Yliopiston etusivulle Suomeksi På svenska In English Helsingin yliopisto

Observations of production and transport of NOx formed by energetic particle precipitation in the polar night atmosphere

Show full item record

Files in this item

Files Description Size Format View/Open
observat.pdf 3.454Mb PDF View/Open
Use this URL to link or cite this item: http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-10-4181-5
Vie RefWorksiin
Title: Observations of production and transport of NOx formed by energetic particle precipitation in the polar night atmosphere
Author: Seppälä, Annika
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physical SciencesFinnish Meteorological Institute
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: This work is focused on the effects of energetic particle precipitation of solar or magnetospheric origin on the polar middle atmosphere. The energetic charged particles have access to the atmosphere in the polar areas, where they are guided by the Earth's magnetic field. The particles penetrate down to 20-100 km altitudes (stratosphere and mesosphere) ionising the ambient air. This ionisation leads to production of odd nitrogen (NOx) and odd hydrogen species, which take part in catalytic ozone destruction. NOx has a very long chemical lifetime during polar night conditions. Therefore NOx produced at high altitudes during polar night can be transported to lower stratospheric altitudes.

Particular emphasis in this work is in the use of both space and ground based observations: ozone and NO2 measurements from the GOMOS instrument on board the European Space Agency's Envisat-satellite are used together with subionospheric VLF radio wave observations from ground stations. Combining the two observation techniques enabled detection of NOx enhancements throughout the middle atmosphere, including tracking the descent of NOx enhancements of high altitude origin down to the stratosphere.

GOMOS observations of the large Solar Proton Events of October-November 2003 showed the progression of the SPE initiated NOx enhancements through the polar winter. In the upper stratosphere, nighttime NO2 increased by an order of magnitude, and the effect was observed to last for several weeks after the SPEs. Ozone decreases up to 60 % from the pre-SPE values were observed in the upper stratosphere nearly a month after the events. Over several weeks the GOMOS observations showed the gradual descent of the NOx enhancements to lower altitudes. Measurements from years 2002-2006 were used to study polar winter NOx increases and their connection to energetic particle precipitation. NOx enhancements were found to occur in a good correlation with both increased high-energy particle precipitation and increased geomagnetic activity. The average wintertime polar NOx was found to have a nearly linear relationship with the average wintertime geomagnetic activity.

The results from this thesis work show how important energetic particle precipitation from outside the atmosphere is as a source of NOx in the middle atmosphere, and thus its importance to the chemical balance of the atmosphere.Tässä väitöskirjatyössä tutkitaan maan napa-alueiden ilmakehään auringosta tai magnetosfääristä tulevien korkeaenergisten varattujen hiukkasten vaikutuksia ilmakehän koostumukseen. Nämä hiukkaset, joista pääosa on elektroneita ja protoneita, tunkeutuvat maan napa-alueiden ilmakehään ionisoiden sitä noin 20-100 km korkeusalueella. Tämä keski-ilmakehäksi kutsuttu alue kattaa stratosfääri- ja mesosfääri-kerrokset. Ilmakehässä varattujen hiukkasten aiheuttamasta ionisaatiosta seuraa typen ja vedyn oksidien tuottoa. Nämä oksidit aiheuttavat ilmakehässä otsonikatoa katalyyttisten kemiallisten reaktioketjujen välityksellä. Typen oksidit (NOx) ovat ilmakehässä napa-alueiden valottomina aikoina hyvin pitkäikäisiä, voiden siten vaikuttaa ilmakehän otsonitasapainoon pitkinä talvisina ajanjaksoina.

Työssä on käytetty Euroopan avaruusjärjestön Envisat-ympäristösatelliitissa olevan suomalais-ranskalaisen GOMOS mittalaitteen havaintoja ilmakehän yöaikaisesta koostumuksesta. GOMOS tekee havaintoja öisestä ilmakehästä käyttämällä mittauksissa tähdistä tulevaa säteilyä. GOMOS mittalaitteen avulla havaittiin ensimmäistä kertaa, kuinka Auringossa loka-marraskuussa 2003 tapahtuneiden myrskyjen seuraksena pohjoisen napa-alueen ilmakehän NOx pitoisuus kasvoi ja kuinka kasvaneet pitoisuudet säilyivät ilmakehässä napa-alueen talven aikana saaden aikaan otsonikatoa ylästratosfäärissä ja mesosfäärissä.

GOMOSin havaintojen avulla todettiin talvisten napa-alueiden ilmakehän keskimääräisen NOx määrän ja ilmakehään pääsevien korkeaenergisten hiukkasten välillä olevan yhteys myös muulloin kuin aktiivisina aurinkomyrskyaikoina.

Yhdistämällä GOMOS mittalaitteen havainnot radioaallonpituuksilla tehtävien niin kutsuttujen VLF mittausten kanssa, saatiin täysin uutta tietoa ilmakehän koostumuksesta. Työhön liittyen kehitettiin menetelmä, jolla radioaaltoalueen mittauksilla voidaan välillisesti havaita typen oksidien lisääntymistä 65-90 km korkeuksilla. Näin voitiin täydentää noin 50 km korkeudelle yltäviä typen oksidien satelliittihavaintoja.

Väitöstyön tulokset osoittavat kuinka suuri merkitys ilmakehän ulkopuolelta tulevalla hiukkaspakotteella on ilmakehän kemiallisen tasapainon kannalta, erityisesti stratosfäärin otsonitasapainon kannalta merkittäville typen oksideille.
URI: URN:ISBN:978-952-10-4181-5
http://hdl.handle.net/10138/23261
Date: 2007-09-28
Copyright information: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
This item appears in the following Collection(s)

Show full item record

Search Helda


Advanced Search

Browse

My Account