High Arctic gravity waves and their impact on middle atmospheric circulation and temperature

Prosjektets mål var å karakterisere tyngdebølger observert i mesosfæren ca 90 km over Svalbard og prøve å finne en sammenheng mellom tyngdebølgene og variasjoner i temperatur og vind i mesosfæren. På Kjell Henriksen Observatoriet (KHO) utenfor Longyearbyen på Svalbard, finns verdens største samling av optiske instrumenter for studier av nordlys og natthimmellys. I november 2010 ble det installert et kamera som kan avbilde nær-infrarødt natthimmellys som ikke er synlig med det blotte øyet. Tre av kameraets seks filtre har blitt valgt for å avbilde natthimmellys fra hydroxyl (OH), mer spesifikt fra vibrasjons-rotasjonsbåndet som kalles OH(6-2). I prosjektet har fire vintersesonger med bilder blitt analysert for å finne signaturer på tyngdebølger som forplanter seg gjennom OH-laget og fører til områder i bildene med varierende intensitet. Ved å bruke data fra en nærliggende meteor-radar som kan måle vinder i mesosfæren og et spektrometer som også måler temperaturen til natthimmellys-laget ved å måle intensiteten til OH(6-2) emisjonene, har bølgenes karakteristikk blitt funnet og sammenlignet med data fra andre deler av verden. Totalt ble 99 bølger med bølgelengde <100 km identifisert i bildene. Siden man har både temperatur- og vinddata tilgjengelig fra samme lokasjon har man også kunnet beregne den vertikale karakteristikken via en såkalt dispersasjonsrelasjon. Studiet viser at 47% av bølgene observert ved 87 km høyde beveger seg fritt i høydeområdet 75-95 kilometer, men hele 39% ser også ut til å kunne bevege seg i spesielle lag i atmosfæren, som fungerer som bølgeledere. Det finns noen få kameraer lokalisert på lignende breddegrader, både på den sørlige og nordlige halvkule og dataene fra Longyearbyen har blitt sammenlignet med publiserte data fra disse. Statistikk over bølgene observert i natrium-natthimmellys fra Resolute Bay (75°N), Canada, viser mye av de lignende karakteristikker som bølgene observert over Svalbard. En majoritet av disse beveger seg også i hovedsak i vestlig retning. At bølgene over høyarktisk Canada er relativt like de over Svalbard, er ikke så overraskende da bølgenes mulighet for å forplante seg oppover i atmosfæren, er sterkt avhengig av retning og styrke til vindene lenger ned i atmosfæren. Den polare jetstrømmen i stratosfæren er østlig rettet og tyngdebølger kan kun forplante seg oppover forbi denne om de beveger seg i motsatt retning, eller har raskere fasehastighet enn vinden. I tillegg til observasjoner av tyngdebølger, kan kameraet også brukes til å beregne temperaturen i mesosfæren fra forskjellen i intensitet mellom to av filtrene som brukes til å ta bilder av natthimmellyset. Disse filtrene tar bilder av lyset fra to linjer i båndet OH(6-2): P1(2) og P1(4) har bølgelengde hhv. 800.0 nm og 846.5nm. Kameraet mangler et filter for å måle intensiteten utenfor OH-linjene, så bakgrunnen har blitt beregnet ved å bruke den relative intensiteten til de samme to OH-linjene fra spektrometermålingene, men dette er da kun gyldig for de to instrumentenes felles synsfelt som er i senit. Raten mellom lysintensiteten til natthimmellyset sett gjennom de to filtrene, har gjennom studiet vist seg å gi relativt gode estimater for temperaturen i den øvre mesosfæren, men kun for atmosfæreforhold med lav bakgrunnsintensitet (dvs. lav nordlysaktivitet, lav solvinkel og ikke månelys). Ved å installere et bakgrunnsfilter vil kameraet trolig kunne brukes som en «temperaturavbilder» i perioder med gode atmosfæreforhold. Sammenligning av temperatur- og vinddata fra vintersesongen 2011/2012 viser en klar sammenheng mellom temperaturen til OH-laget og vindretningen og -styrke i mesosfæren ved såkalte SSW-perioder, hvor det er store og hurtige forandringer i vindstyrken i stratosfæren og mesosfæren. Sammenligner man OH-temperaturmålinger fra Svalbard med målinger av OH-temperaturer fra Andøya (69°N), finner man at har svært lik variasjon og trolig styres av samme bølgeaktivitet: Storskala planetære bølger. Andre viktige aktiviteter i prosjektperioden: Ved utenlandsopphold i 2012 ble det arrangert vitenskapelig workshop ved Utah State University (USU): Workshopen MLTI Waves and Dynamics at Polar Latitudes fokuserte på effekten til bølger og dynamikk i mesosfæren-termosfæren-ionosfæren (50-400 km). Workshopen samla forskere fra 15 forskjellige institusjoner i USA, Japan, Canada og Norge til et 2 1/2 dag langt møte med foredrag og diskusjoner om samarbeid om polar atmosfæreforskning. Margit Dyrland, Kim Nielsen og Mike Tayolor, USU, organiserte også en sesjon på CEDAR-møtet i 2012 med tittel: Wave dynamics in the Polar regions. Resultater fra prosjektet har blitt presentert på flere konferanser: The annual European meeting on atmospheric studies by optical methods i Helsinki 2011 og i Sopot 2012; Network for the detection of mesospheric change (NDMC) møte i Oberpfaffenhofen 2011 og 2012, AGU høstmøte i San Francisco 2012; CEDAR-møtet i Santa Fe 2012 og Boulder 2013, og Fysikermøtet i Bergen 2013.

Gravity waves (GWs) play an essential role in determining the global circulation and thermal balance of the atmosphere. Knowledge of the seasonal and latitudinal behavior of the GW momentum flux is essential to understand how they interact with the mean c irculation. However, at high latitudes such information is very sparse, mainly due to the inaccessibility of the high-Arctic regions (>75°N). This three year post-doc project will study GWs at a High Arctic location. An OH airglow imager installed at the Kjell Henriksen Observatory (KHO) at Longyearbyen, Svalbard (78°N) and co-located instruments will be used to study the influence of GWs on the middle atmospheric circulation and temperature. Spectral analysis of the images will be used to determine horiz ontal wave parameters of short-period (<1 h) GWs observed at polar night (Oct-Mar) during 2010/2011 and the subsequent years. The vertical propagation characteristics and direction and magnitude of the momentum flux will be derived combining the results w ith upper mesospheric wind measurements from a co-located meteor radar. GW characteristics for longer period waves (1-2 h) will be obtained from cross-sections of the image (keograms). These data will comprise a unique record of wintertime GW characterist ics for such a high latitude. This climatology will be compared to similar observations at other latitudes and to models in order to examine the latitudinal and inter-hemispheric characteristics of the gravity wave forcing. The Network for the Detection o f Mesopause Change (NDMC) will be used as a tool to aid in this comparison. We also aim to confirm whether there is a consistent strong linear relationship between the strength of the ~80 km meridional wind and the OH airglow peak altitude, brightness and temperature for both short- and long period variation.