Untersuchung der Photochemie von Sauerstoffspezies in der Mesopausenregion

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Christian von Savigny, Ph.D.; Dr. Miriam Sinnhuber
• Fachliche Zuordnung: Physik und Chemie der Atmosphäre
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 290344289

• Erstellungsjahr: 2020

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Nicht-thermische optische Emissionen in der Mesosphäre und Thermosphäre - der sogenannte Airglow - sind ein aktuelles Forschungsgebiet. Noch immer sind die Anregungsmechanismen vieler Airglow-Emissionen nicht vollständig verstanden. In diesem Projekt wurden Satelliten- und Raketenmessungen der Nightglow-Emissionen durch O, O2 und OH mit dedizierten Modellsimulationen kombiniert, um die Anregungsprozesse und Reaktionswege der Sauerstoff- und Hydroxyl-Nightglows besser zu verstehen. Die durchgeführten Arbeiten basieren auf Messungen der Nightglow-Emissionen von O, O2 und OH mittels der Satelliteninstrumente SABER und SCIAMACHY, aber auch auf Raketen-gestützten in-situ Messungen. Zur Untersuchung der für den OH-Meinel- und O2 Nightglow relevanten chemischen Prozesse wurde die Airglow-Chemie im Boxmodell Mecca/Caaba weiterentwickelt und empirisch angepasst. Hierzu wurden Satellitenmessungen der OH-Emissionen in vier verschiedenen Schwingungs-übergängen sowie die elektronischen übergänge des molekularen Sauerstoffs bei 760 nm sowie 1.27 m verwendet. Zur Untersuchung der Anregungsprozesse der O und O2 Nightglow-Emissionen wurde im Rahmen des Projekts das umfangreiche MAC (Multiple Airglow Chemistry) Modell entwickelt, das mittels experimenteller Datensätze verifiziert und validiert wurde. Die Highlights des Projektes waren: (a) die erstmalige Identifikation einer solaren 27-Tagesignatur in [O(3P)] in der Mesopausenregion. Eine solche Signatur ist erwartet, da O durch Photodissoziation von O2 erzeugt wird; (b) neue Ergebnisse zur Chemie der OH-Meinel-Emissionen und Bestätigung der kürzlich vorgeschlagenen chemischen Kopplung zwischen den elektronischen Anregungszuständen des atomaren Sauerstoffs und der Vibrationsanregung von OH und deren Relevanz insbesondere für den Nightglow von O2(1); (c) die Entwicklung des MAC (Multiple Airglow Chemistry) Models zur Beschreibung der Anregungsmechanismen der wichtigsten O und O2 Nightglow-Emissionen unter expliziter Berücksichtigung aller bekannten chemischen Reaktionen; (d) die Berücksichtigung der erhaltenen Ergebnisse im Airglow-Modell Caaba/Mecca, welches ab Version 2.54 allen Benutzern des Chemie-Klimamodellsystems EMAC zur Verfügung steht. Die im Rahmen des Projekts gewonnenen Ergebnisse stellen eine wichtige Grundlage für weiterführende Untersuchungen zu den Anregungsmechanismen von Airglow-Emissionen dar. Es ist geplant, das MAC-Modell zu erweitern, um auch nicht-thermische Emissionen durch Stickstoffspezies in der Stratophäre und Mesosphäre zu berücksichtigen. Neben dem verbesserten Verständnis der grundlegenden physiko-chemischen Prozesse, sind die gewonnenen Ergebnisse auch für die Fernerkundung der Mesopausenregion bedeutsam, die in vielen Fällen indirekt über die Messung und Analyse von Airglow-Emissionen erfolgt.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Development of a Multiple Airglow Chemistry model and validation with in-situ airglow measurements, Midterm HEPP Meeting, Berlin, 2016
  Lednytskyy, O. und C. von Savigny
  
• O(1 S) formation and loss processes in the terrestrial nightglow, DPG Frühjahrstagung, Hannover, 2016
  Lednytskyy, O. und C. von Savigny
  
• Sensitivity analysis of equatorial atomic oxygen to solar forcing indicates a positive linear trend in the MLT region, 9th IAGA – ICMA/IAMAS – ROSMIC/VarSITI/SCOSTEP workshop on long-term changes and trends in the atmosphere, Kühlungsborn, 2016
  Lednytskyy, O. und C. von Savigny
  
• Sensitivity of equatorial atomic oxygen in the MLT region to the quasi-11-year and quasi-27-day solar cycles, DPG Frühjahrstagung, Regensburg, 2016
  Lednytskyy, O. und C. von Savigny
  
• Chemical heating rates derived with the developed Multiple Airglow Chemistry model, 7th Symposium of the Network for the Detection of Mesospheric Change, Grainau/Garmisch-Partenkirchen, 2017
  Lednytskyy, O. und C. von Savigny
  
• Estimation of heating rate values with the Multiple Airglow Chemistry model, DPG Frühjahrstagung, Bremen, 2017
  Lednytskyy, O. und C. von Savigny
  
• Influence of temporal and spatial variability in observations used to develop the Multiple Airglow Chemistry model on derived chemical heating rates, 13th International Workshop on Layered Phenomena in the Mesopause Region, Kühlungsborn, 2017
  Lednytskyy, O. und C. von Savigny
  
• O(1 S) quenching processes influence the sensitivity of equatorial MLT atomic oxygen to the 11-year and 27-day solar cycles, 7th Symposium of the Network for the Detection of Mesospheric Change, Grainau/Garmisch-Partenkirchen, 2017
  Lednytskyy, O. und C. von Savigny
  
• Sensitivity of equatorial atomic oxygen in the MLT region to the 11-year and 27-day solar cycles, J. Atmos. Sol.-Terr. Phys., 162, 136 – 150, 2017
  Lednyts’kyy, O., von Savigny, C., and Weber, M.
  
• Validation of the Multiple Airglow Chemistry model with in-situ measurements, DPG Frühjahrstagung, Bremen, 2017
  Lednytskyy, O. und C. von Savigny
  
• Night-time O(3 P) in the mesopause region derived from satellite observations of atmospheric airglow, DPG Frühjahrstagung, Würzburg, 2018
  Fytterer, T., Sinnhuber, M. and von Savigny, C.
  
• Studying mesospheric physics and chemistry using limb airglow observations, 9th atmospheric limb workshop, Saskatoon, Canada, June 2017. Lednytskyy, O., C. von Savigny, and E. J. Llewellyn, Validation of the extended Multiple Airglow Chemistry model with in-situ measurements of the Energy Transfer in the Oxygen Nightglow campaign, DPG Frühjahrstagung, Erlangen, 2018
  von Savigny, C., O. Lednytskyy et al.
  
• Model results of OH airglow considering four wavelength regions to derive night-time atomic oxygen and atomic hydrogen in the mesopause region, Atmos. Chem. Phys., 19, 1835 – 1851, 2019
  Fytterer, T., von Savigny, C., Mlynczak, M., and Sinnhuber, M.
  
• Modeling of molecular and atomic oxygen photochemistry on the basis of multiple in-situ and limb nightglow emissions, 10th Atmospheric Limb Conference, Greifswald, 2019
  Lednytskyy, O. und C. von Savigny
  
• Multiple Airglow Chemistry approach for atomic oxygen retrievals on the basis of in situ nightglow emissions, J. Atmos. Sol.-Terr. Phys., 194, 2019
  Lednyts’kyy, O., von Savigny, C., Sinnhuber, M., Iwagami, N., and Mlynczak, M.
  
• Retrieval of atomic oxygen on the basis of simulated data sets and those obtained remotely from collocated measuring sites, 8th Symposium of the Network for the Detection of Mesospheric Change, Oberpfaffenhofen, 2019
  Lednytskyy, O., S. Versick, M. Sinnhuber und C. von Savigny
  
• Validation of the Multiple Airglow Chemistry model applied on the basis of data sets from various sources, DPG Frühjahrstagung, München, 2019
  Lednytskyy, O., M. Sinnhuber und C. von Savigny
  
• hotochemical modeling of molecular and atomic oxygen based on multiple nightglow emissions measured in situ during the Energy Transfer in the Oxygen Nightglow rocket campaign, Atmos. Chem. Phys., 20, 2221 – 2261, 2020
  Lednyts’kyy, O. and von Savigny, C.