Solar-Terrestrial Coupling through High Energy Particle Precipitation in the Atmosphere: a Norwegian contribution (HEPPA-Norway)

Å forstå solas påvirkning på jordas midlere atmosfære, lavere atmosfære og overflateklima er fokus for mange store internasjonale vitenskapelige programmer. Betydningen av solas påvirkning sammenlignet med menneskeskapt påvirkning over tidsskalaer fra minutter til århundrer er fortsatt ikke klarlagt. Tidligere studier har i stor grad fokusert på solinnstråling, mens virkningen av energirike partikler som stammer fra nordlysaktivitet, solstormer og forstyrrelser i jordas strålingsbelte, er akkurat begynt å bli utforsket. De kjemiske signaturene fra energisk partikkelnedbør er tydelig observert av satellitter. Partikkelnedbør kan produsere nitrogenoksider (NOx) in-situ i den øvre stratosfæren under sterk protonnedbør, eller i mesosfæren og termosfæren under svakere elektronernedbør relatert til nordlysaktivitet, og under mer sporadiske og høyere energetisk elektronnedbørsepisoder. Partikkelnedbør er den største kilden til stratosfærisk NOx, en sterk katalysator for ozonnedbryting. Den sesongavhengige atmosfæresirkulasjonen transporter NOx nedover gjennom den polar stratopausen om vinteren, og er påvirket av dynamiske forstyrrelser som plutselige stratosfæriske oppvarminger og forhøyet stratopausehendelser, og varierer dermed mye fra år til år. Vi har foretatt en detaljert analyse av en serie av geomagnetiske stormer i april og mai 2010, og sammenlignet satellittobservasjoner av nitrogenoksid fra NASAs AIM-satelitt med modellert nitrogenoksid fra klimamodellen WACCM. Studiet viser at modellen feilberegner mengden nitrogenoksid, og vi mener dette er forårsaket av modellens dårlige parametrisering av elektronnedbør. Ved å erstatte dagens parametrisering med elektronmålinger fra NOAAs POES-satelliter, ser det om som vi kan få modellen til å produsere nitrogenoksid som stemmer bedre overens med satelittmålingene fra AIM. Disse geomagnetiske stormene har også blitt simulert med WACCM_D, hvor D står for D-regionen av ionosfæren, nylig utviklet på NCAR i samarbeid med det finske meteorologiske institutt. Den nye modellen inneholder avansert mesosfærisk ionekjemi, som har gjort det mulig for oss å kartlegge fluktuasjoner av nøytrale og ioniske nøkkelarter, og å markere sin viktige rolle i gjengivelse av kjemiske signaturer av partikkelnedbør. Sammen har de nylig korrigerte observasjonsdataene, den forbedrede representasjonen av energiske elektroner satt inn i WACCM-modellen, og inkluderingen av en sofistikert ionkjemi i mesosfæren, gjort det mulig for oss å bedre kvantifisere de direkte og indirekte effektene av energisk partikkelnedbør på nitrogenoksider, og de bredere konsekvensene på nitrogenfamilien.

In order to improve our understanding of the effect of energetic particle precipitation upon the chemistry and dynamics of the coupled mesosphere-stratosphere system, and ultimately upon surface climate, the project will rely on combined modeling and obse rvational studies. Using particle precipitation measures from polar-orbiting or geostationary satellites as well as ground-based observations, we will investigate how the middle atmospheric chemistry and temperature are influenced by different types of energetic particle precipitation events, and improve the spatial and temporal characterisation of energetic particle precipitation events. Using modeling studies of energetic particle precipitation with a chemistry-climate model (WACCM) including improv ed parametrisations of ionic chemistry and of energetic electron precipitation, we will evaluate the chemical-dynamical couplings in the upper and middle atmosphere, and their potential surface and climate impact at high latitudes will also be examined. T he model results will be benchmarked against satellite observations.