Präzipitation von hochenergetischen Elektronen in die Atmosphäre: Eine Untersuchung anhand von Ballonmessungen und Modellstudien

• Antragstellerin: Dr. Miriam Sinnhuber
• Fachliche Zuordnung: Physik und Chemie der Atmosphäre
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 429584791

Energetische Elektronen, welche in der terrestrischen Magnetosphäre während auroraler Teilstürme und geomagnetischer Stürme beschleunigt werden, präzipitieren in hohen Breiten in die Atmosphäre. Stoßprozesse mit den häufigsten Luftbestandteilen N2, O2 und O führen zur Bildung von Stickoxiden in der Mesosphäre und unteren Thermosphäre (70-150 km) und initiieren neutrale und Ionenchemie-Reaktionen, die wiederum viele andere Gase beeinflussen. Während des polaren Winters werden Stickoxide in großen Abwärtsbewegungen in die Stratosphäre unterhalb 45 km Höhe transportiert, wo sie in katalytischen Zyklen Ozon zerstören. Dies wird der „indirekte Teilcheneffekt“ genannt. Da Ozon wesentlich zum Strahlungsheizen- und Kühlen der Stratosphäre beiträgt, werden hierdurch dynamische Kopplungsmechanismen initiiert, welche atmosphärische Temperaturen und Zirkulation großflächig bis in die Troposphäre hinunter beeinflussen können. Wegen ihrer möglichen Relevanz für Wettersysteme in hohen nördlichen Breiten insbesondere im Winter und Frühling, wird zum Beispiel für vom World Climate Programme WCRP initiierte Klima-Chemie-Modellstudien empfohlen, präzipitierende energetische Teilchen als Teil der natürlichen solaren Variabilität des Klimasystems mit zu berücksichtigen. Es hat sich allerdings in einigen neueren Studien gezeigt, dass die hierfür zur Verfügung gestellten Ionisationsraten Defizite enthalten, insbesondere eine Unterschätzung der atmosphärischen Ionisation während und nach starker geomagnetischer Stürme mit hoch-energetischen präzipitierenden Elektronen (HEEP), insbesondere in der Stratosphäre und unteren Mesosphäre unterhalb von 60 km.Im Rahmen dieses Projektes wollen wir den Einfluss von HEEP-Ereignissen auf die chemische Zusammensetzung, Temperatur und Dynamik der mittleren Atmosphäre (Stratosphäre und Mesosphäre, 10-90 km) untersuchen. Hierzu sollen atmosphärische Ionisationsraten aus einem bis 1961 zurückreichenden Datensatz von Ballonmessungen kombiniert werden mit neueren Satellitenbeobachtungen von stratosphärischen und mesosphärischen Spurengasen, sowie mit Modellen der mittleren Atmosphäre unterschiedlicher Komplexität, von eindimensionalen Ionen- und Neutralchemie und Strahlungs-Konvektiven Modellen zu globalen Klima-Chemiemodellen. Insbesondere werden wir folgende Fragestellungen untersuchen:• Welche langfristigen Auswirkungen hat die Präzipitation von hochenergetischen Elektronen auf die chemische Zusammensetzung der mittleren Atmosphäre, und welche Prozesse spielen hierfür eine Rolle?• Welchen Einfluss hat die kürzlich publizierte Unterschätzung der empfohlenen Ionisationsraten auf Modellergebnisse von Zusammensetzung, Temperatur und Dynamik der mittleren Atmosphäre? Diese Fragestellungen sind relevant im Rahmen von internationalen Programmen wie WCRP (https://www.wcrp-climate.org), SPARC HEPPA/SOLARIS (http://solarisheppa.geomar.de) und SCOSTEP (http://www.yorku.ca/scostep).

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Foundation for Basic Research, bis 3/2022
• Kooperationspartnerin: Dr. Irina Mironova, bis 3/2022