Untersuchung des Anregungsmechanismus der Natrium-D Nightglow-Emission
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In der Mesosphäre und Thermosphäre der Erdatmosphäre treten eine Vielzahl nicht-thermischer Emissionen auf, die direkt oder indirekt durch solare elektromagnetische Strahlung verursacht werden – die so genannten Airglow-Emissionen. Die Atmosphärenforschung befasst sich im Wesentlichen aus zwei Gründen mit diesen Emissionen. Zum einen sind die Anregungsmechanismen vieler Airglow- Emissionen nicht vollständig verstanden. Darüber hinaus können Messungen der Emissionen für die Fernerkundung der chemischen Zusammensetzung, der thermischen Struktur sowie der Dynamik der Mesosphäre und Thermosphäre verwendet werden. Das vorliegende Projekt befasste sich mit der Untersuchung des Anregungsmechanismus für die Natrium D-Linien-Emission im Nightglow, die erstmals im Jahre 1930 identifiziert wurde. Im Rahmen des Projekts wurde ein Algorithmus zur Ableitung von Na-Profilen in der Mesopausenregion implementiert und auf Limb-Nightglow-Messungen mit dem OSIRIS (Optical Spectrograph and InfraRed Imager System) Instrument auf dem Satelliten Odin angewandt. Das Verfahren beruht auf dem so genannten effektiven Chapman-Mechanismus, i.e. einem Anregungsmechanismus, der 1939 von Sydney Chapman vorgeschlagen wurde. Hierzu wurde das Verzweigungsverhältnis (branching ratio) für die Bildung von angeregtem Na aus der Reaktion NaO + O → Na + O2 empirisch bestimmt, in dem die aus den OSIRIS-Messungen abgeleiteten Na-Profile mit bodengestützten Lidarmessungen verglichen wurden. Für das Verzweigungsverhältnis ergab sich ein Wert von f = 0.064 ± 0.028, der gut mit jüngeren Studien übereinstimmt. Ein weiterer wichtiger Aspekt des Projekts war ein umfangreicher Vergleich von Messungen der Na- Nightglow-Emissionen sowie der abgeleiteten Na-Profile aus Messungen mit den Satelliteninstrumenten OSIRIS und SCIAMACHY (SCanning Imaging Absorption spectroMeter for Atmospheric CHartographY). Sowohl hinsichtlich der Emissionsraten als auch der abgeleiteten Na- Profile ergab sich eine gute bis sehr gute Übereinstimmung zwischen den unterschiedlichen Datensätzen, was einen weiteren Beleg für die Vertrauenswürdigkeit der Ergebnisse darstellt. Leider waren Untersuchungen zur Variabilität des Linienverhältnisses der Natrium D1 und D2 Linien aufgrund einer unzureichenden Datenqualität in der geplanten Form nicht durchführbar. Insgesamt konnte das Verständnis des Anregungsmechanismus für die Na-Emission im terrestrischen Nightglow im Rahmen des Projekts weiter konsolidiert werden, indem das oben erwähnte Verzweigungsverhältnis empirisch bestimmt und der in früheren Studien vorhandene große Wertebereich stark eingeschränkt werden konnte. Damit stellt die Messung der Na-Nightglow-Emission eine weitere Fernerkundungsmethode für die Messung von Na-Profilen in der Mesopausenregion der Erdatmosphäre dar.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Airglow in the Earth atmosphere: basic characteristics and excitation mechanisms. ChemTexts, 3(4).
von Savigny, Christian
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Atmospheric science across the mesopause: Airglow and Noctilucent Clouds, invited talk at SCIAMACHY4Future Symposium: Highlights of the SCIAMACHY mission and achievements impacting future Earth observation, University of Bremen, December 5, 2019
von Savigny, C., Koch, J. & al.
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Introduction to Airglow and airglow remote sensing applications, Bad Honnef Physics School on Atmospheric Physics, Bad Honnef, May 2, 2019
von Savigny, C.
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Investigating the excitation mechanisms of the sodium D-line emissions, talk, Limb Workshop 2019, Greifswald, June 4 – 7, 2019
Koch, J., Bourassa, A., Roth, C., Lloyd, N., Yuan, T. & She, C.-Y.
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Upper mesospheric sodium profiles retrieved from OSIRIS nightglow measurements, talk, DPG Frühjahrstagung, München, 17 – 22 March, 2019
Koch, J., Bourassa, A., Lloyd, N., Roth, C., She, C. Y., Yuan, T. & von Savigny, C.
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Combining satellite and lidar measurements to investigate the sodium nightglow. Copernicus GmbH.
Koch, Julia; Bourassa, Adam; Roth, Chris; Lloyd, Nicholas; Yuan, Titus & She, Chiao-Yao
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Comparison of sodium concentration profiles and column densities in the MLT region obtained from OSIRIS nightglow measurements with results from SCIAMACHY and GOMOS measurements, talk, Limb Workshop 2021, online, May 10 – 13, 2021
Koch, J., Bourassa, A., Lloyd, N., Roth, C., She, C. Y., Yuan, T. & von Savigny, C.
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New results on oxygen and sodium nightglow emissions, invited talk, 43rd COSPAR Scientific Assembly, 28 January to 4 February, Sydney Australia, 2021
von Savigny, C., Koch, J. & Lednytskyy, O.
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Retrieval of mesospheric sodium from OSIRIS nightglow measurements and comparison to ground-based Lidar measurements. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 216, 105556.
Koch, Julia; Bourassa, Adam; Lloyd, Nick; Roth, Chris; She, Chiao-Yao; Yuan, Titus & von, Savigny Christian
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Comparison of mesospheric sodium profile retrievals from OSIRIS and SCIAMACHY nightglow measurements. Atmospheric Chemistry and Physics, 22(5), 3191-3202.
Koch, Julia; Bourassa, Adam; Lloyd, Nick; Roth, Chris & von, Savigny Christian
