be expressed as the sum of contributions from radiation scattered into the beam (first term) and from the emitting source (second term):

                <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math id="M1148" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>:=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi></mml:munder><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>‖</mml:mo></mml:mrow></mml:munderover><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>‖</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi></mml:munder><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle class="stylechange" displaystyle="true"/><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>‖</mml:mo></mml:mrow></mml:munderover><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="App1.Ch1.S7.E116"><mml:mtd><mml:mtext>G8</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true" class="stylechange"/><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>‖</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          In compact form, Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E116"/>) can be written as

            <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E117" content-type="numbered"><label>G9</label><mml:math id="M1149" display="block"><mml:mrow><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi></mml:munder><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mi mathvariant="bold-italic">k</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Ψ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where

            <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E118" content-type="numbered"><label>G10</label><mml:math id="M1150" display="block"><mml:mrow><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">k</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>‖</mml:mo></mml:mrow></mml:munderover><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>‖</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          represents the <italic>transport kernel</italic> describing the contribution of photons scattered at <inline-formula><mml:math id="M1151" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to the collision density at <inline-formula><mml:math id="M1152" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The second term in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E117"/>),

            <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E119" content-type="numbered"><label>G11</label><mml:math id="M1153" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Ψ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi></mml:munder><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>‖</mml:mo></mml:mrow></mml:munderover><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>‖</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          represents the total contribution from the emitting source, or the <italic>initial collision density</italic>.</p>
      <p id="d2e26206">For simplicity, Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E117"/>) can be written as

            <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E120" content-type="numbered"><label>G12</label><mml:math id="M1154" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Ψ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where the integral operator <inline-formula><mml:math id="M1155" display="inline"><mml:mi>K</mml:mi></mml:math></inline-formula> is defined by

            <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E121" content-type="numbered"><label>G13</label><mml:math id="M1156" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi></mml:munder><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mi mathvariant="bold-italic">k</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          The solution of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E120"/>) can be written as a Neumann series:

            <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E122" content-type="numbered"><label>G14</label><mml:math id="M1157" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Ψ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Ψ</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Ψ</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Ψ</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">⋯</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:msup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Ψ</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          with <inline-formula><mml:math id="M1158" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Ψ</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Ψ</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M1159" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Ψ</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Ψ</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, etc., which converges for physically realistic media with <inline-formula><mml:math id="M1160" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx44" id="paren.151"><named-content content-type="pre">Sect. 4.2 of</named-content></xref>. As we shall later see, this Neumann series representation is useful because it allows us to express the solution as a superposition of contributions from the various orders of light scattering.</p>
      <p id="d2e26556">We now introduce the following inner product notation for Stokes-vector-valued functions:

            <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E123" content-type="numbered"><label>G15</label><mml:math id="M1161" display="block"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi></mml:munder><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">v</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          Let <inline-formula><mml:math id="M1162" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denote the detector location, and let <inline-formula><mml:math id="M1163" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denote the propagation direction of the detected radiation at the detector. Then, we can evaluate the Neumann series at <inline-formula><mml:math id="M1164" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the direction <inline-formula><mml:math id="M1165" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by defining

            <disp-formula id="App1.Ch1.S7.Ex7"><mml:math id="M1166" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          and by introducing the canonical basis vectors

            <disp-formula id="App1.Ch1.S7.Ex8"><mml:math id="M1167" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          The individual components of the collision density Stokes vector at <inline-formula><mml:math id="M1168" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are then given by

            <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E124" content-type="numbered"><label>G16</label><mml:math id="M1169" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi></mml:munder><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          Substituting the Neumann series (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E122"/>) for <inline-formula><mml:math id="M1170" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi></mml:math></inline-formula> yields

            <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E125" content-type="numbered"><label>G17</label><mml:math id="M1171" display="block"><mml:mrow><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:msup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Ψ</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msup><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Ψ</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Ψ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Ψ</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Ψ</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Ψ</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">⋯</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          For the next step, we introduce the adjoint operator <inline-formula><mml:math id="M1172" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>:

            <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E126" content-type="numbered"><label>G18</label><mml:math id="M1173" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi></mml:munder><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mi mathvariant="bold-italic">k</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          for which it can be shown that (see Eqs. S23 to S30 in the Supplement)

            <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E127" content-type="numbered"><label>G19</label><mml:math id="M1174" display="block"><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          for arbitrary Stokes-vector-valued functions <inline-formula><mml:math id="M1175" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M1176" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Using Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E127"/>), Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E125"/>) can be written as

            <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E128" content-type="numbered"><label>G20</label><mml:math id="M1177" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Ψ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Ψ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Ψ</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Ψ</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">⋯</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          It may be noted that Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E128"/>) is the vector analogue of the scalar collision density expression of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx45" id="text.152"/> (their Eq. 4.60), who neglected polarisation of light.</p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S7.SS4">
  <label>G4</label><title>Detector radiance and contribution function</title>
      <p id="d2e27777">We now consider the radiance Stokes vector <inline-formula><mml:math id="M1178" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi></mml:math></inline-formula> in the direction <inline-formula><mml:math id="M1179" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> reaching a detector located at a given point <inline-formula><mml:math id="M1180" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Using the definition of the collision density <inline-formula><mml:math id="M1181" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E128"/>), the individual Stokes vector components of <inline-formula><mml:math id="M1182" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi></mml:math></inline-formula> become

            <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E129" content-type="numbered"><label>G21</label><mml:math id="M1183" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Ψ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Ψ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Ψ</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Ψ</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">⋯</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          for <inline-formula><mml:math id="M1184" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d2e28219">As an intermediate step, let us write out the operator <inline-formula><mml:math id="M1185" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which is a Stokes-vector-valued function of <inline-formula><mml:math id="M1186" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M1187" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi></mml:math></inline-formula> (see Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E126"/>). Using also the definition of the transport kernel in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E118"/>), we get:

            <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E130" content-type="numbered"><label>G22</label><mml:math id="M1188" display="block"><mml:mrow><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi></mml:munder><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mi mathvariant="bold-italic">k</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">k</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:mrow></mml:munderover><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:msup><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          which describes how photons are transported from point <inline-formula><mml:math id="M1189" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:math></inline-formula> in direction <inline-formula><mml:math id="M1190" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi></mml:math></inline-formula> to the detector location <inline-formula><mml:math id="M1191" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d2e28725">Now, by cancelling out <inline-formula><mml:math id="M1192" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the second and higher order terms, and taking the single scattering albedo <inline-formula><mml:math id="M1193" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to the front, Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E129"/>) can be rewritten as

            <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E131" content-type="numbered"><label>G23</label><mml:math id="M1194" display="block"><mml:mrow><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Ψ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Ψ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Φ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Ψ</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Φ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Ψ</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Φ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">⋯</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where

            <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E132" content-type="numbered"><label>G24</label><mml:math id="M1195" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Φ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:mrow></mml:munderover><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:msup><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          is the <italic>contribution function</italic> for the <inline-formula><mml:math id="M1196" display="inline"><mml:mi>j</mml:mi></mml:math></inline-formula>th component of the detector radiance Stokes vector. Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E131"/>) expresses the radiance Stokes vector at the detector as the superposition of contributions from direct illumination and all scattering events within the medium, i.e. from all event locations <inline-formula><mml:math id="M1197" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:math></inline-formula> integrated over the volume <inline-formula><mml:math id="M1198" display="inline"><mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi></mml:math></inline-formula> and all propagation directions <inline-formula><mml:math id="M1199" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Each term in the Neumann expansion corresponds to photons that have undergone a specific number of collisions. The first term accounts for direct illumination and the second for single scattering, while higher-order terms describe multiple scattering, weighted by successive applications of the transport operator <inline-formula><mml:math id="M1200" display="inline"><mml:mi>K</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The contribution function <inline-formula><mml:math id="M1201" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Φ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> acts as a detector sensitivity kernel for the <inline-formula><mml:math id="M1202" display="inline"><mml:mi>j</mml:mi></mml:math></inline-formula>th Stokes component: it quantifies the contribution of radiation present at <inline-formula><mml:math id="M1203" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to the corresponding component of the detector signal at <inline-formula><mml:math id="M1204" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S7.SS5">
  <label>G5</label><title>Scattering-order decomposition of the detector radiance</title>
      <p id="d2e29384">The radiance Stokes vector arriving at the detector, given component-wise by Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E131"/>), is a superposition of the direct illumination, or 0th-order scattering contribution, <inline-formula><mml:math id="M1205" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the singly scattered contribution <inline-formula><mml:math id="M1206" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and higher-order scattered contributions <inline-formula><mml:math id="M1207" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math id="M1208" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Here, those contributions are evaluated.</p>
<sec id="App1.Ch1.S7.SS5.SSS1">
  <label>G5.1</label><title>Zeroth-order contribution (direct illumination)</title>
      <p id="d2e29468">For solar illumination we assume that the Sun is effectively at infinity, which we describe by a plane-parallel (collimated) beam with fixed direction <inline-formula><mml:math id="M1209" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and spectral irradiance <inline-formula><mml:math id="M1210" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (in W m<sup>−2</sup> nm<sup>−1</sup>). Because this incident solar beam is taken to be unpolarised, its Stokes vector equals <inline-formula><mml:math id="M1213" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, with <inline-formula><mml:math id="M1214" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:msup><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Since the incident beam is collimated, for every point <inline-formula><mml:math id="M1215" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> there is a unique upstream ray in direction <inline-formula><mml:math id="M1216" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and therefore a unique entry point of the incident sunlight on the source boundary. We denote this point by <inline-formula><mml:math id="M1217" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and define it by

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E133" content-type="numbered"><label>G25</label><mml:math id="M1218" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>:=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            where <inline-formula><mml:math id="M1219" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the unique distance from <inline-formula><mml:math id="M1220" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:math></inline-formula> to the sunlight-entry boundary along direction <inline-formula><mml:math id="M1221" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d2e29705">The initial collision density <inline-formula><mml:math id="M1222" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Ψ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E131"/>) represents the part of the collision density <inline-formula><mml:math id="M1223" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> generated by sources <italic>before</italic> any scattering occurs. Let us now rewrite the expression for <inline-formula><mml:math id="M1224" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">Ψ</mml:mi></mml:math></inline-formula> in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E119"/>) as a line integral along the straight path in the viewing direction,

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.Ex9"><mml:math id="M1225" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            from the observation point <inline-formula><mml:math id="M1226" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to the upstream boundary of the medium <inline-formula><mml:math id="M1227" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Equivalently, the upper integration limit may be written as <inline-formula><mml:math id="M1228" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:math></inline-formula>, with the understanding that all optical coefficients and source terms vanish outside the medium. Using the transformation identity to convert the volume integral in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E119"/>) to a line integral (see Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S8.E297"/>),

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.Ex10"><mml:math id="M1229" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>‖</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            we obtain

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E134" content-type="numbered"><label>G26</label><mml:math id="M1230" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Ψ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:munderover><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            For a collimated solar beam with irradiance <inline-formula><mml:math id="M1231" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> incident in direction <inline-formula><mml:math id="M1232" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we represent the source term in line-integral form as

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.Ex11"><mml:math id="M1233" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            so that the source is located at the unique entry point of the incident sunlight <inline-formula><mml:math id="M1234" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Substituting this expression into Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E134"/>) and dividing by <inline-formula><mml:math id="M1235" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> gives the unscattered radiance Stokes vector field at <inline-formula><mml:math id="M1236" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M1237" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi></mml:math></inline-formula>:

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E135" content-type="numbered"><label>G27</label><mml:math id="M1238" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Ψ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:munderover><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            For this direct beam, only the first Stokes component is nonzero because of the multiplication by <inline-formula><mml:math id="M1239" display="inline"><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:math></inline-formula>. The Dirac delta functions enforce <inline-formula><mml:math id="M1240" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M1241" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, so that <inline-formula><mml:math id="M1242" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.Ex12"><mml:math id="M1243" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:munderover><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            is the optical depth along the straight path from the point where the solar beam enters the computational domain to the point <inline-formula><mml:math id="M1244" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Hence, at the detector point <inline-formula><mml:math id="M1245" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and in the direction <inline-formula><mml:math id="M1246" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the unscattered contribution is

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E136" content-type="numbered"><label>G28</label><mml:math id="M1247" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>→</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            This direct-illumination term is nonzero only when the observation direction <inline-formula><mml:math id="M1248" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> coincides with the solar direction <inline-formula><mml:math id="M1249" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In the current version of MONKI, this zeroth-order term is not evaluated, because MONKI only computes local estimates at scattering and surface-reflection events (see Appendices <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S7.SS7"/> and <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S7.SS8"/>). If needed, the direct contribution could be added analytically using Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E136"/>). In what follows, only the scattered contributions to the detector signal, i.e. scattering orders <inline-formula><mml:math id="M1250" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, are considered.</p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S7.SS5.SSS2">
  <label>G5.2</label><title>First-order contribution</title>
      <p id="d2e30803">The first-order (single-scattering) contribution corresponds to photons that undergo exactly one scattering event before reaching the detector. In Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E131"/>), this is the second term in the Neumann expansion. For the <inline-formula><mml:math id="M1251" display="inline"><mml:mi>j</mml:mi></mml:math></inline-formula>th component of the singly scattered detector radiance Stokes vector, we have

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E137" content-type="numbered"><label>G29</label><mml:math id="M1252" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="bold">Ψ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Φ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            Substituting <inline-formula><mml:math id="M1253" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Φ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E132"/>) and using the vector inner product definition of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E123"/>) yields

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E138" content-type="numbered"><label>G30</label><mml:math id="M1254" display="block"><mml:mrow><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi></mml:munder><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="bold">Ψ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msup><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:msup><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            where

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.Ex13"><mml:math id="M1255" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:mrow></mml:munderover><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            Now use the identity

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E139" content-type="numbered"><label>G31</label><mml:math id="M1256" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            which holds for any Stokes vector <inline-formula><mml:math id="M1257" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Applying Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E139"/>) with <inline-formula><mml:math id="M1258" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Ψ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> gives

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E140" content-type="numbered"><label>G32</label><mml:math id="M1259" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi></mml:munder><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Ψ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:msup><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            Using the direct-beam initial collision term (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E135"/>), or equivalently <inline-formula><mml:math id="M1260" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Ψ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we obtain

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E141" content-type="numbered"><label>G33</label><mml:math id="M1261" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Ψ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            Substituting Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E141"/>) into Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E140"/>) yields

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E142" content-type="numbered"><label>G34</label><mml:math id="M1262" display="block"><mml:mrow><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi></mml:munder><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:mfrac style="text"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>‖</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:msup><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            The angular integration over <inline-formula><mml:math id="M1263" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:math></inline-formula> is straightforward because of the Dirac delta <inline-formula><mml:math id="M1264" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and the remaining spatial Dirac delta restricts <inline-formula><mml:math id="M1265" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:math></inline-formula> to the backward ray, which extends from the detector to <inline-formula><mml:math id="M1266" display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:math></inline-formula> by again assuming that all optical coefficients and source terms vanish outside the medium,

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.Ex14"><mml:math id="M1267" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>:=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            For each such scattering point <inline-formula><mml:math id="M1268" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the corresponding entry point of the incident sunlight is denoted by

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E143" content-type="numbered"><label>G35</label><mml:math id="M1269" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>:=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where <inline-formula><mml:math id="M1270" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the unique distance from <inline-formula><mml:math id="M1271" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to the sunlight-entry boundary along direction <inline-formula><mml:math id="M1272" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Hence,

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E144" content-type="numbered"><label>G36</label><mml:math id="M1273" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>→</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            Finally, collecting the four Stokes components <inline-formula><mml:math id="M1274" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> into a single vector yields

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E145" content-type="numbered"><label>G37</label><mml:math id="M1275" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>→</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E145"/>) shows that the singly scattered radiance Stokes vector at the detector is obtained by integrating, along the detector line of sight, the contributions from all possible scattering points illuminated by the solar beam. Each contribution is weighted by the local extinction coefficient <inline-formula><mml:math id="M1276" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the single-scattering albedo <inline-formula><mml:math id="M1277" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the phase matrix for scattering from <inline-formula><mml:math id="M1278" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> into <inline-formula><mml:math id="M1279" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and the transmittances along both the solar and detector paths.</p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S7.SS5.SSS3">
  <label>G5.3</label><title>Second-order contribution</title>
      <p id="d2e32922">Similarly, the second-order scattering contribution corresponds to photons that undergo exactly two scattering events before reaching the detector. Starting with

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.Ex15"><mml:math id="M1280" display="block"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Ψ</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Φ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            from Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E131"/>), and following the same procedure as for the singly scattered radiance Stokes vector, the spatial integrations collapse onto the detector line of sight and the upstream ray of the preceding scattering event. Introducing the detector-ray parameterisation

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.Ex16"><mml:math id="M1281" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>:=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            for the second (last) scattering event, and denoting the location of the first scattering event upstream of <inline-formula><mml:math id="M1282" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.Ex17"><mml:math id="M1283" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>:=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            we define the corresponding entry point of the incident sunlight by

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.Ex18"><mml:math id="M1284" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>:=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            where <inline-formula><mml:math id="M1285" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the unique distance from <inline-formula><mml:math id="M1286" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to the sunlight-entry boundary along direction <inline-formula><mml:math id="M1287" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. We then obtain for the second-order scattered Stokes vector at the detector

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E146" content-type="numbered"><label>G38</label><mml:math id="M1288" display="block"><mml:mrow><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>→</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            This expression represents photons that are first scattered from the sunlight direction <inline-formula><mml:math id="M1289" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> into an intermediate direction <inline-formula><mml:math id="M1290" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at <inline-formula><mml:math id="M1291" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and subsequently scattered at <inline-formula><mml:math id="M1292" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> into the detector direction <inline-formula><mml:math id="M1293" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S7.SS5.SSS4">
  <label>G5.4</label><title>Third- and higher-order contributions</title>
      <p id="d2e33951">Similarly, the third-order scattering contribution corresponds to photons that undergo exactly three scattering events before reaching the detector. Introducing the detector-ray parameterisation

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.Ex19"><mml:math id="M1294" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>:=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            for the third (last) scattering event, and denoting the location of the second scattering event upstream of <inline-formula><mml:math id="M1295" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.Ex20"><mml:math id="M1296" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>:=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            and the location of the first scattering event upstream of <inline-formula><mml:math id="M1297" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.Ex21"><mml:math id="M1298" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>:=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            we define the corresponding entry point of the incident sunlight by

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.Ex22"><mml:math id="M1299" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>:=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where <inline-formula><mml:math id="M1300" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the unique distance from <inline-formula><mml:math id="M1301" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to the sunlight-entry boundary along direction <inline-formula><mml:math id="M1302" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. We then obtain for the third-order scattered Stokes vector at the detector

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E147" content-type="numbered"><label>G39</label><mml:math id="M1303" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            This expression represents photons that are first scattered from the sunlight direction <inline-formula><mml:math id="M1304" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> into an intermediate direction <inline-formula><mml:math id="M1305" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at <inline-formula><mml:math id="M1306" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, subsequently scattered at <inline-formula><mml:math id="M1307" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> into a second intermediate direction <inline-formula><mml:math id="M1308" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and finally scattered at <inline-formula><mml:math id="M1309" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> into the detector direction <inline-formula><mml:math id="M1310" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In what follows, for notational simplicity, we omit the explicit dependence of <inline-formula><mml:math id="M1311" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> on the free-path variables <inline-formula><mml:math id="M1312" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and on the intermediate directions <inline-formula><mml:math id="M1313" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula></p>
      <p id="d2e35515">Higher-order scattered Stokes vector contributions can be derived using a similar approach.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S7.SS6">
  <label>G6</label><title>Forward finite-area formulation of the scattering-order contributions</title>
      <p id="d2e35527">The radiance Stokes vector expressions derived above for the first few scattering orders, such as Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E145"/>), (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E146"/>), and (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E147"/>), are written for a detector at a fixed point <inline-formula><mml:math id="M1314" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and are parameterised along the detector line of sight. Hence, they can directly be used for the backward Monte Carlo simulation (Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S7.SS8"/>). In the practical <italic>forward</italic> Monte Carlo simulation, however, photons are launched from the sunlight-entry boundary of a rectangular domain and are traced in the sunlight direction <inline-formula><mml:math id="M1315" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. It is therefore useful to rewrite these deterministic expressions in a form that is directly compatible with forward photon tracing. This rewriting is possible because the incident solar beam is collimated, and because in our local-estimation method the contribution towards the detector is computed along collimated rays in the fixed detector direction <inline-formula><mml:math id="M1316" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Hence, the same set of scattering points can be parameterised either from the detector side or from the solar-side.</p>
      <p id="d2e35575">We consider a finite horizontal source area <inline-formula><mml:math id="M1317" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> on the sunlight-entry boundary and a finite horizontal detector area <inline-formula><mml:math id="M1318" display="inline"><mml:mi>O</mml:mi></mml:math></inline-formula> on the detector boundary. We write <inline-formula><mml:math id="M1319" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∈</mml:mo><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the entry point of the incident sunlight of a photon and <inline-formula><mml:math id="M1320" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the point where the ray towards the detector intersects the detector boundary. Thus, in the present subsection, neither <inline-formula><mml:math id="M1321" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> nor <inline-formula><mml:math id="M1322" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a fixed point: both vary over the finite areas <inline-formula><mml:math id="M1323" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M1324" display="inline"><mml:mi>O</mml:mi></mml:math></inline-formula>, respectively. The detector-area-averaged radiance Stokes vector for scattering order <inline-formula><mml:math id="M1325" display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> is defined by

            <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E148" content-type="numbered"><label>G40</label><mml:math id="M1326" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>O</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi></mml:munder><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M1327" display="inline"><mml:mi>O</mml:mi></mml:math></inline-formula> denotes the horizontal area of the detector region <inline-formula><mml:math id="M1328" display="inline"><mml:mi>O</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Below, we first derive the corresponding forward formulation for the first-order contribution, and next for the second-order contribution. The third-order expression then follows in complete analogy.</p>
<sec id="App1.Ch1.S7.SS6.SSS1">
  <label>G6.1</label><title>First-order contribution</title>
      <p id="d2e35782">We start from the first-order point-detector expression in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E145"/>) and average it over the detector area <inline-formula><mml:math id="M1329" display="inline"><mml:mi>O</mml:mi></mml:math></inline-formula>:

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E149" content-type="numbered"><label>G41</label><mml:math id="M1330" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi></mml:munder><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>→</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E149"/>) is written as a line integral along the detector path,

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E150" content-type="numbered"><label>G42</label><mml:math id="M1331" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            where <inline-formula><mml:math id="M1332" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the single-scattering location. In forward mode it is more natural to parameterise the same scattering point from the solar side:

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E151" content-type="numbered"><label>G43</label><mml:math id="M1333" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            with <inline-formula><mml:math id="M1334" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∈</mml:mo><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Hence, for the same scattering point <inline-formula><mml:math id="M1335" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E152" content-type="numbered"><label>G44</label><mml:math id="M1336" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d2e36247">To transform the integration from the detector-side parameterisation <inline-formula><mml:math id="M1337" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to the solar-side parameterisation <inline-formula><mml:math id="M1338" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we compare the same set of scattering points around <inline-formula><mml:math id="M1339" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. For a horizontal area element <inline-formula><mml:math id="M1340" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>O</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at the detector boundary and a path-length interval <inline-formula><mml:math id="M1341" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> along <inline-formula><mml:math id="M1342" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the corresponding differential scattering volume is

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E153" content-type="numbered"><label>G45</label><mml:math id="M1343" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>O</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            Likewise, for a horizontal area element <inline-formula><mml:math id="M1344" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at the sunlight-entry boundary and a path-length interval <inline-formula><mml:math id="M1345" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> along <inline-formula><mml:math id="M1346" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the same differential scattering volume is

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E154" content-type="numbered"><label>G46</label><mml:math id="M1347" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            Hence,

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E155" content-type="numbered"><label>G47</label><mml:math id="M1348" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>O</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d2e36538">Now let <inline-formula><mml:math id="M1349" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be any integrable function of the scattering point. Then integration over the same scattering volume can be written equivalently as

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E156" content-type="numbered"><label>G48</label><mml:math id="M1350" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>O</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d2e36677">In the detector-side formulation, the restriction to the selected detector area <inline-formula><mml:math id="M1351" display="inline"><mml:mi>O</mml:mi></mml:math></inline-formula> is already contained in the integration over <inline-formula><mml:math id="M1352" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. After rewriting the integral in solar-side variables <inline-formula><mml:math id="M1353" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, this detector selection is no longer part of the integration limits. Since <inline-formula><mml:math id="M1354" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes the full illuminated sunlight-entry boundary, every illuminated scattering point is already represented once on the solar side, and the restriction to the chosen detector area must therefore be written explicitly through the indicator function

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E157" content-type="numbered"><label>G49</label><mml:math id="M1355" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">χ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="{" close=""><mml:mtable columnspacing="1em" class="cases" rowspacing="0.2ex" columnalign="left left" framespacing="0em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>if </mml:mtext><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mtext>otherwise,</mml:mtext></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            where on the right-hand side <inline-formula><mml:math id="M1356" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes the point where the ray from the scattering point <inline-formula><mml:math id="M1357" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in direction <inline-formula><mml:math id="M1358" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> intersects the detector area <inline-formula><mml:math id="M1359" display="inline"><mml:mi>O</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Hence,

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E158" content-type="numbered"><label>G50</label><mml:math id="M1360" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi></mml:munder><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>O</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="italic">χ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            Dividing by <inline-formula><mml:math id="M1361" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> gives

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E159" content-type="numbered"><label>G51</label><mml:math id="M1362" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi></mml:munder><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>O</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="italic">χ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E159"/>) shows that the factor <inline-formula><mml:math id="M1363" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the Jacobian that appears from rewriting the same scattering-volume integration in solar-side variables instead of detector-side variables.</p>
      <p id="d2e37181">Using Eqs. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E149"/>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E159"/>), the first-order detector-area-averaged radiance Stokes vector becomes

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E160" content-type="numbered"><label>G52</label><mml:math id="M1364" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>→</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">χ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where <inline-formula><mml:math id="M1365" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and where <inline-formula><mml:math id="M1366" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the intersection point of the ray from <inline-formula><mml:math id="M1367" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in direction <inline-formula><mml:math id="M1368" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with the detector boundary.</p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S7.SS6.SSS2">
  <label>G6.2</label><title>Second-order contribution</title>
      <p id="d2e37498">For the second-order contribution, we start from the point-detector expression in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E146"/>) and average it over the detector area <inline-formula><mml:math id="M1369" display="inline"><mml:mi>O</mml:mi></mml:math></inline-formula>. This gives

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E161" content-type="numbered"><label>G53</label><mml:math id="M1370" display="block"><mml:mrow><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi></mml:munder><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            where

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E162" content-type="numbered"><label>G54</label><mml:math id="M1371" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            Thus, in the detector-side parameterisation, the last scattering point <inline-formula><mml:math id="M1372" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> lies on the detector line of sight, while the preceding scattering point <inline-formula><mml:math id="M1373" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> lies upstream of <inline-formula><mml:math id="M1374" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in direction <inline-formula><mml:math id="M1375" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In forward mode, the same two scattering points are more naturally described by

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E163" content-type="numbered"><label>G55</label><mml:math id="M1376" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            with <inline-formula><mml:math id="M1377" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∈</mml:mo><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d2e38040">The change of variables is carried out with respect to the <italic>second</italic> scattering point <inline-formula><mml:math id="M1378" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. For fixed <inline-formula><mml:math id="M1379" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M1380" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the relation between the two scattering points is

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E164" content-type="numbered"><label>G56</label><mml:math id="M1381" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            Hence, once <inline-formula><mml:math id="M1382" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is specified, <inline-formula><mml:math id="M1383" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is uniquely determined, and vice versa. The map from <inline-formula><mml:math id="M1384" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math id="M1385" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is therefore a translation, and no additional Jacobian factor is introduced by the relation between the first and second scattering points (i.e., it has Jacobian <inline-formula><mml:math id="M1386" display="inline"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:math></inline-formula>). The only Jacobian arises when the same set of possible second-scattering locations <inline-formula><mml:math id="M1387" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is parameterised either from the detector side by <inline-formula><mml:math id="M1388" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> or from the solar side by <inline-formula><mml:math id="M1389" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. For a horizontal area element <inline-formula><mml:math id="M1390" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>O</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at the detector boundary and a path-length interval <inline-formula><mml:math id="M1391" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> along <inline-formula><mml:math id="M1392" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the corresponding differential volume of second-scattering locations is

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E165" content-type="numbered"><label>G57</label><mml:math id="M1393" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>O</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            Likewise, for a horizontal area element <inline-formula><mml:math id="M1394" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at the sunlight-entry boundary and a path-length interval <inline-formula><mml:math id="M1395" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> along <inline-formula><mml:math id="M1396" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the same set of second-scattering locations is described by

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E166" content-type="numbered"><label>G58</label><mml:math id="M1397" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>cos⁡</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ϑ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            Therefore,

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E167" content-type="numbered"><label>G59</label><mml:math id="M1398" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>O</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            and hence

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E168" content-type="numbered"><label>G60</label><mml:math id="M1399" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>O</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            Exactly as in the first-order case, the indicator function <inline-formula><mml:math id="M1400" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is not part of this Jacobian. It only selects those second-scattering points for which the detector ray from <inline-formula><mml:math id="M1401" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in direction <inline-formula><mml:math id="M1402" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> intersects the chosen detector area <inline-formula><mml:math id="M1403" display="inline"><mml:mi>O</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d2e38570">Substituting Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E168"/>) into Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E161"/>), and using the forward parameterisation in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E163"/>), gives

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E169" content-type="numbered"><label>G61</label><mml:math id="M1404" display="block"><mml:mrow><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">χ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            with

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E170" content-type="numbered"><label>G62</label><mml:math id="M1405" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E169"/>) is therefore the finite-area forward formulation corresponding to Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E146"/>). The factor <inline-formula><mml:math id="M1406" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> appears because the integration over the second-scattering locations is rewritten from detector-side variables to solar-side variables, whereas the relation between <inline-formula><mml:math id="M1407" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M1408" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> contributes no further Jacobian because it is a translation.</p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S7.SS6.SSS3">
  <label>G6.3</label><title>Third- and higher-order contributions</title>
      <p id="d2e39065">For completeness, we also write the third-order contribution first in the detector-side parameterisation. Averaging the point-detector expression of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E147"/>) over the detector area <inline-formula><mml:math id="M1409" display="inline"><mml:mi>O</mml:mi></mml:math></inline-formula> gives

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E171" content-type="numbered"><label>G63</label><mml:math id="M1410" display="block"><mml:mrow><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi></mml:munder><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            where

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E172" content-type="numbered"><label>G64</label><mml:math id="M1411" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            Thus, in the detector-side parameterisation, the last scattering point <inline-formula><mml:math id="M1412" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> lies on the detector line of sight, while the preceding scattering points <inline-formula><mml:math id="M1413" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M1414" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> lie successively upstream.</p>
      <p id="d2e39666">For the forward Monte Carlo formulation, the same set of third-scattering locations is instead parameterised from the solar side. As for the second-order contribution, the only Jacobian arises from rewriting the volume element of the last scattering point. The intermediate scattering points are related by translations and therefore introduce no additional Jacobian. This gives

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E173" content-type="numbered"><label>G65</label><mml:math id="M1415" display="block"><mml:mrow><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>→</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">χ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            with

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E174" content-type="numbered"><label>G66</label><mml:math id="M1416" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d2e40245">For higher scattering orders, the same pattern continues: one additional scattering direction and one additional free-path variable are introduced for each extra collision. The factor <inline-formula><mml:math id="M1417" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> appears only once, because only the last scattering location is reparameterised from detector-side variables to solar-side variables. The intermediate collision points are related by translations with Jacobian 1. The indicator function <inline-formula><mml:math id="M1418" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> likewise remains unchanged, since it always selects whether the ray from the last scattering event intersects the detector area <inline-formula><mml:math id="M1419" display="inline"><mml:mi>O</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S7.SS7">
  <label>G7</label><title>Forward Monte Carlo estimators of the scattered radiance</title>
      <p id="d2e40289">Up to this point in this appendix, the expressions for the various radiance contributions from different scattering orders have been written in fully deterministic form: they are exact integral representations of the radiance Stokes vector, and no stochastic or Monte Carlo sampling has yet been involved. We now show how those deterministic expressions can be evaluated statistically with Monte Carlo simulations. The basic idea is to interpret the integration variables, such as free-path lengths and scattering directions, as random variables drawn from appropriate probability density functions. In this way, the deterministic radiance integrals are evaluated as sample averages over many independently simulated photon trajectories.</p>
      <p id="d2e40292">For readability, the derivation below is written for a medium with one atmospheric constituent at each location, described by <inline-formula><mml:math id="M1420" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M1421" display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M1422" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi></mml:math></inline-formula>. In the actual implementation, a grid cell may contain gas molecules and one or more aerosol types. The free path is then sampled with the total extinction coefficient of the local mixture, after which the interacting constituent is selected with probability <inline-formula><mml:math id="M1423" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2.SS3"/> and Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S1"/>). The estimator keeps the same form, but <inline-formula><mml:math id="M1424" display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M1425" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi></mml:math></inline-formula> are replaced by <inline-formula><mml:math id="M1426" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M1427" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the selected constituent type <inline-formula><mml:math id="M1428" display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Averaged over many photon histories, this is equivalent to using the effective single-scattering matrix of the mixture, see Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S1.E47"/>).</p>
<sec id="App1.Ch1.S7.SS7.SSS1">
  <label>G7.1</label><title>First-order forward estimator</title>
      <p id="d2e40389">We first consider the simplest case, namely the first-order scattered radiance. We show how the deterministic first-order radiance Stokes-vector expression for a finite detector area (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E160"/>) can be evaluated using a forward Monte Carlo simulation.</p>
      <p id="d2e40394">Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E160"/>) has the form of an integral over the sunlight-entry location <inline-formula><mml:math id="M1429" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the first free-path length <inline-formula><mml:math id="M1430" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In general, an integral of a vector-valued function <inline-formula><mml:math id="M1431" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E175" content-type="numbered"><label>G67</label><mml:math id="M1432" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">J</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            can be simulated by sampling <inline-formula><mml:math id="M1433" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> times the random variables <inline-formula><mml:math id="M1434" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M1435" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from the joint PDF <inline-formula><mml:math id="M1436" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and computing the Monte Carlo estimator <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx45" id="paren.153"><named-content content-type="pre">see, e.g., Eq. 4.47 of</named-content></xref>

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E176" content-type="numbered"><label>G68</label><mml:math id="M1437" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">J</mml:mi><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            The approximation sign indicates that the right-hand side is a finite-sample Monte Carlo estimate of the exact integral. The estimator is unbiased and converges to <inline-formula><mml:math id="M1438" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">J</mml:mi></mml:math></inline-formula> in the limit <inline-formula><mml:math id="M1439" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. For finite <inline-formula><mml:math id="M1440" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> it contains Monte Carlo sampling noise.</p>
      <p id="d2e40693">In the forward Monte Carlo simulation, photon launch positions <inline-formula><mml:math id="M1441" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are sampled uniformly over <inline-formula><mml:math id="M1442" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, so that the PDF for the horizontal launch location is

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E177" content-type="numbered"><label>G69</label><mml:math id="M1443" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∈</mml:mo><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            For a given <inline-formula><mml:math id="M1444" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the physical probability density for the distance to the first collision along the solar path follows an exponential distribution according to the Lambert-Beer law for radiative attenuation<fn id="App1.Ch1.Footn3"><p id="d2e40788">In the finite computational domain, this continuous density is accompanied by the probability that the photon reaches the next domain boundary before an atmospheric event occurs.</p></fn>:

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E178" content-type="numbered"><label>G70</label><mml:math id="M1445" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>→</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            In the simulation, the free path <inline-formula><mml:math id="M1446" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of photon <inline-formula><mml:math id="M1447" display="inline"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula> is stochastically sampled from <inline-formula><mml:math id="M1448" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> using the inverse transform method (see Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S2"/>). The joint sampling density for a photon trajectory with one scattering event is therefore

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E179" content-type="numbered"><label>G71</label><mml:math id="M1449" display="block"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            Let <inline-formula><mml:math id="M1450" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denote the integrand of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E160"/>). Explicitly,

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E180" content-type="numbered"><label>G72</label><mml:math id="M1451" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>→</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">χ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            Dividing by the sampling densities <inline-formula><mml:math id="M1452" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> yields

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E181" content-type="numbered"><label>G73</label><mml:math id="M1453" display="block"><mml:mrow><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">χ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            Thus, the factors <inline-formula><mml:math id="M1454" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M1455" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>→</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> cancel with the sampling density and are accounted for implicitly through the stochastic sampling of the free path.</p>
      <p id="d2e41569">For <inline-formula><mml:math id="M1456" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> simulated photons, each corresponding to an independent realisation of the random pair <inline-formula><mml:math id="M1457" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the singly scattered radiance Stokes vector averaged over the detector area <inline-formula><mml:math id="M1458" display="inline"><mml:mi>O</mml:mi></mml:math></inline-formula> is therefore estimated according to Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E176"/>) as

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E182" content-type="numbered"><label>G74</label><mml:math id="M1459" display="block"><mml:mrow><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">χ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            where

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.Ex23"><mml:math id="M1460" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            denotes the sampled first scattering location of photon <inline-formula><mml:math id="M1461" display="inline"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M1462" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the corresponding detector-boundary intersection point of the ray in direction <inline-formula><mml:math id="M1463" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d2e41898">Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E182"/>) is the first-order <italic>local estimate</italic> of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx44" id="text.154"/> written in the practical forward Monte Carlo form used here. Photons are launched uniformly over the source area <inline-formula><mml:math id="M1464" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the first atmospheric event is sampled along the sunlight direction, and at that event location the contribution towards the detector is evaluated along the collimated direction <inline-formula><mml:math id="M1465" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S7.SS7.SSS2">
  <label>G7.2</label><title>Second-order forward estimator</title>
      <p id="d2e41939">We now derive the forward Monte Carlo estimator for the second-order radiance Stokes vector contribution. In this case, a photon trajectory contains two scattering events: a first scattering at location <inline-formula><mml:math id="M1466" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, a change of propagation direction to <inline-formula><mml:math id="M1467" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and a second scattering at location <inline-formula><mml:math id="M1468" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, at which the contribution towards the detector is computed. We use the finite-area forward formulation derived in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E169"/>).</p>
      <p id="d2e41977">Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E169"/>) has the form of an integral over the sunlight-entry location <inline-formula><mml:math id="M1469" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the first free-path length <inline-formula><mml:math id="M1470" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the intermediate propagation direction <inline-formula><mml:math id="M1471" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and the second free-path length <inline-formula><mml:math id="M1472" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In general, an integral of a vector-valued function <inline-formula><mml:math id="M1473" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E183" content-type="numbered"><label>G75</label><mml:math id="M1474" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">J</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            can be simulated by the Monte Carlo estimator

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E184" content-type="numbered"><label>G76</label><mml:math id="M1475" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">J</mml:mi><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            where the random quadruples <inline-formula><mml:math id="M1476" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are sampled from the joint density <inline-formula><mml:math id="M1477" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E185" content-type="numbered"><label>G77</label><mml:math id="M1478" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d2e42446">As in the first-order case, photons are launched uniformly over <inline-formula><mml:math id="M1479" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, so that

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E186" content-type="numbered"><label>G78</label><mml:math id="M1480" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∈</mml:mo><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            For a given <inline-formula><mml:math id="M1481" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the first free-path length is sampled from (Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S2"/>)

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E187" content-type="numbered"><label>G79</label><mml:math id="M1482" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>→</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            At the first scattering event, the new propagation direction <inline-formula><mml:math id="M1483" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is sampled from the angular probability density (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S4.E68"/>)

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E188" content-type="numbered"><label>G80</label><mml:math id="M1484" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            which reduces to the simple form <inline-formula><mml:math id="M1485" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">11</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> because the incident solar beam is unpolarised at the first scattering event. Given <inline-formula><mml:math id="M1486" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the second free-path length is sampled from (Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S2"/>)

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E189" content-type="numbered"><label>G81</label><mml:math id="M1487" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            The joint sampling density for a photon trajectory with two scattering events is therefore

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E190" content-type="numbered"><label>G82</label><mml:math id="M1488" display="block"><mml:mrow><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            Let <inline-formula><mml:math id="M1489" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denote the integrand of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E169"/>). Explicitly,

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E191" content-type="numbered"><label>G83</label><mml:math id="M1490" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msub><mml:mi>O</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>→</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mtext>solar path</mml:mtext></mml:munder></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mtext>inter-collision path</mml:mtext></mml:munder></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">χ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            Dividing Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E191"/>) by the sampling densities shows that the factors

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.Ex24"><mml:math id="M1491" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>→</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            cancel with the chosen sampling densities. We define the normalised radiance Stokes vector after the first scattering event as

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E192" content-type="numbered"><label>G84</label><mml:math id="M1492" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            Using this definition, the remaining contribution becomes

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E193" content-type="numbered"><label>G85</label><mml:math id="M1493" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">χ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            For <inline-formula><mml:math id="M1494" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> simulated photons, the second-order scattered radiance Stokes vector averaged over the detector area <inline-formula><mml:math id="M1495" display="inline"><mml:mi>O</mml:mi></mml:math></inline-formula> is therefore estimated as

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E194" content-type="numbered"><label>G86</label><mml:math id="M1496" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">χ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.Ex25"><mml:math id="M1497" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            and where <inline-formula><mml:math id="M1498" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the corresponding detector-boundary intersection point of the ray from <inline-formula><mml:math id="M1499" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in direction <inline-formula><mml:math id="M1500" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d2e44369">Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E194"/>) is the second-order local estimate in the practical forward Monte Carlo form used here: photons are launched uniformly over the source area <inline-formula><mml:math id="M1501" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the first and second collision locations are sampled successively along the directions <inline-formula><mml:math id="M1502" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M1503" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and at the second collision point the contribution towards the detector is evaluated along the collimated direction <inline-formula><mml:math id="M1504" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S7.SS7.SSS3">
  <label>G7.3</label><title>Third- and higher-order forward estimators</title>
      <p id="d2e44427">It is useful to evaluate the third-order scattered radiance explicitly, because at this order the polarisation state of the photon starts to affect the sampling of the scattering direction itself. We use the finite-area forward formulation derived in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E173"/>).</p>
      <p id="d2e44432">Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E173"/>) has the form of an integral over the sunlight-entry location <inline-formula><mml:math id="M1505" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the first free-path length <inline-formula><mml:math id="M1506" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the first intermediate propagation direction <inline-formula><mml:math id="M1507" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the second free-path length <inline-formula><mml:math id="M1508" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the second intermediate propagation direction <inline-formula><mml:math id="M1509" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and the third free-path length <inline-formula><mml:math id="M1510" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In general, an integral of a vector-valued function <inline-formula><mml:math id="M1511" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E195" content-type="numbered"><label>G87</label><mml:math id="M1512" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">J</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            can be simulated by the Monte Carlo estimator

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E196" content-type="numbered"><label>G88</label><mml:math id="M1513" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">J</mml:mi><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            Here, the random sextuples <inline-formula><mml:math id="M1514" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are sampled from the joint density <inline-formula><mml:math id="M1515" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d2e45053">As in the first- and second-order cases, photons are launched uniformly over <inline-formula><mml:math id="M1516" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, so that

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E197" content-type="numbered"><label>G89</label><mml:math id="M1517" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∈</mml:mo><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            For a given <inline-formula><mml:math id="M1518" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the first free-path length is sampled from (Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S2"/>)

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E198" content-type="numbered"><label>G90</label><mml:math id="M1519" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>→</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            At the first scattering event, the outgoing direction <inline-formula><mml:math id="M1520" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is sampled from (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S4.E68"/>)

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E199" content-type="numbered"><label>G91</label><mml:math id="M1521" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            Given <inline-formula><mml:math id="M1522" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the second free-path length is sampled from (Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S2"/>)

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E200" content-type="numbered"><label>G92</label><mml:math id="M1523" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            The normalised radiance Stokes vector after the first scattering event is, as in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E192"/>),

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E201" content-type="numbered"><label>G93</label><mml:math id="M1524" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            At the second scattering event, the incident beam is in general already polarised. Therefore, the new direction <inline-formula><mml:math id="M1525" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> must be sampled from the polarisation-dependent angular probability density (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S4.E68"/>)

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E202" content-type="numbered"><label>G94</label><mml:math id="M1526" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            The corresponding normalised radiance Stokes vector after the second scattering event is

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E203" content-type="numbered"><label>G95</label><mml:math id="M1527" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            Given <inline-formula><mml:math id="M1528" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the third free-path length is sampled from

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E204" content-type="numbered"><label>G96</label><mml:math id="M1529" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            The joint sampling density for a photon trajectory with three scattering events is therefore

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E205" content-type="numbered"><label>G97</label><mml:math id="M1530" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            Let <inline-formula><mml:math id="M1531" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denote the integrand of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E173"/>). Explicitly,

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E206" content-type="numbered"><label>G98</label><mml:math id="M1532" display="block"><mml:mrow><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msub><mml:mi>O</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>→</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mtext>solar path</mml:mtext></mml:munder></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mtext>first inter-collision path</mml:mtext></mml:munder></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mtext>second inter-collision path</mml:mtext></mml:munder></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">χ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            Here,

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E207" content-type="numbered"><label>G99</label><mml:math id="M1533" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            Dividing Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E206"/>) by the sampling densities shows that the factors

                  <disp-formula specific-use="gather"><mml:math id="M1534" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>→</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            cancel with the corresponding sampling densities. Using the definition of <inline-formula><mml:math id="M1535" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the remaining contribution becomes

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E208" content-type="numbered"><label>G100</label><mml:math id="M1536" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle scriptlevel="+1"><mml:mtable class="substack"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>×</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>×</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mstyle></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">χ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            For <inline-formula><mml:math id="M1537" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> simulated photons, the third-order scattered radiance Stokes vector averaged over the detector area <inline-formula><mml:math id="M1538" display="inline"><mml:mi>O</mml:mi></mml:math></inline-formula> is therefore estimated as

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E209" content-type="numbered"><label>G101</label><mml:math id="M1539" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>O</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">χ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.Ex29"><mml:math id="M1540" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            and where <inline-formula><mml:math id="M1541" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the corresponding detector-boundary intersection point of the ray from <inline-formula><mml:math id="M1542" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in direction <inline-formula><mml:math id="M1543" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d2e47931">Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E209"/>) is the third-order local estimate in the practical forward Monte Carlo form used here. In contrast to the first- and second-order cases, the sampling of the second intermediate direction <inline-formula><mml:math id="M1544" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is here explicitly polarisation dependent (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E202"/>), because the beam incident on the second scattering event is already polarised.</p>
      <p id="d2e47950">The pattern that emerges from the third-order case extends directly to all higher scattering orders. Let the normalised Stokes vector, which is initialised as <inline-formula><mml:math id="M1545" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at injection, after scattering order <inline-formula><mml:math id="M1546" display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> be

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E210" content-type="numbered"><label>G102</label><mml:math id="M1547" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            Then the Monte Carlo estimator for the <inline-formula><mml:math id="M1548" display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula>th-order scattered radiance Stokes vector averaged over the detector area <inline-formula><mml:math id="M1549" display="inline"><mml:mi>O</mml:mi></mml:math></inline-formula> can be written as

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E211" content-type="numbered"><label>G103</label><mml:math id="M1550" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">χ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E212" content-type="numbered"><label>G104</label><mml:math id="M1551" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∏</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            is the weight of photon <inline-formula><mml:math id="M1552" display="inline"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula> at scattering order <inline-formula><mml:math id="M1553" display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d2e48384">Finally, the total scattered radiance Stokes vector averaged over the detector area <inline-formula><mml:math id="M1554" display="inline"><mml:mi>O</mml:mi></mml:math></inline-formula> is obtained by summing over all scattering orders:

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E213" content-type="numbered"><label>G105</label><mml:math id="M1555" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">χ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where <inline-formula><mml:math id="M1556" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the total number of scattering events for photon <inline-formula><mml:math id="M1557" display="inline"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E213"/>) shows that, in the Monte Carlo simulation, a photon can be recycled to simulate the radiance contributions from all scattering orders: after computing the local estimate for scattering event <inline-formula><mml:math id="M1558" display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the photon continues its trajectory through the domain to scattering event <inline-formula><mml:math id="M1559" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and so on, until it leaves the domain or its weight becomes negligible.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S7.SS8">
  <label>G8</label><title>Backward Monte Carlo estimators of the scattered radiance</title>
      <p id="d2e48719">In backward Monte Carlo, photons are launched from the detector and traced upstream through the medium. As in the forward case, backward Monte Carlo simulates the same detector radiance Stokes vector, but the sampling strategy is reversed: photon trajectories are sampled from detector to source instead of from source to detector.</p>
      <p id="d2e48722">To remain consistent with the notation of the forward Monte Carlo derivation, we label the scattering events in <italic>forward order</italic>: <inline-formula><mml:math id="M1560" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M1561" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the first scattering event encountered by the incoming solar beam and <inline-formula><mml:math id="M1562" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the last scattering event before the detector. Likewise, the propagation directions are labelled as <inline-formula><mml:math id="M1563" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M1564" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the incident solar-beam direction before the first scattering event and <inline-formula><mml:math id="M1565" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the detector direction after the last scattering event in the forward trajectory. In backward Monte Carlo, the same physical trajectory is sampled in reverse order, starting with event <inline-formula><mml:math id="M1566" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and ending with <inline-formula><mml:math id="M1567" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d2e48860">As in Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S7.SS7"/>, the derivation below is written for a medium with one atmospheric scattering constituent type at each location, determining <inline-formula><mml:math id="M1568" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M1569" display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M1570" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The constituent selection used for mixed grid cells is described in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2.SS3"/> and Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S1"/>.</p>
      <p id="d2e48891">For polarised radiative transfer, the phase matrix along the reversed trajectory is not identical to the phase matrix in the forward trajectory, because the Stokes-vector orientation is mirrored, as explained in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2.SS4"/>. At a scattering event that has forward incident and scattered directions <inline-formula><mml:math id="M1571" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M1572" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, respectively, the backward simulation samples the same event in the reversed geometry, with directions <inline-formula><mml:math id="M1573" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M1574" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The corresponding forward phase matrix is obtained from the phase matrix in the reversed scattering geometry through the reciprocity relation of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx37" id="text.155"/>:

            <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E214" content-type="numbered"><label>G106</label><mml:math id="M1575" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Δ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Δ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Δ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">diag</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          In the derivation below we continue to write the phase matrices as they appear along the associated forward trajectory, with the understanding that in the actual backward simulation they are evaluated through Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E214"/>).</p>
      <p id="d2e49092">To retain the full polarisation history during backward sampling, we introduce a normalised <inline-formula><mml:math id="M1576" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> matrix <inline-formula><mml:math id="M1577" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which contains the cumulative polarisation-dependent detector response after the <inline-formula><mml:math id="M1578" display="inline"><mml:mi>m</mml:mi></mml:math></inline-formula> detector-side scattering events closest to the detector have been incorporated. At the detector, this matrix is initialised as

            <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E215" content-type="numbered"><label>G107</label><mml:math id="M1579" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">diag</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          which is the <inline-formula><mml:math id="M1580" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> identity matrix.</p>
<sec id="App1.Ch1.S7.SS8.SSS1">
  <label>G8.1</label><title>First-order backward estimator</title>
      <p id="d2e49186">For the first-order contribution, the only scattering point lies on the detector line of sight. The finite-area expression in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E149"/>) is already written in this detector-side parameterisation: the integration is over detector-boundary points <inline-formula><mml:math id="M1581" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and over the distance <inline-formula><mml:math id="M1582" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> along the ray opposite to the detector direction. This is precisely the natural parameterisation for backward tracing. We therefore take Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E149"/>) as the starting point, with

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E216" content-type="numbered"><label>G108</label><mml:math id="M1583" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            Here, <inline-formula><mml:math id="M1584" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the detector-boundary launch point of the backward photon, and <inline-formula><mml:math id="M1585" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the point where the solar ray through <inline-formula><mml:math id="M1586" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> enters the computational domain in direction <inline-formula><mml:math id="M1587" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Since the integration is performed directly over the detector area <inline-formula><mml:math id="M1588" display="inline"><mml:mi>O</mml:mi></mml:math></inline-formula>, no transformation to a source-area parameterisation is needed. Consequently, no factor <inline-formula><mml:math id="M1589" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and no indicator function <inline-formula><mml:math id="M1590" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> appear in the backward formulation.</p>
      <p id="d2e49343">Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E149"/>) has the form of an integral over the detector launch location <inline-formula><mml:math id="M1591" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the first free-path length <inline-formula><mml:math id="M1592" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In general, an integral of a vector-valued function <inline-formula><mml:math id="M1593" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E217" content-type="numbered"><label>G109</label><mml:math id="M1594" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">J</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi></mml:munder><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            can be simulated by sampling the random pair <inline-formula><mml:math id="M1595" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from the joint PDF <inline-formula><mml:math id="M1596" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and computing the Monte Carlo estimator

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E218" content-type="numbered"><label>G110</label><mml:math id="M1597" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">J</mml:mi><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            In backward mode, photons are launched uniformly over the detector area <inline-formula><mml:math id="M1598" display="inline"><mml:mi>O</mml:mi></mml:math></inline-formula>, so that

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E219" content-type="numbered"><label>G111</label><mml:math id="M1599" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>O</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>O</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            For a given launch point <inline-formula><mml:math id="M1600" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the first free-path length is sampled from the physical Lambert-Beer distribution along the backward trajectory (again, see Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S2"/>):

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E220" content-type="numbered"><label>G112</label><mml:math id="M1601" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            noting that <inline-formula><mml:math id="M1602" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The joint sampling density for a photon trajectory with one scattering event is therefore

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E221" content-type="numbered"><label>G113</label><mml:math id="M1603" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>O</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            Let <inline-formula><mml:math id="M1604" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denote the integrand of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E149"/>). Explicitly,

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E222" content-type="numbered"><label>G114</label><mml:math id="M1605" display="block"><mml:mrow><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:mi>O</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>→</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            Dividing by the sampling densities <inline-formula><mml:math id="M1606" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>O</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> yields

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E223" content-type="numbered"><label>G115</label><mml:math id="M1607" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>O</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>→</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            Thus, the factors <inline-formula><mml:math id="M1608" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M1609" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> cancel with the sampling density and are accounted for implicitly through the stochastic sampling of the backward free path.</p>
      <p id="d2e50384">For <inline-formula><mml:math id="M1610" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> simulated photons, the singly scattered detector-area-averaged radiance Stokes vector is therefore estimated as

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E224" content-type="numbered"><label>G116</label><mml:math id="M1611" display="block"><mml:mrow><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>→</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            where

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E225" content-type="numbered"><label>G117</label><mml:math id="M1612" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            Here, <inline-formula><mml:math id="M1613" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the sampled detector launch position of photon <inline-formula><mml:math id="M1614" display="inline"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M1615" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the point where the solar ray through <inline-formula><mml:math id="M1616" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in direction <inline-formula><mml:math id="M1617" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> enters the computational domain. Compared to the first-order forward estimator (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E182"/>), the detector-side transmittance has been absorbed into the backward free-path sampling, while the remaining explicit transmittance is the direct solar transmittance from <inline-formula><mml:math id="M1618" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to the source boundary. Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E224"/>) is therefore the first-order local estimate in practical backward Monte Carlo form.</p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S7.SS8.SSS2">
  <label>G8.2</label><title>Second-order backward estimator</title>
      <p id="d2e50702">For the second-order contribution, the last scattering point of the forward trajectory, <inline-formula><mml:math id="M1619" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, lies on the detector line of sight, while the preceding scattering point, <inline-formula><mml:math id="M1620" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, lies upstream of <inline-formula><mml:math id="M1621" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in direction <inline-formula><mml:math id="M1622" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The finite-area expression in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E161"/>) is already written in this detector-side parameterisation, with

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E226" content-type="numbered"><label>G118</label><mml:math id="M1623" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            We therefore use Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E161"/>) as the starting point for the second-order backward estimator. Here, <inline-formula><mml:math id="M1624" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the detector-boundary launch point of the backward photon, and <inline-formula><mml:math id="M1625" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the point where the solar ray through <inline-formula><mml:math id="M1626" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> enters the computational domain in direction <inline-formula><mml:math id="M1627" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d2e50894">Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E161"/>) has the form of an integral over the detector launch location <inline-formula><mml:math id="M1628" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the free-path length <inline-formula><mml:math id="M1629" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from the detector to the last scattering event, the intermediate propagation direction <inline-formula><mml:math id="M1630" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and the free-path length <inline-formula><mml:math id="M1631" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from <inline-formula><mml:math id="M1632" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math id="M1633" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In general, an integral of a vector-valued function <inline-formula><mml:math id="M1634" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E227" content-type="numbered"><label>G119</label><mml:math id="M1635" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">J</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi></mml:munder><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            can be simulated by sampling the random quadruple <inline-formula><mml:math id="M1636" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from the joint PDF <inline-formula><mml:math id="M1637" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and computing the Monte Carlo estimator

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E228" content-type="numbered"><label>G120</label><mml:math id="M1638" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">J</mml:mi><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d2e51333">As in the first-order case, the detector launch position is sampled uniformly over <inline-formula><mml:math id="M1639" display="inline"><mml:mi>O</mml:mi></mml:math></inline-formula>, so that

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E229" content-type="numbered"><label>G121</label><mml:math id="M1640" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>O</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>O</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            For a given launch point <inline-formula><mml:math id="M1641" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the free-path length to the last scattering point is sampled from (Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S2"/>)

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E230" content-type="numbered"><label>G122</label><mml:math id="M1642" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            At <inline-formula><mml:math id="M1643" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the preceding direction <inline-formula><mml:math id="M1644" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is sampled from the backward angular probability density (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S4.E72"/>)

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E231" content-type="numbered"><label>G123</label><mml:math id="M1645" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            and the detector-response matrix is updated according to

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E232" content-type="numbered"><label>G124</label><mml:math id="M1646" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            Given <inline-formula><mml:math id="M1647" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the free-path length from <inline-formula><mml:math id="M1648" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math id="M1649" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is sampled from (Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S2"/>)

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E233" content-type="numbered"><label>G125</label><mml:math id="M1650" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            The joint sampling density for a photon trajectory with two scattering events is therefore

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E234" content-type="numbered"><label>G126</label><mml:math id="M1651" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>O</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            Let <inline-formula><mml:math id="M1652" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denote the integrand of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E161"/>). Explicitly,

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E235" content-type="numbered"><label>G127</label><mml:math id="M1653" display="block"><mml:mrow><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mtext>upstream detector path</mml:mtext></mml:munder></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mtext>upstream inter-collision path</mml:mtext></mml:munder></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            Dividing Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E235"/>) by the joint sampling density shows that the factors

                  <disp-formula specific-use="gather"><mml:math id="M1654" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>O</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            cancel with the chosen sampling densities. The remaining contribution is

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E236" content-type="numbered"><label>G128</label><mml:math id="M1655" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle scriptlevel="+1"><mml:mtable class="substack"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>O</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>×</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mstyle></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d2e52953">For <inline-formula><mml:math id="M1656" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> simulated photons, the second-order scattered detector-area-averaged radiance Stokes vector is therefore estimated as

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E237" content-type="numbered"><label>G129</label><mml:math id="M1657" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E238" content-type="numbered"><label>G130</label><mml:math id="M1658" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            Here, <inline-formula><mml:math id="M1659" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the sampled detector launch position of photon <inline-formula><mml:math id="M1660" display="inline"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M1661" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the point where the solar ray through <inline-formula><mml:math id="M1662" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in direction <inline-formula><mml:math id="M1663" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> enters the computational domain. Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E237"/>) is therefore the second-order local estimate in practical backward Monte Carlo form: photons are launched uniformly over the detector area <inline-formula><mml:math id="M1664" display="inline"><mml:mi>O</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the last scattering event is sampled first along the detector line of sight, the preceding direction and preceding scattering point are then sampled upstream, and at the first forward scattering event the contribution from the solar direction is evaluated through the direct transmittance towards the source.</p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S7.SS8.SSS3">
  <label>G8.3</label><title>Third- and higher-order backward estimators</title>
      <p id="d2e53350">The advantage of the detector-response matrix formulation becomes particularly clear for the third-order contribution. At this order, the sampling of the upstream direction at the second backward scattering event already depends on the polarisation history accumulated between that event and the detector.</p>
      <p id="d2e53353">The deterministic starting point is the detector-side finite-area expression in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E171"/>). This expression is already written in the natural variables for backward tracing: the last scattering point of the forward trajectory lies on the detector line of sight, and the preceding scattering points are reached successively upstream,

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E239" content-type="numbered"><label>G131</label><mml:math id="M1665" display="block"><mml:mrow><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            Here, <inline-formula><mml:math id="M1666" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the detector-boundary launch point of the backward photon, and <inline-formula><mml:math id="M1667" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the point where the solar ray through <inline-formula><mml:math id="M1668" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> enters the computational domain in direction <inline-formula><mml:math id="M1669" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Since Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E171"/>) is kept in this detector-side parameterisation, no transformation to a source-area formulation is needed in backward mode. Consequently, no factor <inline-formula><mml:math id="M1670" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and no detector-selection function <inline-formula><mml:math id="M1671" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> appear.</p>
      <p id="d2e53576">As in the lower-order cases, the detector launch position is sampled uniformly over <inline-formula><mml:math id="M1672" display="inline"><mml:mi>O</mml:mi></mml:math></inline-formula> according to Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E219"/>). For a given launch point <inline-formula><mml:math id="M1673" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the free-path length to the last scattering point is sampled from (Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S2"/>)

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E240" content-type="numbered"><label>G132</label><mml:math id="M1674" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            At <inline-formula><mml:math id="M1675" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the preceding direction <inline-formula><mml:math id="M1676" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is sampled from the backward angular probability density (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S4.E72"/>)

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E241" content-type="numbered"><label>G133</label><mml:math id="M1677" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            and the first detector-response update is again

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E242" content-type="numbered"><label>G134</label><mml:math id="M1678" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            which is identical in form to Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E232"/>).</p>
      <p id="d2e54000">Given <inline-formula><mml:math id="M1679" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the free-path length from <inline-formula><mml:math id="M1680" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math id="M1681" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is sampled from (Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S2"/>)

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E243" content-type="numbered"><label>G135</label><mml:math id="M1682" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            At <inline-formula><mml:math id="M1683" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the next upstream direction <inline-formula><mml:math id="M1684" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is sampled from (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S4.E72"/>)

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E244" content-type="numbered"><label>G136</label><mml:math id="M1685" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            This density depends explicitly on the accumulated detector response through <inline-formula><mml:math id="M1686" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>; this is the first scattering order at which the backward angular sampling itself becomes explicitly polarisation-dependent. The detector-response matrix is then updated to

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E245" content-type="numbered"><label>G137</label><mml:math id="M1687" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            Finally, given <inline-formula><mml:math id="M1688" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the free-path length from <inline-formula><mml:math id="M1689" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math id="M1690" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is sampled from (Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S2"/>)

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E246" content-type="numbered"><label>G138</label><mml:math id="M1691" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            The joint sampling density for a photon trajectory with three scattering events is therefore

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E247" content-type="numbered"><label>G139</label><mml:math id="M1692" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>O</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            Let <inline-formula><mml:math id="M1693" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denote the integrand of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E171"/>). Explicitly,

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E248" content-type="numbered"><label>G140</label><mml:math id="M1694" display="block"><mml:mrow><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup><mml:mi>O</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mtext>upstream detector path</mml:mtext></mml:munder></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mtext>first upstream inter-collision path</mml:mtext></mml:munder></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:munder><mml:munder class="underbrace"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo mathvariant="normal">︸</mml:mo></mml:munder><mml:mtext>second upstream inter-collision path</mml:mtext></mml:munder></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            Dividing Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E248"/>) by the joint sampling density Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E247"/>) shows that the factors

                  <disp-formula specific-use="gather"><mml:math id="M1695" display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>O</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            cancel with the chosen sampling densities. The remaining contribution is

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E249" content-type="numbered"><label>G141</label><mml:math id="M1696" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">g</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle scriptlevel="+1"><mml:mtable class="substack"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>O</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>×</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>×</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mstyle></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d2e56027">For <inline-formula><mml:math id="M1697" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> simulated photons, the third-order scattered detector-area-averaged radiance Stokes vector is therefore estimated as

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E250" content-type="numbered"><label>G142</label><mml:math id="M1698" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            Here,

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E251" content-type="numbered"><label>G143</label><mml:math id="M1699" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where <inline-formula><mml:math id="M1700" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the sampled detector launch position of photon <inline-formula><mml:math id="M1701" display="inline"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M1702" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the point where the solar ray through <inline-formula><mml:math id="M1703" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in direction <inline-formula><mml:math id="M1704" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> enters the computational domain.</p>
      <p id="d2e56478">The pattern of the third-order derivation extends directly to all higher scattering orders. At each detector-side scattering event, the detector-response matrix is updated according to

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E252" content-type="numbered"><label>G144</label><mml:math id="M1705" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            The backward Monte Carlo estimator for the <inline-formula><mml:math id="M1706" display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula>th-order detector-area-averaged radiance Stokes vector is therefore

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E253" content-type="numbered"><label>G145</label><mml:math id="M1707" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E254" content-type="numbered"><label>G146</label><mml:math id="M1708" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∏</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            is the photon weight at scattering order <inline-formula><mml:math id="M1709" display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d2e56908">In analogy with Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E213"/>), the total scattered detector-area-averaged radiance Stokes vector is

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E255" content-type="numbered"><label>G147</label><mml:math id="M1710" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">∞</mml:mi></mml:munderover><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>→</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where <inline-formula><mml:math id="M1711" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the total number of scattering events for photon <inline-formula><mml:math id="M1712" display="inline"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d2e57178">It should be noted that the incident polarisation state along the backward trajectory need not be known a priori, because the propagated matrix <inline-formula><mml:math id="M1713" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> represents the polarisation-dependent detector response rather than a physical radiance Stokes vector. The actual incident solar Stokes vector, <inline-formula><mml:math id="M1714" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, enters the estimator only when the backward trajectory reaches the solar-side scattering event <inline-formula><mml:math id="M1715" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Hence, forward and backward Monte Carlo simulate the same detector radiance Stokes vector, while differing only in the way the photon trajectories are sampled.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S7.SS9">
  <label>G9</label><title>Classical angular sampling based on unpolarised PDFs</title>
      <p id="d2e57225">In this section, we discuss an alternative strategy for sampling the scattering direction in Monte Carlo simulations of polarised light, for both forward and backward tracing. The key idea is that the scattering direction can either be sampled from the full polarisation-dependent probability density function (PDF) such as in MONKI, or from a simplified PDF corresponding to unpolarised radiation, combined with an importance-sampling correction <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx12" id="paren.156"/> such as used in MYSTIC <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx23" id="paren.157"/> that we call the classical approach.</p>
      <p id="d2e57234">In forward Monte Carlo, the scattering direction at a second- or higher-order scattering event depends on the polarisation state of the incident radiation at the scattering particle. For example, at the second scattering event of a photon trajectory that continues to higher order, located at <inline-formula><mml:math id="M1716" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the incident direction <inline-formula><mml:math id="M1717" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is known, and the outgoing direction <inline-formula><mml:math id="M1718" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to the next scattering event must be sampled. As shown in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E202"/>), the physically correct PDF for sampling <inline-formula><mml:math id="M1719" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is

            <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E256" content-type="numbered"><label>G148</label><mml:math id="M1720" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M1721" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the normalised radiance Stokes vector immediately before the scattering event. In the classical approach, the scattering direction is instead sampled from the PDF corresponding to unpolarised incident radiation,

            <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E257" content-type="numbered"><label>G149</label><mml:math id="M1722" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          In that case, the photon's weight <inline-formula><mml:math id="M1723" display="inline"><mml:mi>w</mml:mi></mml:math></inline-formula> must be multiplied with the correction factor:

            <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E258" content-type="numbered"><label>G150</label><mml:math id="M1724" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d2e57584">In backward Monte Carlo, photons are traced from the detector towards the source. At a scattering event at <inline-formula><mml:math id="M1725" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the direction <inline-formula><mml:math id="M1726" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> towards the detector is known, and the preceding direction <inline-formula><mml:math id="M1727" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> must be sampled. As shown in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E244"/>), the physically correct sampling PDF is

            <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E259" content-type="numbered"><label>G151</label><mml:math id="M1728" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M1729" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the propagated normalised detector-response matrix. Analogously to the forward case, in the classical approach the unpolarised sampling PDF is used

            <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E260" content-type="numbered"><label>G152</label><mml:math id="M1730" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∣</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          The corresponding correction factor is then

            <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E261" content-type="numbered"><label>G153</label><mml:math id="M1731" display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p id="d2e57930">The use of approximate PDFs (Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E257"/> and <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E260"/>) yields unbiased estimators only when combined with the corresponding correction factors (Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E258"/> and <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E261"/>). However, as demonstrated by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx27" id="text.158"/>, this classical approach, which neglects the radiation's polarisation state during directional sampling, is not well suited for optically thick and strongly polarising media. In such environments, the scattering direction is strongly influenced by the polarisation state, particularly for Rayleigh scattering at angles near <inline-formula><mml:math id="M1732" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Θ</mml:mi><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">90</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">°</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and for some values of <inline-formula><mml:math id="M1733" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx27" id="paren.159"><named-content content-type="pre">see Fig. 3 of</named-content></xref>. In such geometries, the polarised probability density (<inline-formula><mml:math id="M1734" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the numerator) can be significantly larger than the unpolarised density (<inline-formula><mml:math id="M1735" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn><mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the denominator) used for sampling. If a photon trajectory contains multiple collisions in such regions, repeated multiplication by correction factors larger than unity leads to large cumulative weight fluctuations (see Fig. <xref ref-type="fig" rid="F6"/>). This produces infrequent but disproportionately large photon weights that dominate the Monte Carlo variance and may severely degrade the practical convergence of the simulation. MONKI avoids these variance-producing factors by sampling directly from the full polarisation-dependent distribution.</p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S7.SS10">
  <label>G10</label><title>Multi-column implementation of the scattered-radiance Monte Carlo estimators</title>
      <p id="d2e58025">In the main text, the simulated detector radiance is written for a horizontally inhomogeneous rectangular domain that is discretised into <inline-formula><mml:math id="M1736" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>×</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> horizontal grid columns of equal area <inline-formula><mml:math id="M1737" display="inline"><mml:mi>O</mml:mi></mml:math></inline-formula>. In this appendix, we connect the general forward and backward estimators derived in Appendices <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S7.SS7"/>–<xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S7.SS8"/> to that practical multi-column implementation, using the notation introduced in Sect. <xref ref-type="sec" rid="Ch1.S2.SS2"/>.</p>
      <p id="d2e58059">We consider one selected detector column with horizontal area <inline-formula><mml:math id="M1738" display="inline"><mml:mi>O</mml:mi></mml:math></inline-formula> at TOA or BOA, and we denote by <inline-formula><mml:math id="M1739" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the radiance Stokes vector averaged over that area. The incident solar radiation is represented by collimated parallel beams in direction <inline-formula><mml:math id="M1740" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and the detector local estimations are evaluated along collimated parallel beams in direction <inline-formula><mml:math id="M1741" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Here, <inline-formula><mml:math id="M1742" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes a photon injection point at the domain boundary, while <inline-formula><mml:math id="M1743" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes the point where a local-estimation ray in direction <inline-formula><mml:math id="M1744" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> intersects the boundary at TOA or BOA.</p>
      <p id="d2e58153">As in Appendices <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S7.SS7"/>–<xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S7.SS8"/>, we suppress the constituent type index <inline-formula><mml:math id="M1745" display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula> in the notation below. In the actual implementation, <inline-formula><mml:math id="M1746" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the total extinction coefficient of the local mixture, while <inline-formula><mml:math id="M1747" display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M1748" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi></mml:math></inline-formula> at an atmospheric event are the single-scattering albedo and phase matrix of the selected constituent. Thus, in a grid cell containing several constituents, <inline-formula><mml:math id="M1749" display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M1750" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi></mml:math></inline-formula> represent <inline-formula><mml:math id="M1751" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M1752" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
<sec id="App1.Ch1.S7.SS10.SSS1">
  <label>G10.1</label><title>Forward implementation</title>
      <p id="d2e58232">In the present forward implementation, <inline-formula><mml:math id="M1753" display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> photons are injected uniformly into each source column. Since the domain contains <inline-formula><mml:math id="M1754" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> source columns of equal area <inline-formula><mml:math id="M1755" display="inline"><mml:mi>O</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the total illuminated horizontal domain boundary is <inline-formula><mml:math id="M1756" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>O</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the total number of injected photons is <inline-formula><mml:math id="M1757" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Applying the general forward finite-area estimator of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E213"/>) to the full illuminated horizontal domain boundary, the practical forward estimator of the radiance Stokes vector emerging from the specific column with horizontal detector area <inline-formula><mml:math id="M1758" display="inline"><mml:mi>O</mml:mi></mml:math></inline-formula> is

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E262" content-type="numbered"><label>G154</label><mml:math id="M1759" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msub><mml:mi>O</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">W</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">χ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">W</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">χ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>where</mml:mtext><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">χ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="{" close=""><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="cases" columnspacing="1em" columnalign="left left" framespacing="0em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>if </mml:mtext><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>•</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mtext>otherwise.</mml:mtext></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            and

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E263" content-type="numbered"><label>G155</label><mml:math id="M1760" display="block"><mml:mrow><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">W</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>•</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:munderover><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            with

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E264" content-type="numbered"><label>G156</label><mml:math id="M1761" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∏</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            Here, <inline-formula><mml:math id="M1762" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the location of the <inline-formula><mml:math id="M1763" display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula>th scattering event of photon <inline-formula><mml:math id="M1764" display="inline"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula> injected in source column <inline-formula><mml:math id="M1765" display="inline"><mml:mi>j</mml:mi></mml:math></inline-formula>, carrying weight <inline-formula><mml:math id="M1766" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M1767" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>•</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the intersection point of the local-estimation ray <inline-formula><mml:math id="M1768" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with the detector boundary. The indicator function <inline-formula><mml:math id="M1769" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">χ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> selects only those local-estimation contributions whose detector-boundary intersection point <inline-formula><mml:math id="M1770" display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>•</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> lies inside the selected detector column. Thus, photons injected in columns other than the selected detector column may still contribute to the detector signal, provided that their local-estimation ray intersects the considered detector area <inline-formula><mml:math id="M1771" display="inline"><mml:mi>O</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The factor <inline-formula><mml:math id="M1772" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E262"/>) is the same factor as in the general forward finite-area expressions (Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E160"/>, <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E169"/>, and <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E173"/>), which comes from rewriting the scattering-volume integration in terms of the source area and solar beam, instead of detector area and line of sight.</p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S7.SS10.SSS2">
  <label>G10.2</label><title>Backward implementation</title>
      <p id="d2e59132">In backward mode, photons are injected uniformly into the selected detector column <inline-formula><mml:math id="M1773" display="inline"><mml:mi>O</mml:mi></mml:math></inline-formula> in direction <inline-formula><mml:math id="M1774" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Therefore, consistent with the general backward estimator of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E255"/>), the practical backward estimator of the radiance Stokes vector emerging from the selected column with horizontal detector area <inline-formula><mml:math id="M1775" display="inline"><mml:mi>O</mml:mi></mml:math></inline-formula> is simply

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E265" content-type="numbered"><label>G157</label><mml:math id="M1776" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msup><mml:mo>;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">W</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            with

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E266" content-type="numbered"><label>G158</label><mml:math id="M1777" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold-italic">W</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">bw</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold">M</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">‾</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

            where

              <disp-formula id="App1.Ch1.S7.E267" content-type="numbered"><label>G159</label><mml:math id="M1778" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∏</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

            and where <inline-formula><mml:math id="M1779" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the distance from the first forward scattering event <inline-formula><mml:math id="M1780" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to the entry point of the incident sunlight <inline-formula><mml:math id="M1781" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. No factor <inline-formula><mml:math id="M1782" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi><mml:mo>•</mml:mo></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> appears in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E265"/>), because in backward mode we directly use the line-of-sight formulation of the radiance expressions (e.g., Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E149"/>, <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E161"/>, and <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E171"/>). In those expressions, the integration is performed directly over the detector area <inline-formula><mml:math id="M1783" display="inline"><mml:mi>O</mml:mi></mml:math></inline-formula> and the backward free-path variables. Hence, no sum over the <inline-formula><mml:math id="M1784" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>×</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> source columns and no indicator function are needed.</p>
</sec>
</sec>
</app>

<app id="App1.Ch1.S8">
  <label>Appendix H</label><title>Derivation of the formal solution of the VRTE using Green's functions</title>
      <p id="d2e59572">Here, we derive the formal solution of the vector radiative transfer equations (VRTE) as presented in Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S7.SS2"/>, using the method of Green's functions. We refer to the Supplement of this paper for a brief introduction to Green's functions with an example.</p>
<sec id="App1.Ch1.S8.SS1">
  <label>H1</label><title>Rearranging the VRTE</title>
      <p id="d2e59584">To derive a formal expression for the radiance Stokes vector <inline-formula><mml:math id="M1785" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we start from the steady-state, monochromatic VRTE written as (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S7.E111"/>)

            <disp-formula id="App1.Ch1.S8.E268" content-type="numbered"><label>H1</label><mml:math id="M1786" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">sca</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          where

            <disp-formula id="App1.Ch1.S8.E269" content-type="numbered"><label>H2</label><mml:math id="M1787" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi><mml:mo>:=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          is a linear differential operator. For notational simplicity, we suppress the <inline-formula><mml:math id="M1788" display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi></mml:math></inline-formula>-dependence throughout this appendix. For convenience, we define the local source term

            <disp-formula id="App1.Ch1.S8.E270" content-type="numbered"><label>H3</label><mml:math id="M1789" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">sca</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          so that Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S8.E268"/>) becomes

            <disp-formula id="App1.Ch1.S8.E271" content-type="numbered"><label>H4</label><mml:math id="M1790" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          Because the extinction coefficient <inline-formula><mml:math id="M1791" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a scalar, the operator <inline-formula><mml:math id="M1792" display="inline"><mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi></mml:math></inline-formula> acts identically on all four components of the Stokes vector. Thus, the propagation and extinction part of the VRTE does not mix the Stokes components, and all polarisation coupling is contained in the scattering term through the phase matrix <inline-formula><mml:math id="M1793" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi></mml:math></inline-formula> and is therefore part of the source term <inline-formula><mml:math id="M1794" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi></mml:math></inline-formula>. For this reason, the Green's function associated with <inline-formula><mml:math id="M1795" display="inline"><mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a scalar function rather than a <inline-formula><mml:math id="M1796" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> matrix, and it multiplies each component of the Stokes vector in the same way.</p>
      <p id="d2e60039">In the derivation below, we assume homogeneous inflow boundary conditions along each ray. Physically, this means that no radiation enters the medium from outside through the upstream boundary in the direction <inline-formula><mml:math id="M1797" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi></mml:math></inline-formula>. External illumination, such as the direct solar beam, is represented by the source term <inline-formula><mml:math id="M1798" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> rather than by an inhomogeneous boundary condition.</p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S8.SS2">
  <label>H2</label><title>Reduction to one dimension along a straight path</title>
      <p id="d2e60068">For a fixed observation point <inline-formula><mml:math id="M1799" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:math></inline-formula> and propagation direction <inline-formula><mml:math id="M1800" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi></mml:math></inline-formula>, we parameterise the upstream ray by the distance coordinate <inline-formula><mml:math id="M1801" display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>, defined such that points along the ray are given by <inline-formula><mml:math id="M1802" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, with

            <disp-formula id="App1.Ch1.S8.E272" content-type="numbered"><label>H5</label><mml:math id="M1803" display="block"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>≤</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M1804" display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula> denotes the distance measured from the observation point backward along the ray, and <inline-formula><mml:math id="M1805" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the distance from the observation point to the upstream boundary of the medium. Thus, <inline-formula><mml:math id="M1806" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> corresponds to the observation point itself, while larger values of <inline-formula><mml:math id="M1807" display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula> lie farther upstream. Along this path, we define

            <disp-formula id="App1.Ch1.S8.E273" content-type="numbered"><label>H6</label><mml:math id="M1808" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>:=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>:=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          The directional derivative then becomes

            <disp-formula id="App1.Ch1.S8.E274" content-type="numbered"><label>H7</label><mml:math id="M1809" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">∇</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          because increasing <inline-formula><mml:math id="M1810" display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula> moves opposite to the propagation direction <inline-formula><mml:math id="M1811" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Hence, the operator <inline-formula><mml:math id="M1812" display="inline"><mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi></mml:math></inline-formula> reduces to the one-dimensional form

            <disp-formula id="App1.Ch1.S8.E275" content-type="numbered"><label>H8</label><mml:math id="M1813" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          Accordingly, Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S8.E271"/>) becomes

            <disp-formula id="App1.Ch1.S8.E276" content-type="numbered"><label>H9</label><mml:math id="M1814" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          with homogeneous inflow boundary condition

            <disp-formula id="App1.Ch1.S8.E277" content-type="numbered"><label>H10</label><mml:math id="M1815" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          Thus, along each fixed ray direction <inline-formula><mml:math id="M1816" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the vector radiative transfer problem reduces to a first-order ordinary differential equation in the upstream distance coordinate <inline-formula><mml:math id="M1817" display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S8.SS3">
  <label>H3</label><title>Definition of the Green's function</title>
      <p id="d2e60433">Let an arbitrary evaluation point along the ray be located at <inline-formula><mml:math id="M1818" display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and let a source point be located at <inline-formula><mml:math id="M1819" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where both <inline-formula><mml:math id="M1820" display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M1821" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are measured as upstream distances from the observation point (<inline-formula><mml:math id="M1822" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). The corresponding Green's function <inline-formula><mml:math id="M1823" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> satisfies<fn id="App1.Ch1.Footn4"><p id="d2e60506">In this appendix, symbol <inline-formula><mml:math id="M1824" display="inline"><mml:mi>G</mml:mi></mml:math></inline-formula> denotes a Green's function, and is not the CDF of an arbitrary function <inline-formula><mml:math id="M1825" display="inline"><mml:mi>g</mml:mi></mml:math></inline-formula> as in Appendix <xref ref-type="sec" rid="App1.Ch1.S6"/>.</p></fn> (see Supplement)

            <disp-formula id="App1.Ch1.S8.E278" content-type="numbered"><label>H11</label><mml:math id="M1826" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          or, after multiplying both sides by <inline-formula><mml:math id="M1827" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,

            <disp-formula id="App1.Ch1.S8.E279" content-type="numbered"><label>H12</label><mml:math id="M1828" display="block"><mml:mrow><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          Once the Green's function is known, the solution of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S8.E276"/>) can be written as

            <disp-formula id="App1.Ch1.S8.E280" content-type="numbered"><label>H13</label><mml:math id="M1829" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          Because <inline-formula><mml:math id="M1830" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is scalar, it multiplies each component of the source vector <inline-formula><mml:math id="M1831" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in exactly the same way. Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S8.E280"/>) therefore expresses the Stokes vector at the evaluation point <inline-formula><mml:math id="M1832" display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula> as the superposition of contributions from all source points <inline-formula><mml:math id="M1833" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> along the ray.</p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S8.SS4">
  <label>H4</label><title>Solution for <inline-formula><mml:math id="M1834" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></title>
      <p id="d2e60824">For all <inline-formula><mml:math id="M1835" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the Dirac delta function in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S8.E279"/>) vanishes, and the Green's function satisfies

            <disp-formula id="App1.Ch1.S8.E281" content-type="numbered"><label>H14</label><mml:math id="M1836" display="block"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          Solving this equation separately on the intervals <inline-formula><mml:math id="M1837" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M1838" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> gives

            <disp-formula id="App1.Ch1.S8.E282" content-type="numbered"><label>H15</label><mml:math id="M1839" display="block"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfenced open="{" close=""><mml:mtable columnspacing="1em" class="cases" rowspacing="5.16pt" columnalign="left left" framespacing="0em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msubsup><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mfenced></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M1840" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M1841" display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are integration constants that may depend on the source position <inline-formula><mml:math id="M1842" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The two integration constants differ because the point <inline-formula><mml:math id="M1843" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is singular: the Dirac delta function can introduce a discontinuity there, so the solutions on the two sides of <inline-formula><mml:math id="M1844" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> must be treated separately.</p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S8.SS5">
  <label>H5</label><title>Jump condition and causality</title>
      <p id="d2e61159">To determine these constants, we integrate Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S8.E279"/>) across a small interval <inline-formula><mml:math id="M1845" display="inline"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> around the source point:

            <disp-formula id="App1.Ch1.S8.E283" content-type="numbered"><label>H16</label><mml:math id="M1846" display="block"><mml:mrow><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          As <inline-formula><mml:math id="M1847" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">ϵ</mml:mi><mml:mo>→</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the integral of <inline-formula><mml:math id="M1848" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> over the vanishingly small interval tends to zero, whereas the derivative term yields the jump condition

            <disp-formula id="App1.Ch1.S8.E284" content-type="numbered"><label>H17</label><mml:math id="M1849" display="block"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          Here, <inline-formula><mml:math id="M1850" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes a point immediately closer to the observation point than <inline-formula><mml:math id="M1851" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, whereas <inline-formula><mml:math id="M1852" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes a point immediately farther upstream. This jump condition reflects the presence of a point source at <inline-formula><mml:math id="M1853" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where the Green's function itself is discontinuous.</p>
      <p id="d2e61472">For a transport equation, radiation propagates from larger values of <inline-formula><mml:math id="M1854" display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula> toward smaller values, i.e. from upstream towards the observation point. A source located at <inline-formula><mml:math id="M1855" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> therefore contributes only to evaluation points with <inline-formula><mml:math id="M1856" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, while points farther upstream (<inline-formula><mml:math id="M1857" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) remain unaffected. This causality requirement implies

            <disp-formula id="App1.Ch1.S8.E285" content-type="numbered"><label>H18</label><mml:math id="M1858" display="block"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mspace width="1em" linebreak="nobreak"/><mml:mtext>for </mml:mtext><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          so that

            <disp-formula id="App1.Ch1.S8.E286" content-type="numbered"><label>H19</label><mml:math id="M1859" display="block"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          Combining the jump condition with the causality condition gives

            <disp-formula id="App1.Ch1.S8.E287" content-type="numbered"><label>H20</label><mml:math id="M1860" display="block"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          Comparing this with Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S8.E282"/>) shows that

            <disp-formula id="App1.Ch1.S8.E288" content-type="numbered"><label>H21</label><mml:math id="M1861" display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S8.SS6">
  <label>H6</label><title>Formal solution along a ray</title>
      <p id="d2e61706">The complete one-dimensional Green's function is therefore

            <disp-formula id="App1.Ch1.S8.E289" content-type="numbered"><label>H22</label><mml:math id="M1862" display="block"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:munderover><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M1863" display="inline"><mml:mi>H</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the Heaviside step function. The factor <inline-formula><mml:math id="M1864" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ensures that only source points located upstream of the evaluation point contribute to the solution, while the exponential factor accounts for attenuation along the optical path between <inline-formula><mml:math id="M1865" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M1866" display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p id="d2e61848">Substituting Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S8.E289"/>) into Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S8.E280"/>) yields

            <disp-formula id="App1.Ch1.S8.E290" content-type="numbered"><label>H23</label><mml:math id="M1867" display="block"><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:munderover><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S8.E290"/>) therefore expresses the Stokes vector at the evaluation point <inline-formula><mml:math id="M1868" display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula> as the cumulative contribution of all local source vectors along the ray, each exponentially attenuated between its point of origin and that evaluation point. In particular, at the observation point (<inline-formula><mml:math id="M1869" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) we obtain

            <disp-formula id="App1.Ch1.S8.E291" content-type="numbered"><label>H24</label><mml:math id="M1870" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:munderover><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where no Heaviside function appears since for <inline-formula><mml:math id="M1871" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> we have <inline-formula><mml:math id="M1872" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math id="M1873" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S8.E291"/>) expresses the Stokes vector at the observation point as the cumulative contribution of all source points along the upstream ray, each exponentially attenuated between its point of origin and the observation point.</p>
</sec>
<sec id="App1.Ch1.S8.SS7">
  <label>H7</label><title>Three-dimensional formal solution</title>
      <p id="d2e62206">We now rewrite Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S8.E291"/>) in 3D spatial coordinates. Because <inline-formula><mml:math id="M1874" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is defined as the upstream distance from the observation point, a source point <inline-formula><mml:math id="M1875" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> along the ray through the observation point <inline-formula><mml:math id="M1876" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:math></inline-formula> in direction <inline-formula><mml:math id="M1877" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi></mml:math></inline-formula> is written as

            <disp-formula id="App1.Ch1.S8.E292" content-type="numbered"><label>H25</label><mml:math id="M1878" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          Hence,

            <disp-formula id="App1.Ch1.S8.E293" content-type="numbered"><label>H26</label><mml:math id="M1879" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="1em"/><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>‖</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M1880" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is the unit vector pointing from the source point <inline-formula><mml:math id="M1881" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to the observation point <inline-formula><mml:math id="M1882" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:math></inline-formula>. In spherical coordinates centered at <inline-formula><mml:math id="M1883" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the differential volume element is

            <disp-formula id="App1.Ch1.S8.E294" content-type="numbered"><label>H27</label><mml:math id="M1884" display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where <inline-formula><mml:math id="M1885" display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the differential solid-angle element. The factor <inline-formula><mml:math id="M1886" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> arises from the Jacobian of the transformation from Cartesian to spherical coordinates.</p>
      <p id="d2e62466">To restrict the integration to points lying exactly on the ray in direction <inline-formula><mml:math id="M1887" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi></mml:math></inline-formula>, we use the Dirac delta distribution on the unit sphere:

            <disp-formula id="App1.Ch1.S8.E295" content-type="numbered"><label>H28</label><mml:math id="M1888" display="block"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          Multiplying by this identity collapses the angular integration and leaves only contributions from points <inline-formula><mml:math id="M1889" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for which <inline-formula><mml:math id="M1890" display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi><mml:mo stretchy="false" mathvariant="normal">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, i.e. source points that lie on the ray through <inline-formula><mml:math id="M1891" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:math></inline-formula> with the correct orientation. Hence,

            <disp-formula id="App1.Ch1.S8.E296" content-type="numbered"><label>H29</label><mml:math id="M1892" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          Rewriting <inline-formula><mml:math id="M1893" display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M1894" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in terms of <inline-formula><mml:math id="M1895" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M1896" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> gives the desired transformation

            <disp-formula id="App1.Ch1.S8.E297" content-type="numbered"><label>H30</label><mml:math id="M1897" display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>‖</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          The Dirac delta function ensures that only points <inline-formula><mml:math id="M1898" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> along the ray through <inline-formula><mml:math id="M1899" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:math></inline-formula> in direction <inline-formula><mml:math id="M1900" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi></mml:math></inline-formula> contribute to the integral, while the factor <inline-formula><mml:math id="M1901" display="inline"><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> arises from the Jacobian that converts the line integral into a volume integral.</p>
      <p id="d2e62787">Using Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S8.E297"/>), the one-dimensional formal solution at the observation point can be written in 3D spatial coordinates as

            <disp-formula id="App1.Ch1.S8.E298" content-type="numbered"><label>H31</label><mml:math id="M1902" display="block"><mml:mrow><mml:mtable rowspacing="0.2ex" class="split" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi></mml:munder><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mspace width="-0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>‖</mml:mo></mml:mrow></mml:munderover><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="-0.125em"/><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>‖</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mo>‖</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          where the integration extends over the spatial domain <inline-formula><mml:math id="M1903" display="inline"><mml:mi mathvariant="script">V</mml:mi></mml:math></inline-formula> of the medium. The local source term follows from Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S8.E270"/>):

            <disp-formula id="App1.Ch1.S8.E299" content-type="numbered"><label>H32</label><mml:math id="M1904" display="block"><mml:mtable class="split" rowspacing="0.2ex" displaystyle="true" columnalign="right left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">sca</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">4</mml:mn><mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mi mathvariant="bold">Z</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mfrac style="display"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">S</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          Equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S8.E298"/>) shows that the radiance Stokes vector at point <inline-formula><mml:math id="M1905" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:math></inline-formula> in direction <inline-formula><mml:math id="M1906" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">ω</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the superposition of contributions from all upstream source points <inline-formula><mml:math id="M1907" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> lying on the ray through <inline-formula><mml:math id="M1908" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Each contribution is weighted by the local source vector <inline-formula><mml:math id="M1909" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi></mml:math></inline-formula> and attenuated exponentially along the optical path between <inline-formula><mml:math id="M1910" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M1911" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Note that in the 1D formulation (Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S8.E291"/>), the Heaviside factor no longer appeared because the solution had been specialised to the observation point <inline-formula><mml:math id="M1912" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, for which <inline-formula><mml:math id="M1913" display="inline"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> over the integration range <inline-formula><mml:math id="M1914" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In the final three-dimensional volume formulation of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="App1.Ch1.S8.E298"/>), the corresponding upstream restriction is already enforced by the Dirac delta function, which selects only source points <inline-formula><mml:math id="M1915" display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> lying on the ray through <inline-formula><mml:math id="M1916" display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:math></inline-formula> with the correct orientation. Therefore, no separate Heaviside function is needed.</p>
</sec>
</app>
  </app-group><notes notes-type="codedataavailability"><title>Code and data availability</title>

      <p id="d2e63306">The version of MONKI as described in this paper is available from Zenodo under the MIT licence. The version of the model used to produce the results presented in this paper, as well as the required input data, are archived under DOI (<ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5281/zenodo.22737661" ext-link-type="DOI">10.5281/zenodo.22737661</ext-link>, <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx71" id="altparen.160"/>).</p>
  </notes><app-group>
        <supplementary-material position="anchor"><p id="d2e63315">The supplement related to this article is available online at <inline-supplementary-material xlink:href="https://doi.org/10.5194/gmd-19-9677-2026-supplement" xlink:title="pdf">https://doi.org/10.5194/gmd-19-9677-2026-supplement</inline-supplementary-material>.</p></supplementary-material>
        </app-group><notes notes-type="authorcontribution"><title>Author contributions</title>

      <p id="d2e63324">VT developed MONKI, derived the theoretical framework, performed the simulations unless otherwise stated, and wrote the manuscript. PW was closely involved in the development of MONKI and tested MONKI as a user. JW did the validation of MONKI against the benchmark results of <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx24" id="text.161"/>. PS did the simulations with DAK for the comparison with MONKI (Fig. S6). All authors reviewed the manuscript and were involved in the selection of the results presented in this paper.</p>
  </notes><notes notes-type="competinginterests"><title>Competing interests</title>

      <p id="d2e63333">The contact author has declared that none of the authors has any competing interests.</p>
  </notes><notes notes-type="disclaimer"><title>Disclaimer</title>

      <p id="d2e63339">Publisher's note: Copernicus Publications remains neutral with regard to jurisdictional claims made in the text, published maps, institutional affiliations, or any other geographical representation in this paper. The authors bear the ultimate responsibility for providing appropriate place names. Views expressed in the text are those of the authors and do not necessarily reflect the views of the publisher.</p>
  </notes><ack><title>Acknowledgements</title><p id="d2e63345">The authors thank the anonymous reviewers for their constructive feedback.</p></ack><notes notes-type="financialsupport"><title>Financial support</title>

      <p id="d2e63350">This research has been supported by the Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek, Exacte en Natuurwetenschappen (grant no. ALWGO.2018.016).</p>
  </notes><notes notes-type="reviewstatement"><title>Review statement</title>

      <p id="d2e63356">This paper was edited by Juan Antonio Añel and reviewed by two anonymous referees.</p>
  </notes><ref-list>
    <title>References</title>

      <ref id="bib1.bibx1"><label>Anderson et al.(1986)Anderson, Clough, Kneizys, Chetwynd, and Shettle</label><mixed-citation> Anderson, G. P., Clough, S. A., Kneizys, F. X., Chetwynd, J. H., and Shettle, E. P.: AFGL Atmospheric Constituent Profiles (0–120 km), AFGL-TR-86-0110, Air Force Geophysics Laboratory, Hanscom Air Force Base, MA, Environmental Research Papers, No. 954, ADA175173, 1986.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx2"><label>Bagnulo et al.(2024)Bagnulo, Belskaya, Cellino, Kwon, Muñoz, and Stam</label><mixed-citation>Bagnulo, S., Belskaya, I., Cellino, A., Kwon, Y. G., Muñoz, O., and Stam, D. M.: Polarimetry of Solar System minor bodies and planets: Polarimetry of Solar System minor bodies and planets, Astron. Astrophys. Rev., 32, 7, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1007/s00159-024-00157-w" ext-link-type="DOI">10.1007/s00159-024-00157-w</ext-link>, 2024.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx3"><label>Barker et al.(2003)Barker, Goldstein, and Stevens</label><mixed-citation>Barker, H. W., Goldstein, R. K., and Stevens, D. E.: Monte Carlo Simulation of Solar Reflectances for Cloudy Atmospheres, J. Atmos. Sci., 60, 1881–1894, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1175/1520-0469(2003)060&lt;1881:MCSOSR&gt;2.0.CO;2" ext-link-type="DOI">10.1175/1520-0469(2003)060&lt;1881:MCSOSR&gt;2.0.CO;2</ext-link>, 2003.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx4"><label>Barlakas et al.(2016)Barlakas, Macke, and Wendisch</label><mixed-citation>Barlakas, V., Macke, A., and Wendisch, M.: SPARTA – Solver for Polarized Atmospheric Radiative Transfer Applications: Introduction and application to Saharan dust fields, J. Quant. Spectrosc. Ra., 178, 77–92, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2016.02.019" ext-link-type="DOI">10.1016/j.jqsrt.2016.02.019</ext-link>, 2016.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx5"><label>Bartel and Hielscher(2000)</label><mixed-citation>Bartel, S. and Hielscher, A. H.: Monte Carlo Simulations of the Diffuse Backscattering Mueller Matrix for Highly Scattering Media, Appl. Optics, 39, 1580–1588, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1364/AO.39.001580" ext-link-type="DOI">10.1364/AO.39.001580</ext-link>, 2000.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx6"><label>Bass and Paur(1985)</label><mixed-citation>Bass, A. M. and Paur, R. J.: The ultraviolet cross-sections of ozone. I. The measurements. II – Results and temperature dependence, in: Atmospheric ozone; Proceedings of the Quadrennial, edited by: Zerefos, C. S. and Ghazi, A.,  606–616, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1007/978-94-009-5313-0_120" ext-link-type="DOI">10.1007/978-94-009-5313-0_120</ext-link>, 1985.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx7"><label>Bates(1984)</label><mixed-citation>Bates, D. R.: Rayleigh scattering by air, Planet. Space Sci., 32, 785–790, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1016/0032-0633(84)90102-8" ext-link-type="DOI">10.1016/0032-0633(84)90102-8</ext-link>, 1984.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx8"><label>Bodhaine et al.(1999)Bodhaine, Wood, Dutton, and Slusser</label><mixed-citation>Bodhaine, B. A., Wood, N. B., Dutton, E. G., and Slusser, J. R.: On Rayleigh Optical Depth Calculations, J. Atmos. Ocean. Tech., 16, 1854, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1175/1520-0426(1999)016&lt;1854:ORODC&gt;2.0.CO;2" ext-link-type="DOI">10.1175/1520-0426(1999)016&lt;1854:ORODC&gt;2.0.CO;2</ext-link>, 1999.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx9"><label>Breon and Doutriaux-Boucher(2005)</label><mixed-citation>Breon, F. M. and Doutriaux-Boucher, M.: A Comparison of Cloud Droplet Radii Measured From Space, IEEE T. Geosci. Remote Sens., 43, 1796–1805, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1109/TGRS.2005.852838" ext-link-type="DOI">10.1109/TGRS.2005.852838</ext-link>, 2005.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx10"><label>Buras and Mayer(2011)</label><mixed-citation>Buras, R. and Mayer, B.: Efficient unbiased variance reduction techniques for Monte Carlo simulations of radiative transfer in cloudy atmospheres: The solution, J. Quant. Spectrosc. Ra., 112, 434–447, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2010.10.005" ext-link-type="DOI">10.1016/j.jqsrt.2010.10.005</ext-link>, 2011.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx11"><label>Chandrasekhar(1960)</label><mixed-citation> Chandrasekhar, S.: Radiative transfer, Dover Publications, New York, ISBN 978-0-486-60590-6, 1960.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx12"><label>Collins et al.(1972)Collins, Blättner, Wells, and Horak</label><mixed-citation>Collins, D. G., Blättner, W. G., Wells, M. B., and Horak, H. G.: Backward Monte Carlo Calculations of the Polarization Characteristics of the Radiation Emerging from Spherical-Shell Atmospheres, Appl. Optics, 11, 2684–2696, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1364/AO.11.002684" ext-link-type="DOI">10.1364/AO.11.002684</ext-link>, 1972.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx13"><label>Cornet et al.(2010)Cornet, C-Labonnote, and Szczap</label><mixed-citation>Cornet, C., C-Labonnote, L., and Szczap, F.: Three-dimensional polarized Monte Carlo atmospheric radiative transfer model (3DMCPOL): 3D effects on polarized visible reflectances of a cirrus cloud, J. Quant. Spectrosc. Ra., 111, 174–186, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2009.06.013" ext-link-type="DOI">10.1016/j.jqsrt.2009.06.013</ext-link>, 2010.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx14"><label>Cornet et al.(2018)Cornet, -Labonnote, Waquet, Szczap, Deaconu, Parol, Vanbauce, Thieuleux, and Riédi</label><mixed-citation>Cornet, C., C.-Labonnote, L., Waquet, F., Szczap, F., Deaconu, L., Parol, F., Vanbauce, C., Thieuleux, F., and Riédi, J.: Cloud heterogeneity on cloud and aerosol above cloud properties retrieved from simulated total and polarized reflectances, Atmos. Meas. Tech., 11, 3627–3643, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5194/amt-11-3627-2018" ext-link-type="DOI">10.5194/amt-11-3627-2018</ext-link>, 2018.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx15"><label>de Haan et al.(1987)de Haan, Bosma, and Hovenier</label><mixed-citation> de Haan, J. F., Bosma, P. B., and Hovenier, J. W.: The adding method for multiple scattering calculations of polarized light, Astron. Astrophys., 183, 371–391, 1987.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx16"><label>de Rooij and van der Stap(1984)</label><mixed-citation> de Rooij, W. A. and van der Stap, C. C. A. H.: Expansion of Mie scattering matrices in generalized spherical functions, Astron. Astrophys., 131, 237–248, 1984.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx17"><label>Deirmendjian(1969)</label><mixed-citation> Deirmendjian, D.: Electromagnetic scattering on spherical polydispersions., American Elsevier Publishing Company, ISBN 0-444-00038-0, 1969.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx18"><label>Dekking et al.(2005)Dekking, Kraaikamp, Lopuhaa, and Meester</label><mixed-citation>Dekking, F., Kraaikamp, C., Lopuhaa, H., and Meester, L.: A modern introduction to probability theory and statistics, Springer Londen, ISBN 1-85233-896-2, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1007/1-84628-168-7" ext-link-type="DOI">10.1007/1-84628-168-7</ext-link>, 2005.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx19"><label>Deschamps et al.(1994)Deschamps, Breon, Leroy, Podaire, Bricaud, Buriez, and Seze</label><mixed-citation>Deschamps, P. Y., Breon, F. M., Leroy, M., Podaire, A., Bricaud, A., Buriez, J. C., and Seze, G.: The POLDER mission: instrument characteristics and scientific objectives, IEEE T. Geosci. Remote Sens., 32, 598–615, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1109/36.297978" ext-link-type="DOI">10.1109/36.297978</ext-link>, 1994.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx20"><label>Deutschmann(2015)</label><mixed-citation>Deutschmann, T.: On Modeling Elastic and Inelastic Polarized Radiation Transport in the Earth Atmosphere with Monte Carlo Methods, Dissertation (Dr. Rer. Nat.), Universität Leipzig, Leipzig, Germany, <uri>http://www.tim-deutschmann.de/McArtim/documents/Dissertation.pdf</uri> (last access: 2 October 2026), 2015.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx21"><label>Deutschmann et al.(2011)</label><mixed-citation>Deutschmann, T., Beirle, S., Frieß, U., Grzegorski, M., Kern, C., Kritten, L., Platt, U., Prados-Román, C., Puķı¯te, J., Wagner, T., Werner, B., and Pfeilsticker, K.: The Monte Carlo atmospheric radiative transfer model McArtim: Introduction and validation of Jacobians and 3D features, J. Quant. Spectrosc. Ra., 112, 1119–1137, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2010.12.009" ext-link-type="DOI">10.1016/j.jqsrt.2010.12.009</ext-link>, 2011.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx22"><label>Emde and Mayer(2018)</label><mixed-citation>Emde, C. and Mayer, B.: Errors induced by the neglect of polarization in radiance calculations for three-dimensional cloudy atmospheres, J. Quant. Spectrosc. Ra., 218, 151–160, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2018.07.001" ext-link-type="DOI">10.1016/j.jqsrt.2018.07.001</ext-link>, 2018.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx23"><label>Emde et al.(2010)Emde, Buras, Mayer, and Blumthaler</label><mixed-citation>Emde, C., Buras, R., Mayer, B., and Blumthaler, M.: The impact of aerosols on polarized sky radiance: model development, validation, and applications, Atmos. Chem. Phys., 10, 383–396, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5194/acp-10-383-2010" ext-link-type="DOI">10.5194/acp-10-383-2010</ext-link>, 2010.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx24"><label>Emde et al.(2018)Emde, Barlakas, Cornet, Evans, Wang, Labonotte, Macke, Mayer, and Wendisch</label><mixed-citation>Emde, C., Barlakas, V., Cornet, C., Evans, F., Wang, Z., Labonotte, L. C., Macke, A., Mayer, B., and Wendisch, M.: IPRT polarized radiative transfer model intercomparison project – Three-dimensional test cases (phase B), J. Quant. Spectrosc. Ra., 209, 19–44, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2018.01.024" ext-link-type="DOI">10.1016/j.jqsrt.2018.01.024</ext-link>, 2018.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx25"><label>Evans(1998)</label><mixed-citation>Evans, K. F.: The Spherical Harmonics Discrete Ordinate Method for Three-Dimensional Atmospheric Radiative Transfer, J. Atmos. Sci., 55, 429–446, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1175/1520-0469(1998)055&lt;0429:TSHDOM&gt;2.0.CO;2" ext-link-type="DOI">10.1175/1520-0469(1998)055&lt;0429:TSHDOM&gt;2.0.CO;2</ext-link>, 1998.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx26"><label>Fauchez et al.(2014)Fauchez, Cornet, Szczap, Dubuisson, and Rosambert</label><mixed-citation>Fauchez, T., Cornet, C., Szczap, F., Dubuisson, P., and Rosambert, T.: Impact of cirrus clouds heterogeneities on top-of-atmosphere thermal infrared radiation, Atmos. Chem. Phys., 14, 5599–5615, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5194/acp-14-5599-2014" ext-link-type="DOI">10.5194/acp-14-5599-2014</ext-link>, 2014.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx27"><label>García Muñoz and Mills(2015)</label><mixed-citation>García Muñoz, A. and Mills, F. P.: Pre-conditioned backward Monte Carlo solutions to radiative transport in planetary atmospheres. Fundamentals: Sampling of propagation directions in polarising media, Astron. Astrophys., 573, A72, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1051/0004-6361/201424042" ext-link-type="DOI">10.1051/0004-6361/201424042</ext-link>, 2015.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx28"><label>Gay et al.(2010)Gay, Vaillon, and Pınar Mengüç</label><mixed-citation> Gay, B., Vaillon, R., and Pınar Mengüç, M.: Polarization imaging of multiply-scattered radiation based on integral-vector Monte Carlo method, J. Quant. Spectrosc. Ra., 111, 287–294, 2010.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx29"><label>Ghail et al.(2021)Ghail, Ansan, Bovolo, Breuer, Campbell, and Kiefer</label><mixed-citation>Ghail, R., Ansan, V., Bovolo, F., Breuer, D., Campbell, B., and Kiefer, W.: EnVision assessment study report – Understanding why Earth's closest neighbour is so different (ESA/SCI(2021)1), European Space Agency, <uri>https://sci.esa.int/web/cosmic-vision/-/envision-assessment-study-report-yellow-book</uri> (last access: 2 October 2026), 2021.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx30"><label>Hale and Querry(1973)</label><mixed-citation>Hale, G. M. and Querry, M. R.: Optical Constants of Water in the 200-nm to 200 <inline-formula><mml:math id="M1917" display="inline"><mml:mrow class="unit"><mml:mi mathvariant="normal">µ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>m Wavelength Region, Appl. Optics, 12, 555–563, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1364/AO.12.000555" ext-link-type="DOI">10.1364/AO.12.000555</ext-link>, 1973.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx31"><label>Hansen and Hovenier(1974)</label><mixed-citation>Hansen, J. E. and Hovenier, J. W.: Interpretation of the polarization of Venus, J. Atmos. Sci., 31, 1137–1160, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1175/1520-0469(1974)031&lt;1137:IOTPOV&gt;2.0.CO;2" ext-link-type="DOI">10.1175/1520-0469(1974)031&lt;1137:IOTPOV&gt;2.0.CO;2</ext-link>, 1974.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx32"><label>Hansen and Travis(1974)</label><mixed-citation>Hansen, J. E. and Travis, L. D.: Light scattering in planetary atmospheres, Space Sci. Rev., 16, 527–610, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1007/BF00168069" ext-link-type="DOI">10.1007/BF00168069</ext-link>, 1974.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx33"><label>Hasekamp(2010)</label><mixed-citation>Hasekamp, O. P.: Capability of multi-viewing-angle photo-polarimetric measurements for the simultaneous retrieval of aerosol and cloud properties, Atmos. Meas. Tech., 3, 839–851, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5194/amt-3-839-2010" ext-link-type="DOI">10.5194/amt-3-839-2010</ext-link>, 2010.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx34"><label>Hasekamp et al.(2019)Hasekamp, Fu, Rusli, Wu, Di Noia, Brugh, Landgraf, Martijn Smit, Rietjens, and van Amerongen</label><mixed-citation>Hasekamp, O. P., Fu, G., Rusli, S. P., Wu, L., Di Noia, A., Brugh, J. A. D., Landgraf, J., Martijn Smit, J., Rietjens, J., and van Amerongen, A.: Aerosol measurements by SPEXone on the NASA PACE mission: expected retrieval capabilities, J. Quant. Spectrosc. Ra., 227, 170–184, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2019.02.006" ext-link-type="DOI">10.1016/j.jqsrt.2019.02.006</ext-link>, 2019.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx35"><label>Haus et al.(2015)Haus, Kappel, and Arnold</label><mixed-citation>Haus, R., Kappel, D., and Arnold, G.: Radiative heating and cooling in the middle and lower atmosphere of Venus and responses to atmospheric and spectroscopic parameter variations, Planet. Space Sci., 117, 262–294, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1016/j.pss.2015.06.024" ext-link-type="DOI">10.1016/j.pss.2015.06.024</ext-link>, 2015.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx36"><label>Hovenier and van der Mee(1983)</label><mixed-citation> Hovenier, J. W. and van der Mee, C. V. M.: Fundamental relationships relevant to the transfer of polarized light in a scattering atmosphere, Astron. Astrophys., 128, 1–16, 1983.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx37"><label>Hovenier et al.(2004)Hovenier, Van Der Mee, and Domke</label><mixed-citation>Hovenier, J. W., Van Der Mee, C., and Domke, H. (Eds.): Transfer of polarized light in planetary atmospheres: basic concepts and practical methods, Vol. 318, Astrophysics and Space Science Library, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1007/978-1-4020-2856-4" ext-link-type="DOI">10.1007/978-1-4020-2856-4</ext-link>, 2004.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx38"><label>Karalidi et al.(2011)Karalidi, Stam, and Hovenier</label><mixed-citation>Karalidi, T., Stam, D. M., and Hovenier, J. W.: Flux and polarisation spectra of water clouds on exoplanets, Astron. Astrophys., 530, A69, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1051/0004-6361/201116449" ext-link-type="DOI">10.1051/0004-6361/201116449</ext-link>, 2011.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx39"><label>Kemp et al.(1987)Kemp, Henson, Steiner, Beardsley, and Powell</label><mixed-citation>Kemp, J., Henson, G., Steiner, C., Beardsley, I., and Powell, E.: The optical polarization of the Sun, measured at a sensitivity of parts in ten million, Nature, 328, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1038/328092a0" ext-link-type="DOI">10.1038/328092a0</ext-link>, 1987.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx40"><label>Kroese et al.(2011)Kroese, Taimre, and Botev</label><mixed-citation>Kroese, D. P., Taimre, T., and Botev, Z. I.: Handbook of Monte Carlo Methods, Wiley Series in Probability and Statistics, John Wiley &amp; Sons, ISBN 978-0-470-17793-8, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1002/9781118014967" ext-link-type="DOI">10.1002/9781118014967</ext-link>, 2011.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx41"><label>Liou(2002)</label><mixed-citation> Liou, K. N.: An Introduction to Atmospheric Radiation, Academic Press, San Diego, CA, 2nd edn., ISBN 9780124514515, 2002.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx42"><label>Marbach et al.(2015)Marbach, Riedi, Lacan, and Schlüssel</label><mixed-citation>Marbach, T., Riedi, J., Lacan, A., and Schlüssel, P.: The 3MI mission: multi-viewing-channel-polarisation imager of the EUMETSAT polar system: second generation (EPS-SG) dedicated to aerosol and cloud monitoring, in: Polarization Science and Remote Sensing VII, edited by: Shaw, J. A. and LeMaster, D. A., Vol. 9613, Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE) Conference Series, 961310, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1117/12.2186978" ext-link-type="DOI">10.1117/12.2186978</ext-link>, 2015.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx43"><label>Marchand and Ackerman(2004)</label><mixed-citation>Marchand, R. and Ackerman, T.: Evaluation of radiometric measurements from the NASA Multiangle Imaging Spectroradiometer (MISR): Two- and three-dimensional radiative transfer modeling of an inhomogeneous stratocumulus cloud deck, J. Geophys. Res.-Atmos., 109, D18208, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/2004JD004710" ext-link-type="DOI">10.1029/2004JD004710</ext-link>, 2004.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx44"><label>Marchuk et al.(1980)Marchuk, Mikhailov, Nazaraliev, Darbinjan, Kargin, and Elepov</label><mixed-citation>Marchuk, G. I., Mikhailov, G. A., Nazaraliev, M. A., Darbinjan, R. A., Kargin, B. A., and Elepov, B. S.: The Monte Carlo Methods in Atmospheric Optics, Vol. 12, Springer Series in Optical Sciences, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, ISBN 978-3-662-13503-7, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1007/978-3-540-35237-2" ext-link-type="DOI">10.1007/978-3-540-35237-2</ext-link>, 1980.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx45"><label>Marshak and Davis(2005)</label><mixed-citation>Marshak, A. and Davis, A. (Eds.): 3D Radiative Transfer in Cloudy Atmospheres, Physics of Earth and Space Environments, Springer, Berlin, Heidelberg, ISBN 978-3-540-23958-1, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1007/3-540-28519-9" ext-link-type="DOI">10.1007/3-540-28519-9</ext-link>, 2005.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx46"><label>Marshak et al.(2006)Marshak, Platnick, Várnai, Wen, and Cahalan</label><mixed-citation>Marshak, A., Platnick, S., Várnai, T., Wen, G., and Cahalan, R. F.: Impact of three-dimensional radiative effects on satellite retrievals of cloud droplet sizes, J. Geophys. Res.-Atmos., 111, D09207, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/2005JD006686" ext-link-type="DOI">10.1029/2005JD006686</ext-link>, 2006.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx47"><label>Mayer(2009)</label><mixed-citation>Mayer, B.: Radiative transfer in the cloudy atmosphere, in: European Physical Journal Web of Conferences, Vol. 1, European Physical Journal Web of Conferences, 75, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1140/epjconf/e2009-00912-1" ext-link-type="DOI">10.1140/epjconf/e2009-00912-1</ext-link>, 2009.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx48"><label>McBride et al.(2024)McBride, Sienkiewicz, Xu, Puthukkudy, Fernandez-Borda, and Martins</label><mixed-citation>McBride, B. A., Sienkiewicz, N., Xu, X., Puthukkudy, A., Fernandez-Borda, R., and Martins, J. V.: In-flight characterization of the Hyper-Angular Rainbow Polarimeter (HARP2) on the NASA PACE mission, in: Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE) Conference Series, edited by: Babu, S. R., Hélière, A., and Kimura, T., Vol. 13192, Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE) Conference Series,  131920H, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1117/12.3033680" ext-link-type="DOI">10.1117/12.3033680</ext-link>, 2024.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx49"><label>Mishchenko and Travis(1997)</label><mixed-citation>Mishchenko, M. I. and Travis, L. D.: Satellite retrieval of aerosol properties over the ocean using polarization as well as intensity of reflected sunlight, J. Geophys. Res., 102, 16989–17013, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1029/96JD02425" ext-link-type="DOI">10.1029/96JD02425</ext-link>, 1997.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx50"><label>Mishchenko et al.(1994)Mishchenko, Lacis, and Travis</label><mixed-citation>Mishchenko, M. I., Lacis, A. A., and Travis, L. D.: Errors induced by the neglect of polarization in radiance calculations for Rayleigh-scattering atmospheres, J. Quant. Spectrosc. Ra., 51, 491–510, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1016/0022-4073(94)90149-X" ext-link-type="DOI">10.1016/0022-4073(94)90149-X</ext-link>, 1994.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx51"><label>Moroz(1981)</label><mixed-citation>Moroz, V. I.: The Atmosphere of Venus, Space Sci. Rev., 29, 3–127, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1007/BF00177144" ext-link-type="DOI">10.1007/BF00177144</ext-link>, 1981.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx52"><label>Natraj and Hovenier(2012)</label><mixed-citation>Natraj, V. and Hovenier, J. W.: Polarized Light Reflected and Transmitted by Thick Rayleigh Scattering Atmospheres, Astrophys. J., 748, 28, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1088/0004-637X/748/1/28" ext-link-type="DOI">10.1088/0004-637X/748/1/28</ext-link>, 2012.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx53"><label>Natraj et al.(2009)Natraj, Li, and Yung</label><mixed-citation>Natraj, V., Li, K.-F., and Yung, Y. L.: Rayleigh Scattering in Planetary Atmospheres: Corrected Tables Through Accurate Computation of X and Y Functions,  Astrophys. J., 691, 1909–1920, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1088/0004-637X/691/2/1909" ext-link-type="DOI">10.1088/0004-637X/691/2/1909</ext-link>, 2009.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx54"><label>Neefs et al.(2025)Neefs, Vandaele, De Cock, Erwin, Robert, Thomas, Berkenbosch, Jacobs, Bogaert, Beeckman, Brassine, Messios, De Donder, Bolsée, Pereira, Tackley, Gerya, Kögl, Kögl, Gröbelbauer, Wirz, Székely, Eaton, Roibás-Millán, Torralbo, Rubio-Arnaldo, Alvarez, Navajas Ortega, De Vos, Sørensen, Moelans, Algoedt, Blau, Stam, Renotte, Klinkenberg, Borguet, Thomas, Vervaeke, Thienpont, Castro, and Jimenez</label><mixed-citation>Neefs, E., Vandaele, A. C., De Cock, R., Erwin, J., Robert, S., Thomas, I. R., Berkenbosch, S., Jacobs, L., Bogaert, P., Beeckman, B., Brassine, A., Messios, N., De Donder, E., Bolsée, D., Pereira, N., Tackley, P., Gerya, T., Kögl, S., Kögl, P., Gröbelbauer, H. P., Wirz, F., Székely, G., Eaton, N., Roibás-Millán, E., Torralbo, I., Rubio-Arnaldo, H., Alvarez, J. M., Navajas Ortega, D., De Vos, L., Sørensen, R., Moelans, W., Algoedt, A., Blau, M., Stam, D., Renotte, E., Klinkenberg, P., Borguet, B., Thomas, S., Vervaeke, M., Thienpont, H., Castro, J. M., and Jimenez, J.: VenSpec-H spectrometer on the ESA EnVision mission: Design, modeling, analysis, Acta Astronaut., 226, 178–201, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2024.10.018" ext-link-type="DOI">10.1016/j.actaastro.2024.10.018</ext-link>, 2025.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx55"><label>Palmer and Williams(1975)</label><mixed-citation>Palmer, K. F. and Williams, D.: Optical constants of sulfuric acid; application to the clouds of Venus?, Appl. Optics, 14, 208–219, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1364/AO.14.000208" ext-link-type="DOI">10.1364/AO.14.000208</ext-link>, 1975.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx56"><label>Peck and Reeder(1972)</label><mixed-citation>Peck, E. R. and Reeder, K.: Dispersion of Air*, J. Opt. Soc. Am., 62, 958, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1364/JOSA.62.000958" ext-link-type="DOI">10.1364/JOSA.62.000958</ext-link>, 1972.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx57"><label>Ramon et al.(2019)Ramon, Steinmetz, Jolivet, Compiègne, and Frouin</label><mixed-citation>Ramon, D., Steinmetz, F., Jolivet, D., Compiègne, M., and Frouin, R.: Modeling polarized radiative transfer in the ocean-atmosphere system with the GPU-accelerated SMART-G Monte Carlo code, J. Quant. Spectrosc. Ra., 222, 89–107, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2018.10.017" ext-link-type="DOI">10.1016/j.jqsrt.2018.10.017</ext-link>, 2019.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx58"><label>Rice(2007)</label><mixed-citation> Rice, J. A.: Mathematical Statistics and Data Analysis, Cengage Learning, Belmont, CA, 3rd Edn., ISBN 978-0-534-39942-9, 2007.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx59"><label>Rossi et al.(2022)Rossi, Berzosa-Molina, Desert, Fossati, García Muñoz, Haswell, Kabath, Kislyakova, Stam, and Vidotto</label><mixed-citation>Rossi, L., Berzosa-Molina, J., Desert, J. M., Fossati, L., García Muñoz, A., Haswell, C., Kabath, P., Kislyakova, K., Stam, D., and Vidotto, A.: Spectropolarimetry as a tool for understanding the diversity of planetary atmospheres, Exp. Astron., 54, 1187–1196, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1007/s10686-021-09813-w" ext-link-type="DOI">10.1007/s10686-021-09813-w</ext-link>, 2022.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx60"><label>Seiff et al.(1985)Seiff, Schofield, Kliore, Taylor, Limaye, Revercomb, Sromovsky, Kerzhanovich, Moroz, and Marov</label><mixed-citation>Seiff, A., Schofield, J. T., Kliore, A. J., Taylor, F. W., Limaye, S. S., Revercomb, H. E., Sromovsky, L. A., Kerzhanovich, V. V., Moroz, V. I., and Marov, M. Y.: Models of the structure of the atmosphere of Venus from the surface to 100 kilometers altitude, Adv. Space Res., 5, 3–58, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1016/0273-1177(85)90197-8" ext-link-type="DOI">10.1016/0273-1177(85)90197-8</ext-link>, 1985.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx61"><label>Sneep and Ubachs(2005)</label><mixed-citation>Sneep, M. and Ubachs, W.: Direct measurement of the Rayleigh scattering cross section in various gases, J. Quant. Spectrosc. Ra., 92, 293–310, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2004.07.025" ext-link-type="DOI">10.1016/j.jqsrt.2004.07.025</ext-link>, 2005.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx62"><label>Spada et al.(2006)Spada, Krol, and Stammes</label><mixed-citation>Spada, F., Krol, M. C., and Stammes, P.: McSCIA: application of the Equivalence Theorem in a Monte Carlo radiative transfer model for spherical shell atmospheres, Atmos. Chem. Phys., 6, 4823–4842, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5194/acp-6-4823-2006" ext-link-type="DOI">10.5194/acp-6-4823-2006</ext-link>, 2006.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx63"><label>Spilling and Thales(2021)</label><mixed-citation>Spilling, D. and Thales, A.: The Multi Angle Polarimeter (MAP) on board ESA's Copernicus Carbon Dioxide Monitoring mission (CO2M), in: International Conference on Space Optics – ICSO 2020, edited by: Cugny, B., Sodnik, Z., and Karafolas, N., Vol. 11852,  118520R, International Society for Optics and Photonics, SPIE, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1117/12.2599174" ext-link-type="DOI">10.1117/12.2599174</ext-link>, 2021.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx64"><label>Stam(2008)</label><mixed-citation>Stam, D. M.: Spectropolarimetric signatures of Earth-like extrasolar planets, Astron. Astrophys., 482, 989–1007, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1051/0004-6361:20078358" ext-link-type="DOI">10.1051/0004-6361:20078358</ext-link>, 2008.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx65"><label>Stam and Hovenier(2005)</label><mixed-citation>Stam, D. M. and Hovenier, J. W.: Errors in calculated planetary phase functions and albedos due to neglecting polarization, Astron. Astrophys., 444, 275–286, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1051/0004-6361:20053698" ext-link-type="DOI">10.1051/0004-6361:20053698</ext-link>, 2005.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx66"><label>Stam et al.(2000)Stam, de Haan, Hovenier, and Stammes</label><mixed-citation>Stam, D. M., de Haan, J. F., Hovenier, J. W., and Stammes, P.: A fast method for simulating observations of polarized light emerging from the atmosphere applied to the oxygen-A band, J. Quant. Spectrosc. Ra., 64, 131–149, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1016/S0022-4073(99)00009-6" ext-link-type="DOI">10.1016/S0022-4073(99)00009-6</ext-link>, 2000.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx67"><label>Stammes(2001)</label><mixed-citation> Stammes, P.: Spectral radiance modelling in the UV-visible range, IRS 2000: Current Problems in Atmospheric Radiation, edited by: Smith, W. L. and Timofeyev, Y. M., A. Deepak Publishing, Hampton, Virginia, 385–388, ISBN 978-0-937194-43-0, 2001.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx68"><label>Stap et al.(2016a)Stap, Hasekamp, Emde, and Röckmann</label><mixed-citation>Stap, F. A., Hasekamp, O. P., Emde, C., and Röckmann, T.: Influence of 3D effects on 1D aerosol retrievals in synthetic, partially clouded scenes, J. Quant. Spectrosc. Ra., 170, 54–68, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2015.10.008" ext-link-type="DOI">10.1016/j.jqsrt.2015.10.008</ext-link>, 2016a.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx69"><label>Stap et al.(2016b)Stap, Hasekamp, Emde, and Röckmann</label><mixed-citation>Stap, F. A., Hasekamp, O. P., Emde, C., and Röckmann, T.: Multiangle photopolarimetric aerosol retrievals in the vicinity of clouds: Synthetic study based on a large eddy simulation, J. Geophys. Res.-Atmos., 121, 12914–12935, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1002/2016JD024787" ext-link-type="DOI">10.1002/2016JD024787</ext-link>, 2016b.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx70"><label>Stevens et al.(1999)Stevens, Moeng, and Sullivan</label><mixed-citation>Stevens, B., Moeng, C.-H., and Sullivan, P. P.: Large-Eddy Simulations of Radiatively Driven Convection: Sensitivities to the Representation of Small Scales, J. Atmos. Sci., 56, 3963–3984, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1175/1520-0469(1999)056&lt;3963:LESORD&gt;2.0.CO;2" ext-link-type="DOI">10.1175/1520-0469(1999)056&lt;3963:LESORD&gt;2.0.CO;2</ext-link>, 1999.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx71"><label>Trees(2026)</label><mixed-citation>Trees, V.: MONKI (Monte Carlo KNMI), Zenodo [code, data set], <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5281/zenodo.22737661" ext-link-type="DOI">10.5281/zenodo.22737661</ext-link>, 2026.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx72"><label>Trees and Stam(2019)</label><mixed-citation>Trees, V. J. H. and Stam, D. M.: Blue, white, and red ocean planets. Simulations of orbital variations in flux and polarization colors, Astron. Astrophys., 626, A129, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1051/0004-6361/201935399" ext-link-type="DOI">10.1051/0004-6361/201935399</ext-link>, 2019.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx73"><label>Trees and Stam(2022)</label><mixed-citation>Trees, V. J. H. and Stam, D. M.: Ocean signatures in the total flux and polarization spectra of Earth-like exoplanets, Astron. Astrophys., 664, A172, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1051/0004-6361/202243591" ext-link-type="DOI">10.1051/0004-6361/202243591</ext-link>, 2022.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx74"><label>Trees et al.(2022)Trees, Wang, Stammes, Tilstra, Donovan, and Siebesma</label><mixed-citation>Trees, V. J. H., Wang, P., Stammes, P., Tilstra, L. G., Donovan, D. P., and Siebesma, A. P.: DARCLOS: a cloud shadow detection algorithm for TROPOMI, Atmos. Meas. Tech., 15, 3121–3140, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5194/amt-15-3121-2022" ext-link-type="DOI">10.5194/amt-15-3121-2022</ext-link>, 2022.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx75"><label>Trees et al.(2025)Trees, Wang, Stammes, Tilstra, Donovan, and Siebesma</label><mixed-citation>Trees, V. J. H., Wang, P., Stammes, P., Tilstra, L. G., Donovan, D. P., and Siebesma, A. P.: Cancellation of cloud shadow effects in the absorbing aerosol index retrieval algorithm of TROPOMI, Atmos. Meas. Tech., 18, 73–91, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5194/amt-18-73-2025" ext-link-type="DOI">10.5194/amt-18-73-2025</ext-link>, 2025.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx76"><label>van Amerongen et al.(2019)van Amerongen, Rietjens, Campo, Dogan, Dingjan, Nalla, Caron, and Hasekamp</label><mixed-citation>van Amerongen, A., Rietjens, J., Campo, J., Dogan, E., Dingjan, J., Nalla, R., Caron, J., and Hasekamp, O.: SPEXone: a compact multi-angle polarimeter, in: International Conference on Space Optics – ICSO 2018, edited by: Sodnik, Z., Karafolas, N., and Cugny, B., Vol. 11180, Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE) Conference Series, 111800L, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1117/12.2535940" ext-link-type="DOI">10.1117/12.2535940</ext-link>, 2019.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx77"><label>van de Hulst(1981)</label><mixed-citation> van de Hulst, H. C.: Light Scattering by Small Particles, Dover Publications, New York, ISBN 978-0486642284, 1981.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx78"><label>Vanderbilt et al.(1985)Vanderbilt, Grant, and Daughtry</label><mixed-citation>Vanderbilt, V., Grant, L., and Daughtry, C.: Polarization of light scattered by vegetation, P. IEEE, 73, 1012–1024, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1109/PROC.1985.13232" ext-link-type="DOI">10.1109/PROC.1985.13232</ext-link>, 1985.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx79"><label>Várnai et al.(2013)Várnai, Marshak, and Yang</label><mixed-citation>Várnai, T., Marshak, A., and Yang, W.: Multi-satellite aerosol observations in the vicinity of clouds, Atmos. Chem. Phys., 13, 3899–3908, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5194/acp-13-3899-2013" ext-link-type="DOI">10.5194/acp-13-3899-2013</ext-link>, 2013.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx80"><label>Vaughan et al.(2023)Vaughan, Gebhard, Bott, Casewell, Cowan, Doelman, Kenworthy, Mazoyer, Millar-Blanchaer, Trees, Stam, Absil, Altinier, Baudoz, Belikov, Bidot, Birkby, Bonse, Brandl, Carlotti, Choquet, van Dam, Desai, Fogarty, Fowler, van Gorkom, Gutierrez, Guyon, Haffert, Herscovici-Schiller, Hours, Juanola-Parramon, Kleisioti, König, van Kooten, Krasteva, Laginja, Landman, Leboulleux, Mouillet, N'Diaye, Por, Pueyo, and Snik</label><mixed-citation>Vaughan, S. R., Gebhard, T. D., Bott, K., Casewell, S. L., Cowan, N. B., Doelman, D. S., Kenworthy, M., Mazoyer, J., Millar-Blanchaer, M. A., Trees, V. J. H., Stam, D. M., Absil, O., Altinier, L., Baudoz, P., Belikov, R., Bidot, A., Birkby, J. L., Bonse, M. J., Brandl, B., Carlotti, A., Choquet, E., van Dam, D., Desai, N., Fogarty, K., Fowler, J., van Gorkom, K., Gutierrez, Y., Guyon, O., Haffert, S. Y., Herscovici-Schiller, O., Hours, A., Juanola-Parramon, R., Kleisioti, E., König, L., van Kooten, M., Krasteva, M., Laginja, I., Landman, R., Leboulleux, L., Mouillet, D., N'Diaye, M., Por, E. H., Pueyo, L., and Snik, F.: Chasing rainbows and ocean glints: Inner working angle constraints for the Habitable Worlds Observatory, Mon. Not. R. Astron. Soc., 524, 5477–5485, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1093/mnras/stad2127" ext-link-type="DOI">10.1093/mnras/stad2127</ext-link>, 2023.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx81"><label>Veefkind et al.(2012)Veefkind, Aben, McMullan, Förster, de Vries, Otter, Claas, Eskes, de Haan, Kleipool, van Weele, Hasekamp, Hoogeveen, Landgraf, Snel, Tol, Ingmann, Voors, Kruizinga, Vink, Visser, and Levelt</label><mixed-citation>Veefkind, J. P., Aben, I., McMullan, K., Förster, H., de Vries, J., Otter, G., Claas, J., Eskes, H. J., de Haan, J. F., Kleipool, Q., van Weele, M., Hasekamp, O., Hoogeveen, R., Landgraf, J., Snel, R., Tol, P., Ingmann, P., Voors, R., Kruizinga, B., Vink, R., Visser, H., and Levelt, P. F.: TROPOMI on the ESA Sentinel-5 Precursor: A GMES mission for global observations of the atmospheric composition for climate, air quality and ozone layer applications, Remote Sens. Environ., 120, 70–83, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1016/j.rse.2011.09.027" ext-link-type="DOI">10.1016/j.rse.2011.09.027</ext-link>, 2012.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx82"><label>Wang et al.(2017)Wang, Cui, Yang, Gao, Liu, and Zhang</label><mixed-citation>Wang, Z., Cui, S., Yang, J., Gao, H., Liu, C., and Zhang, Z.: A novel hybrid scattering order-dependent variance reduction method for Monte Carlo simulations of radiative transfer in cloudy atmosphere, J. Quant. Spectrosc. Ra., 189, 283–302, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2016.12.002" ext-link-type="DOI">10.1016/j.jqsrt.2016.12.002</ext-link>, 2017.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx83"><label>Wang et al.(2019)Wang, Cui, Zhang, Yang, Gao, and Zhang</label><mixed-citation>Wang, Z., Cui, S., Zhang, Z., Yang, J., Gao, H., and Zhang, F.: Theoretical extension of universal forward and backward Monte Carlo radiative transfer modeling for passive and active polarization observation simulations, J. Quant. Spectrosc. Ra., 235, 81–94, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2019.06.025" ext-link-type="DOI">10.1016/j.jqsrt.2019.06.025</ext-link>, 2019.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx84"><label>Waquet et al.(2013)Waquet, Cornet, Deuzé, Dubovik, Ducos, Goloub, Herman, Lapyonok, Labonnote, Riedi, Tanré, Thieuleux, and Vanbauce</label><mixed-citation>Waquet, F., Cornet, C., Deuzé, J.-L., Dubovik, O., Ducos, F., Goloub, P., Herman, M., Lapyonok, T., Labonnote, L. C., Riedi, J., Tanré, D., Thieuleux, F., and Vanbauce, C.: Retrieval of aerosol microphysical and optical properties above liquid clouds from POLDER/PARASOL polarization measurements, Atmos. Meas. Tech., 6, 991–1016, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5194/amt-6-991-2013" ext-link-type="DOI">10.5194/amt-6-991-2013</ext-link>, 2013.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx85"><label>Wen et al.(2013)Wen, Marshak, Levy, Remer, Loeb, Várnai, and Cahalan</label><mixed-citation>Wen, G., Marshak, A., Levy, R. C., Remer, L. A., Loeb, N. G., Várnai, T., and Cahalan, R. F.: Improvement of MODIS aerosol retrievals near clouds, J. Geophys. Res.-Atmos., 118, 9168–9181, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1002/jgrd.50617" ext-link-type="DOI">10.1002/jgrd.50617</ext-link>, 2013.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx86"><label>Werdell et al.(2019)Werdell, Behrenfeld, Bontempi, Boss, Cairns, Davis, Franz, Gliese, Gorman, Hasekamp, Knobelspiesse, Mannino, Martins, McClain, Meister, and Remer</label><mixed-citation>Werdell, P. J., Behrenfeld, M. J., Bontempi, P. S., Boss, E., Cairns, B., Davis, G. T., Franz, B. A., Gliese, U. B., Gorman, E. T., Hasekamp, O., Knobelspiesse, K. D., Mannino, A., Martins, J. V., McClain, C. R., Meister, G., and Remer, L. A.: The Plankton, Aerosol, Cloud, Ocean Ecosystem Mission: Status, Science, Advances, B. Am. Meteorol. Soc., 100, 1775–1794, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1175/BAMS-D-18-0056.1" ext-link-type="DOI">10.1175/BAMS-D-18-0056.1</ext-link>, 2019.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx87"><label>Whitney(2011)</label><mixed-citation>Whitney, B. A.: Monte Carlo radiative transfer, in: Fluid Flows To Black Holes: A Tribute to S Chandrasekhar on His Birth Centenary, edited by: Saikia, D. J. and Trimble, V.,  151–176, World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1142/9789814374774_0011" ext-link-type="DOI">10.1142/9789814374774_0011</ext-link>, 2011. </mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx88"><label>Wilmouth and Sayres(2020)</label><mixed-citation>Wilmouth, D. M. and Sayres, D. S.: Determination of Rayleigh scattering cross sections and indices of refraction for Ar, CO2, SF6, and CH4 using BBCES in the ultraviolet, J. Quant. Spectrosc. Ra., 255, 107224, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2020.107224" ext-link-type="DOI">10.1016/j.jqsrt.2020.107224</ext-link>, 2020.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx89"><label>Wiltink et al.(2026)Wiltink, Trees, van Heerwaarden, and Meirink</label><mixed-citation>Wiltink, J. I., Trees, V. J. H., van Heerwaarden, C. C., and Meirink, J. F.: Errors in satellite-based global horizontal irradiance retrievals due to three-dimensional cloud-radiation interactions, Atmos. Chem. Phys., 26, 7207–7233, <ext-link xlink:href="https://doi.org/10.5194/acp-26-7207-2026" ext-link-type="DOI">10.5194/acp-26-7207-2026</ext-link>, 2026.</mixed-citation></ref>

  </ref-list></back>
    <!--<article-title-html>MONKI: a three-dimensional Monte Carlo simulator for transfer of polarised light in planetary atmospheres</article-title-html>
<abstract-html/>
<ref-html id="bib1.bib1"><label>Anderson et al.(1986)Anderson, Clough, Kneizys, Chetwynd, and
Shettle</label><mixed-citation>
      
Anderson, G. P., Clough, S. A., Kneizys, F. X., Chetwynd, J. H., and Shettle,
E. P.: AFGL Atmospheric Constituent Profiles (0–120&thinsp;km), AFGL-TR-86-0110,
Air Force Geophysics Laboratory, Hanscom Air Force Base, MA, Environmental
Research Papers, No. 954, ADA175173, 1986.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib2"><label>Bagnulo et al.(2024)Bagnulo, Belskaya, Cellino, Kwon,
Muñoz, and Stam</label><mixed-citation>
      
Bagnulo, S., Belskaya, I., Cellino, A., Kwon, Y. G., Muñoz, O.,
and Stam, D. M.: Polarimetry of Solar System minor bodies and planets:
Polarimetry of Solar System minor bodies and planets, Astron. Astrophys. Rev., 32, 7, <a href="https://doi.org/10.1007/s00159-024-00157-w" target="_blank">https://doi.org/10.1007/s00159-024-00157-w</a>, 2024.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib3"><label>Barker et al.(2003)Barker, Goldstein, and
Stevens</label><mixed-citation>
      
Barker, H. W., Goldstein, R. K., and Stevens, D. E.: Monte Carlo
Simulation of Solar Reflectances for Cloudy Atmospheres, J.
Atmos. Sci., 60, 1881–1894,
<a href="https://doi.org/10.1175/1520-0469(2003)060&lt;1881:MCSOSR&gt;2.0.CO;2" target="_blank">https://doi.org/10.1175/1520-0469(2003)060&lt;1881:MCSOSR&gt;2.0.CO;2</a>, 2003.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib4"><label>Barlakas et al.(2016)Barlakas, Macke, and
Wendisch</label><mixed-citation>
      
Barlakas, V., Macke, A., and Wendisch, M.: SPARTA – Solver for Polarized
Atmospheric Radiative Transfer Applications: Introduction and application to
Saharan dust fields, J. Quant. Spectrosc. Ra., 178, 77–92, <a href="https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2016.02.019" target="_blank">https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2016.02.019</a>, 2016.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib5"><label>Bartel and Hielscher(2000)</label><mixed-citation>
      
Bartel, S. and Hielscher, A. H.: Monte Carlo Simulations of the Diffuse
Backscattering Mueller Matrix for Highly Scattering Media, Appl. Optics,
39, 1580–1588, <a href="https://doi.org/10.1364/AO.39.001580" target="_blank">https://doi.org/10.1364/AO.39.001580</a>, 2000.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib6"><label>Bass and Paur(1985)</label><mixed-citation>
      
Bass, A. M. and Paur, R. J.: The ultraviolet cross-sections of ozone. I.
The measurements. II – Results and temperature dependence, in: Atmospheric
ozone; Proceedings of the Quadrennial, edited by: Zerefos, C. S. and
Ghazi, A.,  606–616, <a href="https://doi.org/10.1007/978-94-009-5313-0_120" target="_blank">https://doi.org/10.1007/978-94-009-5313-0_120</a>, 1985.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib7"><label>Bates(1984)</label><mixed-citation>
      
Bates, D. R.: Rayleigh scattering by air, Planet. Space Sci., 32,
785–790, <a href="https://doi.org/10.1016/0032-0633(84)90102-8" target="_blank">https://doi.org/10.1016/0032-0633(84)90102-8</a>, 1984.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib8"><label>Bodhaine et al.(1999)Bodhaine, Wood, Dutton, and
Slusser</label><mixed-citation>
      
Bodhaine, B. A., Wood, N. B., Dutton, E. G., and Slusser, J. R.: On
Rayleigh Optical Depth Calculations, J. Atmos. Ocean.
Tech., 16, 1854, <a href="https://doi.org/10.1175/1520-0426(1999)016&lt;1854:ORODC&gt;2.0.CO;2" target="_blank">https://doi.org/10.1175/1520-0426(1999)016&lt;1854:ORODC&gt;2.0.CO;2</a>,
1999.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib9"><label>Breon and Doutriaux-Boucher(2005)</label><mixed-citation>
      
Breon, F. M. and Doutriaux-Boucher, M.: A Comparison of Cloud Droplet
Radii Measured From Space, IEEE T. Geosci. Remote
Sens., 43, 1796–1805, <a href="https://doi.org/10.1109/TGRS.2005.852838" target="_blank">https://doi.org/10.1109/TGRS.2005.852838</a>, 2005.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib10"><label>Buras and Mayer(2011)</label><mixed-citation>
      
Buras, R. and Mayer, B.: Efficient unbiased variance reduction techniques
for Monte Carlo simulations of radiative transfer in cloudy atmospheres: The
solution, J. Quant. Spectrosc. Ra., 112,
434–447, <a href="https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2010.10.005" target="_blank">https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2010.10.005</a>, 2011.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib11"><label>Chandrasekhar(1960)</label><mixed-citation>
      
Chandrasekhar, S.: Radiative transfer, Dover Publications, New York, ISBN 978-0-486-60590-6, 1960.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib12"><label>Collins et al.(1972)Collins, Blättner, Wells, and
Horak</label><mixed-citation>
      
Collins, D. G., Blättner, W. G., Wells, M. B., and Horak, H. G.: Backward
Monte Carlo Calculations of the Polarization Characteristics of the Radiation
Emerging from Spherical-Shell Atmospheres, Appl. Optics, 11, 2684–2696,
<a href="https://doi.org/10.1364/AO.11.002684" target="_blank">https://doi.org/10.1364/AO.11.002684</a>, 1972.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib13"><label>Cornet et al.(2010)Cornet, C-Labonnote, and
Szczap</label><mixed-citation>
      
Cornet, C., C-Labonnote, L., and Szczap, F.: Three-dimensional polarized
Monte Carlo atmospheric radiative transfer model (3DMCPOL): 3D effects on
polarized visible reflectances of a cirrus cloud, J. Quant.
Spectrosc. Ra., 111, 174–186,
<a href="https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2009.06.013" target="_blank">https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2009.06.013</a>, 2010.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib14"><label>Cornet et al.(2018)Cornet, -Labonnote, Waquet, Szczap,
Deaconu, Parol, Vanbauce, Thieuleux, and Riédi</label><mixed-citation>
      
Cornet, C., C.-Labonnote, L., Waquet, F., Szczap, F., Deaconu, L., Parol, F., Vanbauce, C., Thieuleux, F., and Riédi, J.: Cloud heterogeneity on cloud and aerosol above cloud properties retrieved from simulated total and polarized reflectances, Atmos. Meas. Tech., 11, 3627–3643, <a href="https://doi.org/10.5194/amt-11-3627-2018" target="_blank">https://doi.org/10.5194/amt-11-3627-2018</a>, 2018.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib15"><label>de Haan et al.(1987)de Haan, Bosma, and
Hovenier</label><mixed-citation>
      
de Haan, J. F., Bosma, P. B., and Hovenier, J. W.: The adding method for
multiple scattering calculations of polarized light, Astron.
Astrophys., 183, 371–391, 1987.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib16"><label>de Rooij and van der Stap(1984)</label><mixed-citation>
      
de Rooij, W. A. and van der Stap, C. C. A. H.: Expansion of Mie scattering
matrices in generalized spherical functions, Astron. Astrophys.,
131, 237–248, 1984.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib17"><label>Deirmendjian(1969)</label><mixed-citation>
      
Deirmendjian, D.: Electromagnetic scattering on spherical polydispersions.,
American Elsevier Publishing Company, ISBN 0-444-00038-0, 1969.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib18"><label>Dekking et al.(2005)Dekking, Kraaikamp, Lopuhaa, and
Meester</label><mixed-citation>
      
Dekking, F., Kraaikamp, C., Lopuhaa, H., and Meester, L.: A modern introduction
to probability theory and statistics, Springer Londen, ISBN 1-85233-896-2,
<a href="https://doi.org/10.1007/1-84628-168-7" target="_blank">https://doi.org/10.1007/1-84628-168-7</a>, 2005.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib19"><label>Deschamps et al.(1994)Deschamps, Breon, Leroy, Podaire,
Bricaud, Buriez, and Seze</label><mixed-citation>
      
Deschamps, P. Y., Breon, F. M., Leroy, M., Podaire, A., Bricaud, A.,
Buriez, J. C., and Seze, G.: The POLDER mission: instrument
characteristics and scientific objectives, IEEE T. Geosci. Remote Sens., 32, 598–615, <a href="https://doi.org/10.1109/36.297978" target="_blank">https://doi.org/10.1109/36.297978</a>, 1994.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib20"><label>Deutschmann(2015)</label><mixed-citation>
      
Deutschmann, T.: On Modeling Elastic and Inelastic Polarized Radiation
Transport in the Earth Atmosphere with Monte Carlo Methods, Dissertation (Dr.
Rer. Nat.), Universität Leipzig, Leipzig, Germany,
<a href="http://www.tim-deutschmann.de/McArtim/documents/Dissertation.pdf" target="_blank"/>
(last access: 2 October 2026),
2015.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib21"><label>Deutschmann et al.(2011)</label><mixed-citation>
      
Deutschmann, T., Beirle, S., Frieß, U., Grzegorski, M., Kern, C.,
Kritten, L., Platt, U., Prados-Román, C.,
Puķı¯te, J., Wagner, T., Werner, B., and
Pfeilsticker, K.: The Monte Carlo atmospheric radiative transfer model
McArtim: Introduction and validation of Jacobians and 3D features, J. Quant. Spectrosc. Ra., 112, 1119–1137,
<a href="https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2010.12.009" target="_blank">https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2010.12.009</a>, 2011.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib22"><label>Emde and Mayer(2018)</label><mixed-citation>
      
Emde, C. and Mayer, B.: Errors induced by the neglect of polarization in
radiance calculations for three-dimensional cloudy atmospheres, J.
Quant. Spectrosc. Ra., 218, 151–160,
<a href="https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2018.07.001" target="_blank">https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2018.07.001</a>, 2018.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib23"><label>Emde et al.(2010)Emde, Buras, Mayer, and
Blumthaler</label><mixed-citation>
      
Emde, C., Buras, R., Mayer, B., and Blumthaler, M.: The impact of aerosols on polarized sky radiance: model development, validation, and applications, Atmos. Chem. Phys., 10, 383–396, <a href="https://doi.org/10.5194/acp-10-383-2010" target="_blank">https://doi.org/10.5194/acp-10-383-2010</a>, 2010.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib24"><label>Emde et al.(2018)Emde, Barlakas, Cornet, Evans, Wang,
Labonotte, Macke, Mayer, and Wendisch</label><mixed-citation>
      
Emde, C., Barlakas, V., Cornet, C., Evans, F., Wang, Z., Labonotte,
L. C., Macke, A., Mayer, B., and Wendisch, M.: IPRT polarized
radiative transfer model intercomparison project – Three-dimensional test
cases (phase B), J. Quant. Spectrosc. Ra., 209, 19–44, <a href="https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2018.01.024" target="_blank">https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2018.01.024</a>, 2018.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib25"><label>Evans(1998)</label><mixed-citation>
      
Evans, K. F.: The Spherical Harmonics Discrete Ordinate Method for
Three-Dimensional Atmospheric Radiative Transfer, J.
Atmos. Sci., 55, 429–446,
<a href="https://doi.org/10.1175/1520-0469(1998)055&lt;0429:TSHDOM&gt;2.0.CO;2" target="_blank">https://doi.org/10.1175/1520-0469(1998)055&lt;0429:TSHDOM&gt;2.0.CO;2</a>, 1998.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib26"><label>Fauchez et al.(2014)Fauchez, Cornet, Szczap, Dubuisson, and
Rosambert</label><mixed-citation>
      
Fauchez, T., Cornet, C., Szczap, F., Dubuisson, P., and Rosambert, T.: Impact of cirrus clouds heterogeneities on top-of-atmosphere thermal infrared radiation, Atmos. Chem. Phys., 14, 5599–5615, <a href="https://doi.org/10.5194/acp-14-5599-2014" target="_blank">https://doi.org/10.5194/acp-14-5599-2014</a>, 2014.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib27"><label>García Muñoz and Mills(2015)</label><mixed-citation>
      
García Muñoz, A. and Mills, F. P.: Pre-conditioned backward Monte
Carlo solutions to radiative transport in planetary atmospheres.
Fundamentals: Sampling of propagation directions in polarising media,
Astron. Astrophys., 573, A72, <a href="https://doi.org/10.1051/0004-6361/201424042" target="_blank">https://doi.org/10.1051/0004-6361/201424042</a>,
2015.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib28"><label>Gay et al.(2010)Gay, Vaillon, and Pınar
Mengüç</label><mixed-citation>
      
Gay, B., Vaillon, R., and Pınar Mengüç, M.: Polarization
imaging of multiply-scattered radiation based on integral-vector Monte Carlo
method, J. Quant. Spectrosc. Ra., 111,
287–294, 2010.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib29"><label>Ghail et al.(2021)Ghail, Ansan, Bovolo, Breuer, Campbell, and
Kiefer</label><mixed-citation>
      
Ghail, R., Ansan, V., Bovolo, F., Breuer, D., Campbell, B., and Kiefer, W.:
EnVision assessment study report – Understanding why Earth's closest
neighbour is so different (ESA/SCI(2021)1), European Space Agency,
<a href="https://sci.esa.int/web/cosmic-vision/-/envision-assessment-study-report-yellow-book" target="_blank"/> (last access: 2 October 2026),
2021.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib30"><label>Hale and Querry(1973)</label><mixed-citation>
      
Hale, G. M. and Querry, M. R.: Optical Constants of Water in the 200-nm to
200&thinsp;µm Wavelength Region, Appl. Optics, 12, 555–563,
<a href="https://doi.org/10.1364/AO.12.000555" target="_blank">https://doi.org/10.1364/AO.12.000555</a>, 1973.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib31"><label>Hansen and Hovenier(1974)</label><mixed-citation>
      
Hansen, J. E. and Hovenier, J. W.: Interpretation of the polarization of
Venus, J. Atmos. Sci., 31, 1137–1160,
<a href="https://doi.org/10.1175/1520-0469(1974)031&lt;1137:IOTPOV&gt;2.0.CO;2" target="_blank">https://doi.org/10.1175/1520-0469(1974)031&lt;1137:IOTPOV&gt;2.0.CO;2</a>, 1974.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib32"><label>Hansen and Travis(1974)</label><mixed-citation>
      
Hansen, J. E. and Travis, L. D.: Light scattering in planetary
atmospheres, Space Sci. Rev., 16, 527–610, <a href="https://doi.org/10.1007/BF00168069" target="_blank">https://doi.org/10.1007/BF00168069</a>,
1974.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib33"><label>Hasekamp(2010)</label><mixed-citation>
      
Hasekamp, O. P.: Capability of multi-viewing-angle photo-polarimetric measurements for the simultaneous retrieval of aerosol and cloud properties, Atmos. Meas. Tech., 3, 839–851, <a href="https://doi.org/10.5194/amt-3-839-2010" target="_blank">https://doi.org/10.5194/amt-3-839-2010</a>, 2010.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib34"><label>Hasekamp et al.(2019)Hasekamp, Fu, Rusli, Wu, Di Noia,
Brugh, Landgraf, Martijn Smit, Rietjens, and van
Amerongen</label><mixed-citation>
      
Hasekamp, O. P., Fu, G., Rusli, S. P., Wu, L., Di Noia, A., Brugh,
J. A. D., Landgraf, J., Martijn Smit, J., Rietjens, J., and van
Amerongen, A.: Aerosol measurements by SPEXone on the NASA PACE mission:
expected retrieval capabilities, J. Quant. Spectrosc.
Ra., 227, 170–184, <a href="https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2019.02.006" target="_blank">https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2019.02.006</a>, 2019.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib35"><label>Haus et al.(2015)Haus, Kappel, and Arnold</label><mixed-citation>
      
Haus, R., Kappel, D., and Arnold, G.: Radiative heating and cooling in
the middle and lower atmosphere of Venus and responses to atmospheric and
spectroscopic parameter variations, Planet. Space Sci., 117,
262–294, <a href="https://doi.org/10.1016/j.pss.2015.06.024" target="_blank">https://doi.org/10.1016/j.pss.2015.06.024</a>, 2015.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib36"><label>Hovenier and van der Mee(1983)</label><mixed-citation>
      
Hovenier, J. W. and van der Mee, C. V. M.: Fundamental relationships
relevant to the transfer of polarized light in a scattering atmosphere,
Astron. Astrophys.,
128, 1–16, 1983.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib37"><label>Hovenier et al.(2004)Hovenier, Van Der Mee, and
Domke</label><mixed-citation>
      
Hovenier, J. W., Van Der Mee, C., and Domke, H. (Eds.): Transfer of
polarized light in planetary atmospheres: basic concepts and practical
methods, Vol. 318, Astrophysics and Space Science Library,
<a href="https://doi.org/10.1007/978-1-4020-2856-4" target="_blank">https://doi.org/10.1007/978-1-4020-2856-4</a>, 2004.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib38"><label>Karalidi et al.(2011)Karalidi, Stam, and
Hovenier</label><mixed-citation>
      
Karalidi, T., Stam, D. M., and Hovenier, J. W.: Flux and polarisation
spectra of water clouds on exoplanets, Astron. Astrophys., 530, A69,
<a href="https://doi.org/10.1051/0004-6361/201116449" target="_blank">https://doi.org/10.1051/0004-6361/201116449</a>, 2011.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib39"><label>Kemp et al.(1987)Kemp, Henson, Steiner, Beardsley, and
Powell</label><mixed-citation>
      
Kemp, J., Henson, G., Steiner, C., Beardsley, I., and Powell, E.: The optical
polarization of the Sun, measured at a sensitivity of parts in ten million,
Nature, 328, <a href="https://doi.org/10.1038/328092a0" target="_blank">https://doi.org/10.1038/328092a0</a>, 1987.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib40"><label>Kroese et al.(2011)Kroese, Taimre, and Botev</label><mixed-citation>
      
Kroese, D. P., Taimre, T., and Botev, Z. I.: Handbook of Monte Carlo Methods,
Wiley Series in Probability and Statistics, John Wiley &amp; Sons, ISBN
978-0-470-17793-8, <a href="https://doi.org/10.1002/9781118014967" target="_blank">https://doi.org/10.1002/9781118014967</a>, 2011.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib41"><label>Liou(2002)</label><mixed-citation>
      
Liou, K. N.: An Introduction to Atmospheric Radiation, Academic Press, San
Diego, CA, 2nd edn., ISBN 9780124514515, 2002.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib42"><label>Marbach et al.(2015)Marbach, Riedi, Lacan, and
Schlüssel</label><mixed-citation>
      
Marbach, T., Riedi, J., Lacan, A., and Schlüssel, P.: The 3MI
mission: multi-viewing-channel-polarisation imager of the EUMETSAT polar
system: second generation (EPS-SG) dedicated to aerosol and cloud
monitoring, in: Polarization Science and Remote Sensing VII, edited by:
Shaw, J. A. and LeMaster, D. A., Vol. 9613, Society of
Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE) Conference Series, 961310,
<a href="https://doi.org/10.1117/12.2186978" target="_blank">https://doi.org/10.1117/12.2186978</a>, 2015.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib43"><label>Marchand and Ackerman(2004)</label><mixed-citation>
      
Marchand, R. and Ackerman, T.: Evaluation of radiometric measurements from
the NASA Multiangle Imaging Spectroradiometer (MISR): Two- and
three-dimensional radiative transfer modeling of an inhomogeneous
stratocumulus cloud deck, J. Geophys. Res.-Atmos.,
109, D18208, <a href="https://doi.org/10.1029/2004JD004710" target="_blank">https://doi.org/10.1029/2004JD004710</a>, 2004.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib44"><label>Marchuk et al.(1980)Marchuk, Mikhailov, Nazaraliev, Darbinjan,
Kargin, and Elepov</label><mixed-citation>
      
Marchuk, G. I., Mikhailov, G. A., Nazaraliev, M. A., Darbinjan, R. A., Kargin,
B. A., and Elepov, B. S.: The Monte Carlo Methods in Atmospheric Optics,
Vol. 12, Springer Series in Optical Sciences, Springer-Verlag,
Berlin, Heidelberg, ISBN 978-3-662-13503-7, <a href="https://doi.org/10.1007/978-3-540-35237-2" target="_blank">https://doi.org/10.1007/978-3-540-35237-2</a>,
1980.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib45"><label>Marshak and Davis(2005)</label><mixed-citation>
      
Marshak, A. and Davis, A. (Eds.): 3D Radiative Transfer in Cloudy Atmospheres,
Physics of Earth and Space Environments, Springer, Berlin, Heidelberg, ISBN
978-3-540-23958-1, <a href="https://doi.org/10.1007/3-540-28519-9" target="_blank">https://doi.org/10.1007/3-540-28519-9</a>, 2005.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib46"><label>Marshak et al.(2006)Marshak, Platnick, Várnai, Wen, and
Cahalan</label><mixed-citation>
      
Marshak, A., Platnick, S., Várnai, T., Wen, G., and Cahalan,
R. F.: Impact of three-dimensional radiative effects on satellite retrievals
of cloud droplet sizes, J. Geophys. Res.-Atmos., 111,
D09207, <a href="https://doi.org/10.1029/2005JD006686" target="_blank">https://doi.org/10.1029/2005JD006686</a>, 2006.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib47"><label>Mayer(2009)</label><mixed-citation>
      
Mayer, B.: Radiative transfer in the cloudy atmosphere, in: European
Physical Journal Web of Conferences, Vol. 1, European Physical
Journal Web of Conferences, 75, <a href="https://doi.org/10.1140/epjconf/e2009-00912-1" target="_blank">https://doi.org/10.1140/epjconf/e2009-00912-1</a>,
2009.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib48"><label>McBride et al.(2024)McBride, Sienkiewicz, Xu, Puthukkudy,
Fernandez-Borda, and Martins</label><mixed-citation>
      
McBride, B. A., Sienkiewicz, N., Xu, X., Puthukkudy, A.,
Fernandez-Borda, R., and Martins, J. V.: In-flight characterization of
the Hyper-Angular Rainbow Polarimeter (HARP2) on the NASA PACE mission, in:
Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE) Conference Series,
edited by: Babu, S. R., Hélière, A., and Kimura, T., Vol. 13192, Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE) Conference
Series,  131920H, <a href="https://doi.org/10.1117/12.3033680" target="_blank">https://doi.org/10.1117/12.3033680</a>, 2024.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib49"><label>Mishchenko and Travis(1997)</label><mixed-citation>
      
Mishchenko, M. I. and Travis, L. D.: Satellite retrieval of aerosol
properties over the ocean using polarization as well as intensity of
reflected sunlight, J. Geophys. Res., 102, 16989–17013,
<a href="https://doi.org/10.1029/96JD02425" target="_blank">https://doi.org/10.1029/96JD02425</a>, 1997.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib50"><label>Mishchenko et al.(1994)Mishchenko, Lacis, and
Travis</label><mixed-citation>
      
Mishchenko, M. I., Lacis, A. A., and Travis, L. D.: Errors induced by
the neglect of polarization in radiance calculations for Rayleigh-scattering
atmospheres, J. Quant. Spectrosc. Ra.,
51, 491–510, <a href="https://doi.org/10.1016/0022-4073(94)90149-X" target="_blank">https://doi.org/10.1016/0022-4073(94)90149-X</a>, 1994.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib51"><label>Moroz(1981)</label><mixed-citation>
      
Moroz, V. I.: The Atmosphere of Venus, Space Sci. Rev., 29, 3–127,
<a href="https://doi.org/10.1007/BF00177144" target="_blank">https://doi.org/10.1007/BF00177144</a>, 1981.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib52"><label>Natraj and Hovenier(2012)</label><mixed-citation>
      
Natraj, V. and Hovenier, J. W.: Polarized Light Reflected and Transmitted
by Thick Rayleigh Scattering Atmospheres, Astrophys. J., 748,
28, <a href="https://doi.org/10.1088/0004-637X/748/1/28" target="_blank">https://doi.org/10.1088/0004-637X/748/1/28</a>, 2012.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib53"><label>Natraj et al.(2009)Natraj, Li, and Yung</label><mixed-citation>
      
Natraj, V., Li, K.-F., and Yung, Y. L.: Rayleigh Scattering in Planetary
Atmospheres: Corrected Tables Through Accurate Computation of X and Y
Functions,  Astrophys. J., 691, 1909–1920,
<a href="https://doi.org/10.1088/0004-637X/691/2/1909" target="_blank">https://doi.org/10.1088/0004-637X/691/2/1909</a>, 2009.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib54"><label>Neefs et al.(2025)Neefs, Vandaele, De Cock, Erwin,
Robert, Thomas, Berkenbosch, Jacobs, Bogaert, Beeckman,
Brassine, Messios, De Donder, Bolsée, Pereira, Tackley,
Gerya, Kögl, Kögl, Gröbelbauer, Wirz, Székely,
Eaton, Roibás-Millán, Torralbo, Rubio-Arnaldo, Alvarez,
Navajas Ortega, De Vos, Sørensen, Moelans, Algoedt, Blau,
Stam, Renotte, Klinkenberg, Borguet, Thomas, Vervaeke,
Thienpont, Castro, and Jimenez</label><mixed-citation>
      
Neefs, E., Vandaele, A. C., De Cock, R., Erwin, J., Robert, S.,
Thomas, I. R., Berkenbosch, S., Jacobs, L., Bogaert, P., Beeckman,
B., Brassine, A., Messios, N., De Donder, E., Bolsée, D.,
Pereira, N., Tackley, P., Gerya, T., Kögl, S., Kögl, P.,
Gröbelbauer, H. P., Wirz, F., Székely, G., Eaton, N.,
Roibás-Millán, E., Torralbo, I., Rubio-Arnaldo, H., Alvarez,
J. M., Navajas Ortega, D., De Vos, L., Sørensen, R., Moelans, W.,
Algoedt, A., Blau, M., Stam, D., Renotte, E., Klinkenberg, P.,
Borguet, B., Thomas, S., Vervaeke, M., Thienpont, H., Castro,
J. M., and Jimenez, J.: VenSpec-H spectrometer on the ESA EnVision
mission: Design, modeling, analysis, Acta Astronaut., 226, 178–201,
<a href="https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2024.10.018" target="_blank">https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2024.10.018</a>, 2025.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib55"><label>Palmer and Williams(1975)</label><mixed-citation>
      
Palmer, K. F. and Williams, D.: Optical constants of sulfuric acid;
application to the clouds of Venus?, Appl. Optics, 14, 208–219,
<a href="https://doi.org/10.1364/AO.14.000208" target="_blank">https://doi.org/10.1364/AO.14.000208</a>, 1975.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib56"><label>Peck and Reeder(1972)</label><mixed-citation>
      
Peck, E. R. and Reeder, K.: Dispersion of Air*, J. Opt.
Soc. Am., 62, 958, <a href="https://doi.org/10.1364/JOSA.62.000958" target="_blank">https://doi.org/10.1364/JOSA.62.000958</a>, 1972.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib57"><label>Ramon et al.(2019)Ramon, Steinmetz, Jolivet, Compiègne,
and Frouin</label><mixed-citation>
      
Ramon, D., Steinmetz, F., Jolivet, D., Compiègne, M., and Frouin,
R.: Modeling polarized radiative transfer in the ocean-atmosphere system
with the GPU-accelerated SMART-G Monte Carlo code, J. Quant.
Spectrosc. Ra., 222, 89–107,
<a href="https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2018.10.017" target="_blank">https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2018.10.017</a>, 2019.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib58"><label>Rice(2007)</label><mixed-citation>
      
Rice, J. A.: Mathematical Statistics and Data Analysis, Cengage Learning,
Belmont, CA, 3rd Edn., ISBN 978-0-534-39942-9, 2007.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib59"><label>Rossi et al.(2022)Rossi, Berzosa-Molina, Desert, Fossati,
García Muñoz, Haswell, Kabath, Kislyakova, Stam, and
Vidotto</label><mixed-citation>
      
Rossi, L., Berzosa-Molina, J., Desert, J. M., Fossati, L., García
Muñoz, A., Haswell, C., Kabath, P., Kislyakova, K., Stam, D.,
and Vidotto, A.: Spectropolarimetry as a tool for understanding the
diversity of planetary atmospheres, Exp. Astron., 54, 1187–1196,
<a href="https://doi.org/10.1007/s10686-021-09813-w" target="_blank">https://doi.org/10.1007/s10686-021-09813-w</a>, 2022.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib60"><label>Seiff et al.(1985)Seiff, Schofield, Kliore, Taylor,
Limaye, Revercomb, Sromovsky, Kerzhanovich, Moroz, and
Marov</label><mixed-citation>
      
Seiff, A., Schofield, J. T., Kliore, A. J., Taylor, F. W., Limaye,
S. S., Revercomb, H. E., Sromovsky, L. A., Kerzhanovich, V. V.,
Moroz, V. I., and Marov, M. Y.: Models of the structure of the
atmosphere of Venus from the surface to 100 kilometers altitude, Adv.
Space Res., 5, 3–58, <a href="https://doi.org/10.1016/0273-1177(85)90197-8" target="_blank">https://doi.org/10.1016/0273-1177(85)90197-8</a>, 1985.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib61"><label>Sneep and Ubachs(2005)</label><mixed-citation>
      
Sneep, M. and Ubachs, W.: Direct measurement of the Rayleigh scattering
cross section in various gases, J. Quant. Spectrosc.
Ra., 92, 293–310, <a href="https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2004.07.025" target="_blank">https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2004.07.025</a>, 2005.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib62"><label>Spada et al.(2006)Spada, Krol, and Stammes</label><mixed-citation>
      
Spada, F., Krol, M. C., and Stammes, P.: McSCIA: application of the Equivalence Theorem in a Monte Carlo radiative transfer model for spherical shell atmospheres, Atmos. Chem. Phys., 6, 4823–4842, <a href="https://doi.org/10.5194/acp-6-4823-2006" target="_blank">https://doi.org/10.5194/acp-6-4823-2006</a>, 2006.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib63"><label>Spilling and Thales(2021)</label><mixed-citation>
      
Spilling, D. and Thales, A.: The Multi Angle Polarimeter (MAP) on board
ESA's Copernicus Carbon Dioxide Monitoring mission (CO2M), in:
International Conference on Space Optics – ICSO 2020, edited by: Cugny, B.,
Sodnik, Z., and Karafolas, N., Vol. 11852,  118520R, International Society
for Optics and Photonics, SPIE, <a href="https://doi.org/10.1117/12.2599174" target="_blank">https://doi.org/10.1117/12.2599174</a>, 2021.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib64"><label>Stam(2008)</label><mixed-citation>
      
Stam, D. M.: Spectropolarimetric signatures of Earth-like extrasolar
planets, Astron. Astrophys., 482, 989–1007,
<a href="https://doi.org/10.1051/0004-6361:20078358" target="_blank">https://doi.org/10.1051/0004-6361:20078358</a>, 2008.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib65"><label>Stam and Hovenier(2005)</label><mixed-citation>
      
Stam, D. M. and Hovenier, J. W.: Errors in calculated planetary phase
functions and albedos due to neglecting polarization, Astron.
Astrophys., 444, 275–286, <a href="https://doi.org/10.1051/0004-6361:20053698" target="_blank">https://doi.org/10.1051/0004-6361:20053698</a>, 2005.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib66"><label>Stam et al.(2000)Stam, de Haan, Hovenier, and
Stammes</label><mixed-citation>
      
Stam, D. M., de Haan, J. F., Hovenier, J. W., and Stammes, P.: A fast
method for simulating observations of polarized light emerging from the
atmosphere applied to the oxygen-A band, J. Quant.
Spectrosc. Ra., 64, 131–149,
<a href="https://doi.org/10.1016/S0022-4073(99)00009-6" target="_blank">https://doi.org/10.1016/S0022-4073(99)00009-6</a>, 2000.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib67"><label>Stammes(2001)</label><mixed-citation>
      
Stammes, P.: Spectral radiance modelling in the UV-visible range, IRS 2000:
Current Problems in Atmospheric Radiation, edited by: Smith, W. L. and
Timofeyev, Y. M., A. Deepak Publishing, Hampton, Virginia, 385–388, ISBN 978-0-937194-43-0, 2001.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib68"><label>Stap et al.(2016a)Stap, Hasekamp, Emde, and
Röckmann</label><mixed-citation>
      
Stap, F. A., Hasekamp, O. P., Emde, C., and Röckmann, T.:
Influence of 3D effects on 1D aerosol retrievals in synthetic, partially
clouded scenes, J. Quant. Spectrosc. Ra.,
170, 54–68, <a href="https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2015.10.008" target="_blank">https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2015.10.008</a>, 2016a.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib69"><label>Stap et al.(2016b)Stap, Hasekamp, Emde, and
Röckmann</label><mixed-citation>
      
Stap, F. A., Hasekamp, O. P., Emde, C., and Röckmann, T.:
Multiangle photopolarimetric aerosol retrievals in the vicinity of clouds:
Synthetic study based on a large eddy simulation, J. Geophys.
Res.-Atmos., 121, 12914–12935, <a href="https://doi.org/10.1002/2016JD024787" target="_blank">https://doi.org/10.1002/2016JD024787</a>,
2016b.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib70"><label>Stevens et al.(1999)Stevens, Moeng, and
Sullivan</label><mixed-citation>
      
Stevens, B., Moeng, C.-H., and Sullivan, P. P.: Large-Eddy Simulations
of Radiatively Driven Convection: Sensitivities to the Representation of
Small Scales, J. Atmos. Sci., 56, 3963–3984,
<a href="https://doi.org/10.1175/1520-0469(1999)056&lt;3963:LESORD&gt;2.0.CO;2" target="_blank">https://doi.org/10.1175/1520-0469(1999)056&lt;3963:LESORD&gt;2.0.CO;2</a>, 1999.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib71"><label>Trees(2026)</label><mixed-citation>
      
Trees, V.: MONKI (Monte Carlo KNMI), Zenodo [code, data set], <a href="https://doi.org/10.5281/zenodo.22737661" target="_blank">https://doi.org/10.5281/zenodo.22737661</a>, 2026.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib72"><label>Trees and Stam(2019)</label><mixed-citation>
      
Trees, V. J. H. and Stam, D. M.: Blue, white, and red ocean planets.
Simulations of orbital variations in flux and polarization colors, Astron. Astrophys., 626, A129, <a href="https://doi.org/10.1051/0004-6361/201935399" target="_blank">https://doi.org/10.1051/0004-6361/201935399</a>, 2019.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib73"><label>Trees and Stam(2022)</label><mixed-citation>
      
Trees, V. J. H. and Stam, D. M.: Ocean signatures in the total flux and
polarization spectra of Earth-like exoplanets, Astron. Astrophys.,
664, A172, <a href="https://doi.org/10.1051/0004-6361/202243591" target="_blank">https://doi.org/10.1051/0004-6361/202243591</a>, 2022.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib74"><label>Trees et al.(2022)Trees, Wang, Stammes, Tilstra, Donovan, and
Siebesma</label><mixed-citation>
      
Trees, V. J. H., Wang, P., Stammes, P., Tilstra, L. G., Donovan, D. P., and Siebesma, A. P.: DARCLOS: a cloud shadow detection algorithm for TROPOMI, Atmos. Meas. Tech., 15, 3121–3140, <a href="https://doi.org/10.5194/amt-15-3121-2022" target="_blank">https://doi.org/10.5194/amt-15-3121-2022</a>, 2022.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib75"><label>Trees et al.(2025)Trees, Wang, Stammes, Tilstra, Donovan, and
Siebesma</label><mixed-citation>
      
Trees, V. J. H., Wang, P., Stammes, P., Tilstra, L. G., Donovan, D. P., and Siebesma, A. P.: Cancellation of cloud shadow effects in the absorbing aerosol index retrieval algorithm of TROPOMI, Atmos. Meas. Tech., 18, 73–91, <a href="https://doi.org/10.5194/amt-18-73-2025" target="_blank">https://doi.org/10.5194/amt-18-73-2025</a>, 2025.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib76"><label>van Amerongen et al.(2019)van Amerongen, Rietjens, Campo,
Dogan, Dingjan, Nalla, Caron, and
Hasekamp</label><mixed-citation>
      
van Amerongen, A., Rietjens, J., Campo, J., Dogan, E., Dingjan, J.,
Nalla, R., Caron, J., and Hasekamp, O.: SPEXone: a compact multi-angle
polarimeter, in: International Conference on Space Optics – ICSO
2018, edited by: Sodnik, Z., Karafolas, N., and Cugny, B., Vol. 11180, Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE) Conference
Series, 111800L, <a href="https://doi.org/10.1117/12.2535940" target="_blank">https://doi.org/10.1117/12.2535940</a>, 2019.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib77"><label>van de Hulst(1981)</label><mixed-citation>
      
van de Hulst, H. C.: Light Scattering by Small Particles, Dover Publications,
New York, ISBN 978-0486642284, 1981.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib78"><label>Vanderbilt et al.(1985)Vanderbilt, Grant, and
Daughtry</label><mixed-citation>
      
Vanderbilt, V., Grant, L., and Daughtry, C.: Polarization of light scattered by
vegetation, P. IEEE, 73, 1012–1024,
<a href="https://doi.org/10.1109/PROC.1985.13232" target="_blank">https://doi.org/10.1109/PROC.1985.13232</a>, 1985.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib79"><label>Várnai et al.(2013)Várnai, Marshak, and
Yang</label><mixed-citation>
      
Várnai, T., Marshak, A., and Yang, W.: Multi-satellite aerosol observations in the vicinity of clouds, Atmos. Chem. Phys., 13, 3899–3908, <a href="https://doi.org/10.5194/acp-13-3899-2013" target="_blank">https://doi.org/10.5194/acp-13-3899-2013</a>, 2013.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib80"><label>Vaughan et al.(2023)Vaughan, Gebhard, Bott, Casewell,
Cowan, Doelman, Kenworthy, Mazoyer, Millar-Blanchaer, Trees,
Stam, Absil, Altinier, Baudoz, Belikov, Bidot, Birkby, Bonse,
Brandl, Carlotti, Choquet, van Dam, Desai, Fogarty, Fowler,
van Gorkom, Gutierrez, Guyon, Haffert, Herscovici-Schiller,
Hours, Juanola-Parramon, Kleisioti, König, van Kooten,
Krasteva, Laginja, Landman, Leboulleux, Mouillet, N'Diaye, Por,
Pueyo, and Snik</label><mixed-citation>
      
Vaughan, S. R., Gebhard, T. D., Bott, K., Casewell, S. L., Cowan,
N. B., Doelman, D. S., Kenworthy, M., Mazoyer, J., Millar-Blanchaer,
M. A., Trees, V. J. H., Stam, D. M., Absil, O., Altinier, L.,
Baudoz, P., Belikov, R., Bidot, A., Birkby, J. L., Bonse, M. J.,
Brandl, B., Carlotti, A., Choquet, E., van Dam, D., Desai, N.,
Fogarty, K., Fowler, J., van Gorkom, K., Gutierrez, Y., Guyon, O.,
Haffert, S. Y., Herscovici-Schiller, O., Hours, A., Juanola-Parramon,
R., Kleisioti, E., König, L., van Kooten, M., Krasteva, M.,
Laginja, I., Landman, R., Leboulleux, L., Mouillet, D., N'Diaye,
M., Por, E. H., Pueyo, L., and Snik, F.: Chasing rainbows and ocean
glints: Inner working angle constraints for the Habitable Worlds
Observatory, Mon. Not. R. Astron. Soc., 524,
5477–5485, <a href="https://doi.org/10.1093/mnras/stad2127" target="_blank">https://doi.org/10.1093/mnras/stad2127</a>, 2023.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib81"><label>Veefkind et al.(2012)Veefkind, Aben, McMullan, Förster,
de Vries, Otter, Claas, Eskes, de Haan, Kleipool, van Weele,
Hasekamp, Hoogeveen, Landgraf, Snel, Tol, Ingmann, Voors,
Kruizinga, Vink, Visser, and Levelt</label><mixed-citation>
      
Veefkind, J. P., Aben, I., McMullan, K., Förster, H., de Vries,
J., Otter, G., Claas, J., Eskes, H. J., de Haan, J. F., Kleipool,
Q., van Weele, M., Hasekamp, O., Hoogeveen, R., Landgraf, J., Snel,
R., Tol, P., Ingmann, P., Voors, R., Kruizinga, B., Vink, R.,
Visser, H., and Levelt, P. F.: TROPOMI on the ESA Sentinel-5 Precursor:
A GMES mission for global observations of the atmospheric composition for
climate, air quality and ozone layer applications, Remote Sens.
Environ., 120, 70–83, <a href="https://doi.org/10.1016/j.rse.2011.09.027" target="_blank">https://doi.org/10.1016/j.rse.2011.09.027</a>, 2012.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib82"><label>Wang et al.(2017)Wang, Cui, Yang, Gao, Liu, and
Zhang</label><mixed-citation>
      
Wang, Z., Cui, S., Yang, J., Gao, H., Liu, C., and Zhang, Z.: A
novel hybrid scattering order-dependent variance reduction method for Monte
Carlo simulations of radiative transfer in cloudy atmosphere, J.
Quant. Spectrosc. Ra., 189, 283–302,
<a href="https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2016.12.002" target="_blank">https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2016.12.002</a>, 2017.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib83"><label>Wang et al.(2019)Wang, Cui, Zhang, Yang, Gao, and
Zhang</label><mixed-citation>
      
Wang, Z., Cui, S., Zhang, Z., Yang, J., Gao, H., and Zhang, F.:
Theoretical extension of universal forward and backward Monte Carlo
radiative transfer modeling for passive and active polarization observation
simulations, J. Quant. Spectrosc. Ra.,
235, 81–94, <a href="https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2019.06.025" target="_blank">https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2019.06.025</a>, 2019.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib84"><label>Waquet et al.(2013)Waquet, Cornet, Deuzé, Dubovik,
Ducos, Goloub, Herman, Lapyonok, Labonnote, Riedi, Tanré,
Thieuleux, and Vanbauce</label><mixed-citation>
      
Waquet, F., Cornet, C., Deuzé, J.-L., Dubovik, O., Ducos, F., Goloub, P., Herman, M., Lapyonok, T., Labonnote, L. C., Riedi, J., Tanré, D., Thieuleux, F., and Vanbauce, C.: Retrieval of aerosol microphysical and optical properties above liquid clouds from POLDER/PARASOL polarization measurements, Atmos. Meas. Tech., 6, 991–1016, <a href="https://doi.org/10.5194/amt-6-991-2013" target="_blank">https://doi.org/10.5194/amt-6-991-2013</a>, 2013.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib85"><label>Wen et al.(2013)Wen, Marshak, Levy, Remer, Loeb,
Várnai, and Cahalan</label><mixed-citation>
      
Wen, G., Marshak, A., Levy, R. C., Remer, L. A., Loeb, N. G.,
Várnai, T., and Cahalan, R. F.: Improvement of MODIS aerosol
retrievals near clouds, J. Geophys. Res.-Atmos., 118,
9168–9181, <a href="https://doi.org/10.1002/jgrd.50617" target="_blank">https://doi.org/10.1002/jgrd.50617</a>, 2013.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib86"><label>Werdell et al.(2019)Werdell, Behrenfeld, Bontempi, Boss,
Cairns, Davis, Franz, Gliese, Gorman, Hasekamp, Knobelspiesse,
Mannino, Martins, McClain, Meister, and Remer</label><mixed-citation>
      
Werdell, P. J., Behrenfeld, M. J., Bontempi, P. S., Boss, E., Cairns,
B., Davis, G. T., Franz, B. A., Gliese, U. B., Gorman, E. T.,
Hasekamp, O., Knobelspiesse, K. D., Mannino, A., Martins, J. V.,
McClain, C. R., Meister, G., and Remer, L. A.: The Plankton, Aerosol,
Cloud, Ocean Ecosystem Mission: Status, Science, Advances, B.
Am. Meteorol. Soc., 100, 1775–1794,
<a href="https://doi.org/10.1175/BAMS-D-18-0056.1" target="_blank">https://doi.org/10.1175/BAMS-D-18-0056.1</a>, 2019.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib87"><label>Whitney(2011)</label><mixed-citation>
      
Whitney, B. A.: Monte Carlo radiative transfer, in: Fluid Flows To Black
Holes: A Tribute to S Chandrasekhar on His Birth Centenary, edited by:
Saikia, D. J. and Trimble, V.,  151–176, World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd,
<a href="https://doi.org/10.1142/9789814374774_0011" target="_blank">https://doi.org/10.1142/9789814374774_0011</a>, 2011.


    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib88"><label>Wilmouth and Sayres(2020)</label><mixed-citation>
      
Wilmouth, D. M. and Sayres, D. S.: Determination of Rayleigh scattering cross
sections and indices of refraction for Ar, CO2, SF6, and CH4 using BBCES in
the ultraviolet, J. Quant. Spectrosc. Ra.,
255, 107224, <a href="https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2020.107224" target="_blank">https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2020.107224</a>, 2020.

    </mixed-citation></ref-html>
<ref-html id="bib1.bib89"><label>Wiltink et al.(2026)Wiltink, Trees, van Heerwaarden, and
Meirink</label><mixed-citation>
      
Wiltink, J. I., Trees, V. J. H., van Heerwaarden, C. C., and Meirink, J. F.: Errors in satellite-based global horizontal irradiance retrievals due to three-dimensional cloud-radiation interactions, Atmos. Chem. Phys., 26, 7207–7233, <a href="https://doi.org/10.5194/acp-26-7207-2026" target="_blank">https://doi.org/10.5194/acp-26-7207-2026</a>, 2026.

    </mixed-citation></ref-html>--></article>
