Ionosphere-atmosphere interaction during solar proton events

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:952-10-3111-5
Title: Ionosphere-atmosphere interaction during solar proton events
Author: Verronen, Pekka
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physical Sciences
Finnish Meteorological Institute
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Among the most striking natural phenomena affecting ozone are solar proton events (SPE), during which high-energy protons precipitate into the middle atmosphere in the polar regions. Ionisation caused by the protons results in changes in the lower ionosphere, and in production of neutral odd nitrogen and odd hydrogen species which then destroy ozone in well-known catalytic chemical reaction chains. Large SPEs are able to decrease the ozone concentration of upper stratosphere and mesosphere, but are not expected to significantly affect the ozone layer at 15--30~km altitude. In this work we have used the Sodankylä Ion and Neutral Chemistry Model (SIC) in studies of the short-term effects caused by SPEs. The model results were found to be in a good agreement with ionospheric observations from incoherent scatter radars, riometers, and VLF radio receivers as well as with measurements from the GOMOS/Envisat satellite instrument. For the first time, GOMOS was able to observe the SPE effects on odd nitrogen and ozone in the winter polar region. Ozone observations from GOMOS were validated against those from MIPAS/Envisat instrument, and a good agreement was found throughout the middle atmosphere. For the case of the SPE of October/November 2003, long-term ozone depletion was observed in the upper stratosphere. The depletion was further enhanced by the descent of odd nitrogen from the mesosphere inside the polar vortex, until the recovery occurred in late December. During the event, substantial diurnal variation of ozone depletion was seen in the mesosphere, caused mainly by the the strong diurnal cycle of the odd hydrogen species. In the lower ionosphere, SPEs increase the electron density which is very low in normal conditions. Therefore, SPEs make radar observations easier. In the case of the SPE of October, 1989, we studied the sunset transition of negative charge from electrons to ions, a long-standing problem. The observed phenomenon, which is controlled by the amount of solar radiation, was successfully explained by considering twilight changes in both the rate of photodetachment of negative ions and concentrations of minor neutral species. Changes in the magnetic field of the Earth control the extent of SPE-affected area. For the SPE of November 2001, the results indicated that for low and middle levels of geomagnetic disturbance the estimated cosmic radio noise absorption levels based on a magnetic field model are in a good agreement with ionospheric observations. For high levels of disturbance, the model overestimates the stretching of the geomagnetic field and the geographical extent of SPE-affected area. This work shows the importance of ionosphere-atmosphere interaction for SPE studies. By using both ionospheric and atmospheric observations, we have been able to cover for the most part the whole chain of SPE-triggered processes, from proton-induced ionisation to depletion of ozone.Avaruusmyrskyjen aikana Auringon korkeaenergiset protonit tunkeutuvat Maan ilmakehään napa-alueilla ja ionisoivat ilmakehän kaasuja. Myrskyn seurauksena ionosfäärissä tapahtuu muutoksia, jotka käynnistävät otsonia tuhoavia kemiallisia reaktioita. Ylästratosfäärissä sekä mesosfäärissä protonimyrskyt aiheuttavat huomattavia muutoksia otsonin määrään, mikä saattaa vaikuttaa mm. ilmakehän säteilytasapainoon ja yleiseen kiertoliikkeeseen. Myrskyjen aiheuttamat muutokset sekä myrskyn jälkeinen palautuminen normaalitilaan ovat tärkeä tutkimuskohde, kun halutaan ymmärtää paremmin keski-ilmakehän fysikaalisia ja kemiallisia prosesseja sekä Auringon vaikutusta niihin. Suurtenkaan protonimyrskyjen ei ole havaittu vaikuttavan merkittävästi otsonikerrokseen 15 30 kilometrin korkeudella, joten UV-säteilyn voimakkuus maan pinnan tasolla ei myrskyn seurauksena merkittävästi kasva. Väitöstyössä tutkittiin Sodankylän ioni- ja neutraalikemiamallilla protonimyrskyjen aiheuttamia otsonimuutoksia. Käytetyn tietokonemallin sekä satelliittihavaintojen yhdistelmä on ainutlaatuinen protonimyrskytutkimuksessa. Hyödyntämällä mallia sekä ionosfääri- että ilmakehämittauksia voitiin tutkia koko myrskyjen laukaisemaa prosessiketjua aina otsonin vähenemiseen saakka. Mallin tulosten todettiin vastaavan hyvin eri tavoin tehtyjä mittauksia sekä Envisat-satelliitin GOMOS-mittalaitteen avulla tehtyjä havaintoja. GOMOSin avulla voitiin ensimmäistä kertaa havaita protonimyrskyn aiheuttamat otsonimuutokset pohjoisella napa-alueella talviaikaan. Loka-marraskuussa 2003 tapahtuneiden avaruusmyrskyjen jälkeen havaittiin pitkäaikainen otsonin väheneminen ylä-stratosfäärissä. Vaikutus oli suurin marraskuun puolivälissä, noin kuukausi protonimyrskyn päättymisen jälkeen, koska epätavallisen pysyvä polaaripyörre esti ilman sekoittumisen. Myrskyn aikana mesosfäärin otsonin vähenemisessä todettiin myös selkeää vuorokausivaihtelua siten, että suurin suhteellinen muutos tapahtui auringonlaskun ja -nousun aikaan. Otsonin määrän palautui ennalleen joulukuun lopulla polaaripyörteen hajottua.
URI: URN:ISBN:952-10-3111-5
http://hdl.handle.net/10138/23151
Date: 2006-05-20
Subject: fysiikka
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
ionosphe.pdf 1.266Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record