Roles of sudden stratospheric warming events and energetic particle precipitation in polar middle atmosphere: odd nitrogen and ozone

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-336-030-3
Title: Roles of sudden stratospheric warming events and energetic particle precipitation in polar middle atmosphere: odd nitrogen and ozone
Author: Päivärinta, Sanna-Mari
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics, Ilmakehätieteiden osasto
Ilmatieteen laitos
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Odd nitrogen (NOx = N + NO + NO2) in the polar regions is mainly produced in the upper atmosphere through ionization processes by solar extreme ultraviolet radiation, soft X-rays and high energy particles originating from the space. During periods of high geomagnetic activity, normally close to the solar maximum, energetic particle precipitation (EPP) provides an in-situ source of NOx also in the middle atmosphere. Understanding the behaviour of NOx in the middle atmosphere is of great importance due to its capability to act as a catalyst in chemical reaction cycles destroying ozone in the stratosphere. This work considers EPP in the form of solar proton events (SPEs). Atmospheric dynamics play an important role in determining the distributions of long-lived trace gases in the middle atmosphere. The main loss mechanism for NOx is photolysis at the upper stratospheric and mesospheric altitudes, leading to long photochemical lifetime of NOx during the dark polar winter. NOx in the middle atmosphere, also if produced in-situ due to SPEs, is therefore affected by atmospheric dynamics, and transported from the mesosphere-lower thermosphere (MLT) region down to the middle atmosphere. This descent phenomenon can be intensified in the aftermath of sudden stratospheric warmings (SSWs), which are dynamical phenomena able to affect a wide range of altitudes in the Northern polar region atmosphere. The enhanced downward transport of NOx can thus strengthen the NOx-ozone connection in the stratosphere. In this work we used both space born observations from several satellite instruments and a chemistry transport model in the examination of the SSW and SPE caused effects in the stratosphere and mesosphere. The scientific objectives of this work were to find out the individual and combined effects of SSWs and SPEs on the NOx and ozone balance in the Northern middle atmosphere, and assess the relative contributions of dynamics (SSWs) and in-situ production of NOx (SPEs) on ozone in the stratosphere. The results showed dramatic increases in NOx in the middle atmosphere, even by a factor of 50, following both periods of enhanced NOx descent in connection with SSWs and in-situ production of NOx due to SPEs. A clear long-term (order of months) decrease in stratospheric ozone (10-90 %), coinciding with the enhanced amounts of NOx, was evident and affected mostly by dynamics in the upper stratosphere. The results of this work emphasize the importance of in-situ production of NOx (SPEs) on the ozone balance in the upper stratosphere, but also the key role of dynamics (SSWs) in transporting the SPE effect to even lower altitudes and its capability to strengthen the effect.Paritonta typpeä (NOx = N + NO + NO2) syntyy napa-alueilla pääasiassa yläilmakehässä ultraviolettisäteilyn, röntgensäteilyn ja avaruudesta peräisin olevien suurienergisten hiukkasten aiheuttaman ionisaation seurauksena. Korkean geomagneettisen aktiivisuuden aikana, yleensä lähellä aurinkopilkkujakson maksimia, suurienergiset hiukkaset tuottavat NOx -yhdisteitä suoraan keski-ilmakehässä. NOx -yhdisteiden käyttäytymisen ymmärtäminen keski-ilmakehässä on ensiarvoisen tärkeää, koska NOx -yhdisteet toimivat katalyytteinä kemiallisissa reaktiosykleissä otsonia tuhoten. Tämä väitöstyö keskittyy Auringosta tuleviin suurienergisiin protoneihin eli niin kutsuttuihin Auringon protonimyrskyihin (SPE). Ilmakehän dynamiikka vaikuttaa pitkäikästen yhdisteiden pitoisuuksiin keski-ilmakehässä. NOx -yhdisteiden pääasiallinen tuhoutumiskeino ylästratosfäärissä ja mesosfäärissä on fotolyysi, joka johtaa NOx -yhdisteiden pitkään fotokemialliseen elinikään napa-alueiden pimeän talven aikana. Tästä syystä NOx, joita protonit voivat tuottaa keski-ilmakehään, on altis ilmakehän dynamiikalle ja sitä kulkeutuu helposti mesosfääristä ja alatermosfääristä alemmas keski-ilmakehään. Tämä alaspäin suuntautuva kuljetusliike voi voimistua pohjoisella napaalueella stratosfäärin äkillisiksi lämpenemisiksi (SSW) kutsuttujen dynaamisten ilmiöiden jälkeen. Voimistunut NOx -kuljetus keski-ilmakehään voi täten vahvistaa NOx-otsoni kytkentää stratosfäärissä. Tässä väitöstyössä käytettiin sekä satelliittihavaintoja useasta eri instrumentista että ilmakehän kemiakuljetusmallia tutkimaan SSW ja SPE vaikutuksia stratosfäärissä ja mesosfäärissä. Työn tieteelliset tavoitteet olivat selvittää lämpenemisten ja protonimyrskyjen yksittäiset ja yhteiset vaikutukset NOx-yhdisteisiin ja otsoniin pohjoisen napa-alueen keski-ilmakehässä sekä määrittää dynamiikan (SSW) ja NOx tuoton (SPE) suhteelliset merkitykset stratosfäärin otsoniin. Tulokset osoittivat NOx -yhdisteiden pitoisuuksien dramaattisen nousun jopa 50-kertaiseksi sekä voimistuneen laskuliikkeen että protonimyrskyjen aikana. Selvä pitkäaikainen, kuukausia kestävä lasku (10-90 %) stratosfäärin otsonipitoisuuksissa tapahtui samaan aikaan NOx pitoisuuksien kasvun kanssa. Ylästratosfäärissä tämä oli pääosin seurausta dynamiikasta ja voimistuneen laskuliikkeen mukanaan tuomista NOx -yhdisteistä kyseiselle alueelle. Tämän väitöstyön tulokset korostavat ilmakehän dynamiikan tärkeää roolia SPE vaikutusten kuljettamisessa alemmille korkeuksille ja sen mahdollisuudesta voimistaa otsonin tuhoutumista ylästratosfäärissä.
URI: URN:ISBN:978-952-336-030-3
http://hdl.handle.net/10138/228229
Date: 2017-12-08
Subject:
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
rolesofs.pdf 26.31Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record