Dynamical-Chemical Coupling in the Polar Middle Atmosphere: Effects of Energetic Particle Precipitation on the Middle Mesospheric Maximum

• Main Author: Elise Wright Knutsen
• Other Authors: Patrick J. Espy
• Format: Master Thesis
• Language: English
• Published: NTNU 2019
• Subjects: Antarctic; Øvre; Troll Station; Storm Peak; Troll; Antarc*; Antarctica; British Antarctic Survey
• Online Access: http://hdl.handle.net/11250/2610768

Det midtre mesosfæriske ozonmaksimum er et nylig oppdaget fenomen, som finner sted i atmosfæren over polområdene vinterstid. Geomagnetisk aktivitet er kjent for å spille en viktig rolle i den midtre atmosfærens ozonbudsjett, og kan påvirke både vær og klima gjennom energisk partikkelutfelling. Målet med denne oppgaven er å kvantisere i hvilken grad partikkelutfelling endrer ozonkonsentrasjonen mellom 50-75 km, da med spesielt fokus på det midtre mesosfæriske ozonmaksimum. British Antarchtic Survey sitt bakkebaserte radiometer, som er stasjonert ved den norske stasjonel Troll, og NASA sin satelitt EOS Aura, har begge gitt kontinuerlige ozonprofiler gjennom tre påfølgende vintre. De geomagnetiske indeksene AE og Dst har blitt brukt til å identifisere tidspunkt med forhøyet geomagnetisk aktivitet. Indeksene ble på denne måten brukt som indikator for energisk partikkelutfelling. Tidsserier av ozon og de geomagnetiske indeksene ble samlet i en "superposed epoch"-analyse, og kryss-korrelasjon-analyse ble gjennomført på disse epokene. Resultatene viser en relativ reduksjon i ozon på 2-3 ganger, kort tid etter en moderat til sterk geomagnetisk storm, sammenlignet med det normaliserte bakgrunnsnivået av mesosfærisk ozon. Korrelasjonskoeffisienten mellom ozon og Dst, og ozon og AE, for samme stormstyrke ble kalkulert til henholdsvis 0.6 og -0.45. Dette indikerer at AE, som er basert på målinger utelukkende fra den nordlige halvkule, ikke er en optimal indikator av partikkelutfelling over den sørlige halvkule. Den ekvatoriale ringstrømmen ser ut til å utfelle partikler tilnærmet symmetrisk over begge halvkuler, noe som gjør Dst-indeksen til en bedre indikator for partikkelutfelling over begge polene. Resultatene viser at ozonreduskjonen når helt ned til 55 km omtrent umiddelbart etter stormmaksimum og at ozonnivået for det meste er gjenopprettet innen 2-4 dager. Mangelen på utstrekning av ozonreduksjonen i tid indikerer katalytisk ozonødeleggelse, hovedsakelig som følge av odd-hydrogenmolekyler, produsert av energisk strålingsbeltepartikler. Fraværet av en tidsforsinket eller tidsutstrukket ozonredusksjon tyder på at nedadgående transport av odd-nitrogen fra termosfæren eller øvre mesosfære sjeldent skjer. The middle mesospheric ozone maximum is a recently discovered feature in the winter polar atmosphere. Geomagnetic activity is thought to play a role in the middle atmospheric ozone budget, and possibly affect weather and climate via energetic particle precipitation. The objective of this thesis is to quantify the extent to which particle precipitation changes ozone concentrations between 50 75 km, with focus on the middle mesospheric maximum. The ground-based radiometer of the British Antarctic Survey at Troll station in Antarctica and NASAs EOS Aura satellite provide ozone profiles for three consecutive Antarctic winters. Geomagnetic indices AE and Dst are used to identify times of enhanced geomagnetic activity and act as proxies for particle precipitation. Time series of ozone and geomagnetic indices are gathered in a super posed epoch analysis, and cross-correlation analysis is performed on these epochs. Results show a relative decline in ozone of 2-3 times compared to normalized background levels following moderate to strong geomagnetic storms. The correlation coefficient between ozone and Dst and ozone and AE for the same storm level was found to be 0.6 and -0.45 respectively, indicating that AE (computed solely from northern hemisphere measurements) is not optimal for identification of precipitation events in the southern hemisphere. The equatorial ring current seems to precipitate symmetrically with respect to the hemispheres, making it a good proxy for particle precipitation over both poles. The ozone depletion is seen to reach altitudes down to 55 km almost immediately after storm peak, and recovers on the time scale of 2-4 days. The lack of temporal diffusion of the ozone depression indicates catalytic ozone destruction primarily by odd-hydrogen species, created by energetic radiation belt particles. The absence of a more time delayed depletion suggests downward transport of odd-nitrogen from the thermosphere or upper mesosphere happens rarely.