Beobachtung des Hydroxyl (OH*)-Airglow: Untersuchung von Klimasignalen und atmosphärischen Wellen

Observation of the Hydroxyl (OH*)-Airglow: Analysis of Climate Signals and Atmospheric Waves

  • Die obere Mesosphäre ist die Atmosphärenschicht, die von etwa 80-100 km Höhe reicht. Aufgrund der geringen Luftdichte – sie ist fünf bis sechs Größenordnungen geringer als an der Erdoberfläche – und der effektiven Abstrahlung von Wärme in den Weltraum („Strahlungskühlung“) wird generell angenommen, dass Klimasignale in diesem Höhenbereich sehr viel ausgeprägter sein sollten als in den unteren Atmosphärenschichten. Es wird daher erwartet, dass Beobachtungen in dieser Region der Atmosphäre eine frühzeitige Erkennung von Klimatrends mit guter statDie obere Mesosphäre ist die Atmosphärenschicht, die von etwa 80-100 km Höhe reicht. Aufgrund der geringen Luftdichte – sie ist fünf bis sechs Größenordnungen geringer als an der Erdoberfläche – und der effektiven Abstrahlung von Wärme in den Weltraum („Strahlungskühlung“) wird generell angenommen, dass Klimasignale in diesem Höhenbereich sehr viel ausgeprägter sein sollten als in den unteren Atmosphärenschichten. Es wird daher erwartet, dass Beobachtungen in dieser Region der Atmosphäre eine frühzeitige Erkennung von Klimatrends mit guter statistischer Signifikanz erlauben sollten. Daten, die von diesen Messungen bereitgestellt werden, sind wichtig für die Weiterentwicklung und Verbesserung numerischer Klimamodelle, die die mittlere Atmosphäre abdecken. Dieser Höhenbereich der Atmosphäre ist messtechnisch jedoch nur schwer zugänglich. Die Dichte der Messnetze ist keinesfalls vergleichbar mit denen für die Beobachtung etwa der Stratosphäre oder der Troposphäre; Routinemessungen gibt es kaum. Direkte Messungen werden mit raketengestützten Instrumenten, indirekte Messungen über satellitengestützte und bodengebundene Techniken, wie z.B. Lidar, Radar und Spektroskopie, vorgenommen. Die vorliegende Arbeit basiert auf Daten des „GRound-based Infrared P-branch Spectrometer (GRIPS)“, das Infrarot-Emissionen aus der sogenannten OH*-Airglow-Schicht misst, aus denen die Temperatur in ~87 km Höhe abgeleitet werden kann. Neben anthropogenen Einflüssen auf das Klima gibt es natürliche Effekte, die Temperaturschwankungen in der oberen Mesosphäre verursachen können. Für die Interpretation experimenteller Daten ist das Verständnis dieser natürlichen Quellen der Variabilität wichtig. Daher wird mithilfe einer 25-jährigen Zeitreihe der über Wuppertal (51,3°N, 7,2°O) gemessenen OH*-Temperaturen die potentielle Wechselwirkung der Dynamik der oberen Mesosphäre mit der Sonnenaktivität untersucht. Eine Korrelation der Aktivität planetarer Wellen mit dem solaren Magnetfeld (22-jähriger solarer Hale-Zyklus) konnte festgestellt werden. Als möglicher physikalischer Mechanismus wird vorgeschlagen, dass der Ringstrom im Erdinnern und damit das interne Magnetfeld der Erde durch das solare Magnetfeld moduliert wird, was wiederum zu Modulationen des totalen Magnetfeldes im Erdinnern über die Kopplung elektromagnetischer Drehmomente zwischen dem Erdkern und dem Erdmantel führt. Als Folge sollte die Rotationsperiode der Erde – und damit die Aktivität planetarer Wellen – durch die solare Magnetfeldstärke moduliert sein. Der Aktivität planetarer Wellen ist zudem eine quasi-zweijährige Schwingung überlagert. Zumeist ist die Wellenaktivität verstärkt, wenn sich die Windrichtung des mittleren zonalen Windes der äquatorialen Quasi-Biennalen Oszillation (QBO) von einem Westwind zu einem Ostwind umkehrt. Darüber hinaus konnte festgestellt werden, dass die unregelmäßige Verteilung der Sonnenflecken auf der Sonnenscheibe aufgrund der Rotation der Sonne zu Fluktuationen der OH*-Temperatur führt. Häufig beobachtet werden ausgeprägte spektrale Komponenten in den OH*-Temperaturfluktuationen im Periodenbereich von 27 bis 31 Tagen. Diese Signaturen werden vorläufig auf die differentielle Rotation der Sonne zurückgeführt. Dynamische Prozesse wie z.B. atmosphärische Schwerewellen sind von großer Bedeutung für den Energiehaushalt der oberen Mesosphäre / unteren Thermosphäre (MLT-Region). Daher müssen sie in Klimamodellen berücksichtigt werden, was derzeit jedoch nur durch einfache Parametrisierungen bewerkstelligt werden kann. Um eine möglichst realistische Modellierung der großräumigen Zirkulationssysteme zu ermöglichen, ist die Kenntnis der Strukturfunktionen der Schwerewellen sowie ihre Quell- und Senkenstärken in Raum und Zeit erforderlich. Messungen von Schwerewellen sind daher unabdingbar. In der vorliegenden Arbeit werden im Rahmen von Fallstudien Temperatursignaturen untersucht, wie sie von Schwerewellen erzeugt werden. Verwendet werden hierfür zeitlich hoch aufgelöste OH*-Temperaturzeitreihen aufgenommen am Hohenpeißenberg (47,8°N, 11,0°O) und an der Zugspitze (47,5°N, 11,0°O). Durch den Alpenkamm induzierte Schwerewellen können identifiziert und Schwerewellenparameter wie beispielsweise die Ausbreitungsrichtung oder die Phasengeschwindigkeit quantifiziert werden. Messungen, aufgenommen von Bord des deutschen Forschungsschiffes „Polarstern“ im Golf von Biskaya (um 48°N, 6°O), werden mit satellitenbasierten Beobachtungen kombiniert. Es wird gezeigt, dass Schwerewellen, die von einem atlantischen Zyklon erzeugt werden, die Temperatur in der Mesopausenregion beeinflussen können. Das GRIPS-System ist ferner prinzipiell zur schnellen Erkennung von Naturgefahren wie z.B. Tsunamis, Erdbeben oder Vulkanaktivität geeignet, da solche Ereignisse Infraschall erzeugen, der wiederum erkennbare Temperaturfluktuationen in der OH*-Airglow-Schicht verursacht. Am Beispiel des Sumatra-Tsunamis von 2004 wird diese Möglichkeit quantitativ diskutiert.show moreshow less
  • The upper mesosphere is the atmospheric layer which ranges from 80 km to about 100 km above sea level. Due to the low air density of five to six orders of magnitude lower compared to the value near the Earth's surface and due to the efficient infrared radiation cooling to space, many climate signals are assumed to be more pronounced there than in the lower atmosphere. It is therefore expected that observations in this region should allow the early detection of climate trends with good statistical significance. The data provided by these measureThe upper mesosphere is the atmospheric layer which ranges from 80 km to about 100 km above sea level. Due to the low air density of five to six orders of magnitude lower compared to the value near the Earth's surface and due to the efficient infrared radiation cooling to space, many climate signals are assumed to be more pronounced there than in the lower atmosphere. It is therefore expected that observations in this region should allow the early detection of climate trends with good statistical significance. The data provided by these measurements are essential for the further development and improvement of the numerous climate models that include the middle atmosphere. Experimental access to this altitude is difficult, and data are therefore still quite sparse. Measurements have been taken directly using rocket-borne instruments, and indirectly through space-borne and ground-based techniques, such as Lidar, Radar, and spectroscopy. The work presented is based on data from the “GRound-based Infrared P-branch Spectrometer (GRIPS)”, which measures the infrared emissions from the so-called OH*-airglow layer to derive temperatures at an altitude of ~87 km. Along with anthropogenic influences on the climate there are natural effects which can cause temperature deviations in the upper mesosphere. It is essential for the interpretation of experimental data to understand those other sources of variability. Because of this the potential interaction of the dynamics of the upper mesosphere with the solar activity is examined with a 25-year time series of OH*-temperatures recorded at Wuppertal (51.3°N, 7.2°E). A correlation of the planetary wave activity with the general solar bipolar magnetic field (22-year solar Hale cycle) is found. As a possible physical mechanism it is proposed that the internal terrestrial magnetic field is superimposed by the solar magnetic field causing modulations of the total magnetic field in the Earth’s interior and which leads – in turn – to a modulation of the electromagnetic coupling of angular momentum between the Earth’s core and the Earth’s mantle. As a result the Earth’s rotation period – and thus the activity of planetary waves – should be modulated with the solar magnetic flux, e.g. the quasi-22-year Hale cycle. Planetary wave activity is further found to be modulated by a quasi-2-year oscillation and that wave activity is mostly enhanced when the wind direction of the mean zonal wind of the equatorial quasi-biennial oscillation (QBO) reverses from westerly to easterly. It is also found that due to the Sun’s rotation the irregular pattern of sunspots on the solar disc leads to OH*-temperature fluctuations. Pronounced spectral components in the OH*-temperature fluctuations around the periods from 27 to 31 days are frequently observed. They are tentatively attributed to the differential rotation of the Sun. Dynamic processes such as atmospheric gravity waves are of great significance for the energy budget of the upper mesosphere / lower thermosphere (MLT) region. Consequently, they have to be taken into account in climate models. Limited knowledge of the generation, propagation, and interaction mechanisms of gravity waves is therefore a major problem in this field. The temperature signals generated by gravity waves are analyzed in case studies using OH*-temperature data sets with high temporal resolution, recorded at Hohenpeissenberg (47.8°N, 11.0°E) and the Zugspitze mountain (47.5°N, 11.0°E). Alpine induced gravity waves are detected and gravity wave parameters such as propagation direction, phase velocity etc. are quantified. Measurements taken from the German research vessel “Polarstern” in the Bay of Biscaya (around 48°N, 6°E) are combined with satellite-based observations. It is shown that gravity waves induced by an Atlantic cyclone can impact the temperatures in the mesopause region. The GRIPS system should in principle also be suited for the rapid detection of natural hazards such as tsunamis, earth quakes, or volcanic activities. This is because the infrasound caused by such events should induce observable temperature fluctuations in the OH*-airglow layer. The example of the 2004 Sumatra Tsunami is used for a quantitative discussion of this possibility.show moreshow less

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Metadaten
Author: Kathrin Höppner
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-33588
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Philosophische Fakultät I (Histor., philolog., Kultur- und geograph. Wissensch.)
Faculties:Institut für Geographie und Geologie
Date of final exam:2009/01/21
Language:German
Year of Completion:2009
Dewey Decimal Classification:550 Geowissenschaften
GND Keyword:Infrarotspektroskopie; Mesopause; Sonnenaktivität; Spektralanalyse; Temperatur
Tag:22-jähriger Solarer Hale-Zyklus; Hydroxyl (OH*)-Airglow; Mesopausentemperatur; Planetare Wellen; Schwerewellen
22-year Solar Hale Cycle; Gravity Waves; Hydroxyl (OH*)-Airglow; Mesopause Temperature; Planetary Waves
Release Date:2009/02/09
Advisor:Prof. Dr. Heiko Paeth