Airglow-Forschung mit astronomischen Spektren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der Fokus des Projekts waren nächtliche Emissionen in der oberen Atmosphäre der Erde (hauptsächlich über 75 km), welche durch chemische Reaktionen erzeugt werden, die durch das zerstörische Potenzial von harter solar Ultraviolettstrahlung am Tage angetrieben werden. Diese permanente aber stark variable Chemilumineszenz ist ein wichtiger Indikator der Atmosphärendynamik, wie sie durch verschiedene wellenartige Phänomene erzeugt wird, wie auch für den solaren Einfluss auf die Erdatmosphäre. Die Strahlung wird durch verschiedene Atome und Moleküle in zahlreichen angeregten Zuständen erzeugt, was zu einem komplexen Spektrum vom Ultraviolett bis zum Infrarot führt. Im Prinzip zeigt jede Emissionslinie charakteristische Höhenverteilungen und Variabilitätsmuster für einen weiten Bereich von Zeitskalen. Eine kombinierte Studie von vielen Linien mit unterschiedlichen Eigenschaften kann daher ein detailliertes Bild der laufenden Prozessse in der Höhe der Emissionen liefern. In diesem Projekt haben wir dieses Ziel erreicht, in dem wir Spektren hoher Qualität mit relativ hohem Auflösungsvermögen und hoher Wellenlängenabdeckung der astronomischen Echellespektrographen X-shooter und UVES des Very Large Telescope am Cerro Paranal in Chile genutzt haben. Durch das Studium von Archivdaten, die ursprünglich für astronomische Zwecke aufgenommen wurden, konnten wir 15 Jahre mit etwa 10^4 UVES-Spektren und 10 Jahre mit etwa 10^5 X-shooter-Spektren abdecken. Dies erlaubte uns Variationen auf Zeitskalen von Stunden bis Jahren (inklusive des etwa 11- jährigen Sonnenaktivitätszyklus) zu studieren. Zum Teil wurde die Analyse durch Emissionsprofile von geeigneten Breitbandkanälen des SABER-Radiometers des TIMED- Satelliten ergänzt. Darüber hinaus wurden Simulationen der Chemie und Dynamik für ein besseres Verständnis der Beobachtungen durchgeführt. Basierend auf Hunderten von gemessenen Linien und der Extraktion des unaufgelösten Airglowkontinuums haben wir die bisher kompletteste Charakterisierung des Airglows erreicht. Im Fall des wichtigen OH-Radikals beeinhalten die Resultate die systematische Beschreibung der Anregungsstruktur und ihre Variabilität, die Bestimmung der Qualität von Temperaturabschätzungen über Linienverhältnisse und die Ableitung effektiver Emissionshöhen einzelner Linien. Andere Highlights sind die erste Variabilitätsstudie für Kalium und die Entdeckung eines relativ starken Pseudokontinuums im Nahinfrarot, das überzeugend durch HO2-Emission erklärt werden kann. Es gibt auch Resultate für atomaren und molekularen Sauerstoff, Natrium, FeO und atomaren Stickstoff.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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42nd COSPAR Scientific Assembly, C2.1-0022-18, On the origin of varying non-LTE contributions to OH rotational temperatures
Noll, S., Proxauf, B., Kausch, W., Kimeswenger, S. & Winkler, H.
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EGU General Assembly 2018, EGU2018-6393, A kinetic model for non-LTE contributions to OH(v=9) rotational temperatures
Noll, S., Proxauf, B., Kausch, W. & Kimeswenger, S.
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Mechanisms for varying non-LTE contributions to OH rotational temperatures from measurements and modelling. I. Climatology. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 175, 87-99.
Noll, Stefan; Proxauf, Bastian; Kausch, Wolfgang & Kimeswenger, Stefan
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Mechanisms for varying non-LTE contributions to OH rotational temperatures from measurements and modelling. II. Kinetic model. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 175, 100-119.
Noll, Stefan; Proxauf, Bastian; Kausch, Wolfgang & Kimeswenger, Stefan
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2019, B. Am. Astron. Soc., 51, 48, Orbiting Starshade: Observing Exoplanets at visible wavelengths with GMT, TMT, and ELT
Mather, J., Arenberg, J., D’Amico, S., Cash, W., Greenhouse, M., Harness, A., Hoerbelt, T., Kain, I., Kausch, W., Kimeswenger, S., Lisse, C., Martin, S., Noll, S., Peretz, E., Przybilla, N., Seager, S., Shaklan, S., Snellen, I. & Willems, P.
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EGU General Assembly 2019, EGU2019-5328, From the ultra-violet to the near-infrared for one decade: A comprehensive data set of astronomical spectra for atmospheric research
Kausch, W., Noll, S., Kimeswenger, S. & Moehler, S.
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EGU General Assembly 2019, EGU2019-8876, Remote sensing and modelling of terrestrial potassium nightglow
Noll, S., Plane, J.M.C., Feng, W., Proxauf, B., Kimeswenger, S. & Kausch, W.
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Observations and Modeling of Potassium Emission in the Terrestrial Nightglow. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 124(12), 6612-6629.
Noll, S.; Plane, J. M. C.; Feng, W.; Proxauf, B.; Kimeswenger, S. & Kausch, W.
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Model studies on vibrationally-rotationally excited hydroxyl molecules in the mesopause region. Copernicus GmbH.
Notholt, Justus; Winkler, Holger & Noll, Stefan
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OH level populations and accuracies of Einstein-A coefficients from hundreds of measured lines. Atmospheric Chemistry and Physics, 20(9), 5269-5292.
Noll, Stefan; Winkler, Holger; Goussev, Oleg & Proxauf, Bastian
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Properties of OH roto-vibrational level populations in the Earth's mesopause region. Copernicus GmbH.
Noll, Stefan; Winkler, Holger; Goussev, Oleg & Proxauf, Bastian
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A full decade (2009-2019) of continuous nightglow observations from the NUV to the NIR. Copernicus GmbH.
Kausch, Wolfgang; Noll, Stefan; Kimeswenger, Stefan & Moehler, Sabine
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Variability of various nightglow emissions from about 100,000 VLT/X-shooter spectra. Copernicus GmbH.
Noll, Stefan & Kausch, Wolfgang
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44th COSPAR Scientific Assembly, C1.1-0045-22, Effective emission heights of individual OH lines from ground- and space-based observations of a quasi-2-day wave.
Noll, S.; Schmidt, C.; Kausch, W.; Bittner, M. & Kimeswenger, S.
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Effective Emission Heights of Various OH Lines From X‐Shooter and SABER Observations of a Passing Quasi‐2‐Day Wave. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 127(24).
Noll, S.; Schmidt, C.; Kausch, W.; Bittner, M. & Kimeswenger, S.
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The Messenger, 189, 23-30, The ESO’s Extremely Large Telescope Working Groups.
Padovani, P., Cirasuolo, M., van der Burg, R. ... & Noll, S. et al.
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Vertical layering of OH line emission from X-shooter and SABER observations of a passing quasi-2-day wave. Copernicus GmbH.
Noll, Stefan; Kausch, Wolfgang; Schmidt, Carsten; Bittner, Michael & Kimeswenger, Stefan
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Zenodo [data set], Data for the paper 'Effective emission heights of various OH lines from X-shooter and SABER observations of a passing quasi-2-day wave'.
Noll, S., Schmidt, C., Kausch, W., Bittner, M. & Kimeswenger, S.
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2023, 28th IUGG General Assembly, IUGG23-1754, Impact of OH line parameters on intensity variations on different time scales
Noll, S., Schmidt, C., Kausch, W., Bittner, M. & Kimeswenger, S.
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Climatologies of Various OH Lines From About 90,000 X‐Shooter Spectra. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 128(9).
Noll, S.; Schmidt, C.; Kausch, W.; Bittner, M. & Kimeswenger, S.
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X-shooter-based climatologies of intensity, solar cycle effect, and residual variability for 298 OH lines. Copernicus GmbH.
Noll, Stefan; Schmidt, Carsten; Kausch, Wolfgang; Bittner, Michael & Kimeswenger, Stefan
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Zenodo [data set], Data for the paper 'Climatologies of various OH lines from about 90,000 X-shooter spectra'.
Noll, S., Schmidt, C., Kausch, W., Bittner, M. & Kimeswenger, S.
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Zenodo [data set], Measurements and simulations of the nightglow continuum at Cerro Paranal.
Noll, S., Plane, J.M.C., Feng, W., Kalogerakis, K.S., Kausch, W., Schmidt, C., Bittner, M. & Kimeswenger, S.
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Structure, variability, and origin of the low-latitude nightglow continuum between 300 and 1800 nm: evidence for HO2 emission in the near-infrared. Atmospheric Chemistry and Physics, 24(2), 1143-1176.
Noll, Stefan; Plane, John M. C.; Feng, Wuhu; Kalogerakis, Konstantinos S.; Kausch, Wolfgang; Schmidt, Carsten; Bittner, Michael & Kimeswenger, Stefan
