Modelluntersuchungen zu chemischen Effekten von Sprites in der Mesosphäre in Verbindung mit Satelliten-Messungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Sprites sind großskalige elektrische Entladungen in der Mesosphäre, die oberhalb von Gewitterwolken auftreten. Es ist bekannt, dass elektrische Entladungen chemische Auswirkungen haben, und in den letzten Jahren sind einige Modelluntersuchungen zu den chemischen Prozessen in Sprites durchgeführt worden. Allerdings hat es bis vor kurzem keine Beobachtungen von chemischen Effekten einzelner Sprites gegeben. Neuere Messdaten vom Satelliteninstrument SMILES haben eine Zunahme von HO2 oberhalb von Sprite auslösenden Gewitterstürmen gezeigt. Hierbei handelt es sich um die ersten direkten Beobachtungen von chemischen Sprite-Effekten und sie stellen eine einzigartige Möglichkeit dar, unser Wissen über die Vorgänge in Sprites zu überprüfen. Das Ziel dieses Projektes war es, die chemischen Auswirkungen von Sprites mit Hilfe numerischer Modelle zu untersuchen und Vergleiche mit den SMILES-Beobachtungen anzustellen. Bei fast allen bisherigen Modelluntersuchungen zu diesem Thema sind Box-Modelle zum Einsatz gekommen (nur Chemie, Vernachlässigung von atmosphärischem Transport). Da die SMILES-Messungen einige wenige Stunden nach den Sprites und in Entfernungen von mehreren Kilometern von den Orten der Sprites durchgeführt worden sind, war es nötig, Chemie-Transport-Simulationen durchzuführen. Ein eindimensionales (vertikales) Chemie-Transportmodell wurde entwickelt und verwendet, um Sprites passend zu den SMILES-Beobachtungen zu simulieren. Den Modellergebnissen zufolge ist der hauptsächliche Produktions- Mechanismus von Wasserstoffradikalen an die Reaktionen von positiven Protonenhydraten gebunden. Als Nettoeffekt ergibt sich eine Umwandlung von Wassermolekülen in H + OH. Dem schließt sich eine Bildung von HO2 an. Mehrere vorhergehende Modelle haben Protronenhydrate nicht berücksichtigt, wodurch sie die Bildung von Wasserstoffradikalen unterschätzen. Unsere Modellergebnisse besagen, dass die insgesamt in einem Sprite gebildete Menge von HO2 klein ist im Vergleich zu den beobachteten Zunahmen. Eine mögliche Erklärung dafür ist eine Akkumulation von HO2, das von mehreren Sprites freigesetzt wurde. Dies wird unterstützt von unseren Modellergebnissen, die gezeigt haben, dass das von einem Sprite freigesetzte HO2 in der Nacht-Mesosphäre über mehrere Stunden stabil ist. Ferner sind zum ersten mal Modellsimulationen von Horizontaltransport und Ausdehnung von Spritevolumina durchgeführt worden. Auch diese Berechnungen weisen darauf hin, dass die beobachteten Zunahmen von HO2 auf mehr als jeweils ein Sprite-Ereignis zurückzuführen sind.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Model studies on chemical effects of sprites in relation with satellite measurements, DPG-Tagung München, 2019
H. Winkler, J. Notholt, T. Yamada, Y. Kasai
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HO2 enhancements due to sprite discharges - observations and model simulations, Online-Präsentation, EGU-Konferenz, 2020
H. Winkler, T. Yamada, Y. Kasai, J. Notholt
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HO2 generation above sprite-producing thunderstorms derived from lownoise SMILES observation spectra, Geophys. Res. Lett.
T. Yamada, T.O. Sato, T. Adachi, H. Winkler, K. Kuribayashi, R. Larsson, N. Yoshida, Y. Takahashi, M. Sato, A.B. Chen, R.R. Hsu, Y. Nakano, T. Fujinawa, S. Nara, Y. Uchiyama, and Y. Kasai
