Advanced Meteor Head Echo observation with MAARSY for the quantification of the micro meteoroid flux into the MLT

• Applicant: Privatdozent Dr. Gunter Stober
• Subject Area: Atmospheric Science
• Term: from 2013 to 2016
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 245530791

• Final Report Year: 2017

Final Report Abstract

Zur Untersuchung des meteorischen Masseneintrages in die Erdatmosphäre wurden innerhalb des beantragten Projektes kontinuierliche Meteor-Kopf-Echo Beobachtungen mit MAARSY durchgeführt. Ermöglicht wurden diese Beobachtungen durch einen veränderten Datenstrom im Radarsystem selbst und durch die Implementierung von neuen Analysealgorithmen zur Datenreduktion. Beide Maßnahmen zusammen ermöglichen es, MKE aus unterschiedlichen Experimenten mit anderen wissenschaftlichen Fragestellungen zu extrahieren. Eine qualitativ hochwertige Bestimmung der Meteoroideneigenschaften (Orbit, Geschwindigkeit und Abbremsung) ist dabei weiterhin gewährleistet. Dieser Ansatz ist sicherlich auch auf andere HPLA-Radare übertragbar. Für über 1 Million beobachtete MKE konnte die Geschwindigkeit, Trajekorie, Abbremsung und RCS-Kurve bestimmt werden. Dieser Datensatz ist ausreichend eine erste umfassende Klimatologie der sporadischen Meteorquellen hinsichtlich des Jahresganges, typischen Geschwindigkeitsverteilungen und Zählraten/Meteorflüssen für den Massenbereich von 10^-6 — 10^-10 kg zu erstellen. Insbesondere konnte die nördliche und südliche Apexquelle, die Helion- und Antihelionquelle sowie die nördliche Ringquelle genauer untersucht werden. Der Vergleich der Messungen mit einer MIF hat ergeben, das 40% der beobachteten Meteore keiner sporadischen Quelle zugeordnet werden können und somit in der MIF bis jetzt noch nicht ausreichend berücksichtigt sind. Zudem zeigten die Beobachtungen, dass MKE im Geschwindigkeitsbereich von 10-35 km/s deutlich häufiger detektiert werden als von der MIF vorhergesagt. Die kombinierten radar-optischen Beobachtungen lieferten den ersten systematischen Vergleich zwischen bi-statischen Kameramessungen und MKE. Die Ergebnisse zeigen, dass das Radar die MKE bereits 1-2 km früher detektiert bevor sie auch von den Kameras erfasst werden. Die Möglichkeit des Radars, die Meteore früher zu beobachteten, spiegelt sich auch in der gemessenen Geschwindigkeit wieder. Die Radargeschwindigkeiten der Meteore zeigen tendenziell leicht höhere Werte (0.1-0.2 km/s) als die optischen Daten. Bemerkenswert bei diesem Vergleich ist die gute Übereinstimmung der Trajekorien und daraus folgend auch der berechneten Meteorradianten. Aus den ermittelten Abremskurven und der Leuchtkurve wurde ein Ablationsmodell weiterentwickelt. Die RCS-Kurven wie auch die Leuchtkurven weisen kaum/keine Anzeichen für ein häufiges Auftreten differentieller Ablation auf. Die vorhandenen Signaturen deuten eher auf eine Fragmentation der Meteoroide hin. Ein Ansatzpunkt für zukünftige Arbeiten stellt die Modellierung des Meteorplasmas in Verbindung mit dem RCS dar. Das FDTD-Modell beschreibt die RCS-Kurve in Abhängigkeit der Plasmadichte und des Plasmaradius. Im Verlauf des letzten Winters wurden dazu erste gemeinsame Beobachtungen in Kombination von radar-optischen Messungen inklusive von EISCAT durchgeführt. Die Beobachtung des RCS auf zwei Frequenzen und die gleichzeitige Messung der Leuchtkurve liefert die notwendigen Informationen zur Plasmadichte und des Plasmaradius. Zudem kann aus den Beobachtungen die Ionisationseffizienz und Leuchteffizienz noch besser abgeschätzt werden.

Publications

• (2017) Simultaneous optical and meteor head echo measurements using the Middle Atmosphere Alomar Radar System (MAARSY): Data collection and preliminary analysis. Planetary and Space Science 141 25–34
  Brown, P.; Stober, G.; Schult, C.; Krzeminski, Z.; Cooke, W.; Chau, J. L.
  
• Meteor head echo climatology at Northern polar latitudes. Meteoroids 2016 Konferenz, (ESTEC) in Noordwijk, Niederlande
  C. Schult, G. Stober and J. L. Chau
  
• Continuous measurements of meteor head echoes with MAARSY. MST14 Konferenz, Sao Jose dos Campos, Brasilien
  C. Schult, G. Stober and J. L. Chau
  
• Non-specular meteor trails from non-field-aligned irregularities: Can they be explained by presence of charged meteor dust?, Geophys. Res. Lett., 41, 3336-3343, 2014
  J. L. Chau, I. Strelnikova, C. Schult, M. M. Oppenheim, M. C. Kelley, G. Stober und W. Singer
  
• Radar observations of the MARIBO fireball over Juliusruh: Revised trajectory and meteoroid mass estimation, Mon. Not. R. Astron. Soc., 450, 1460-1464, 2015
  C. Schult, G. Stober, D. Keuer und W. Singer
  
• Validation of the radiation pattern of the VHF MST radar MAARSY by scattering off a sounding rocket’s payload, Adv. Radio Sci., 13, 41-48, 2015
  T. Renkwitz, C. Schult, R. Latteck und G. Stober