Mesospheric Dust in the Small Size Limit: Radar Studies, Model Calculations and Supporting Observations

Dette prosjektet undersøkte dannelsen av- og interaksjonene mellom nanopartikler (dette er støvpartikler på bare noen få nanometer store) i delvis ionisert gass i jordens atmosfære, spesielt i den delen som kalles mesosfære. Utgangspunktet for prosjektet er to gjenstående spørsmål: Hva er antallet og størrelsesfordelingen av nanopartikler i den polare mesosfæren, og hvordan varierer de med høyden, og hvilke prosesser bestemmer antallet og størrelsesfordeling? Hva er den elektriske ladningen til nanopartiklene i den polare mesosfæren, og hvilke parametere bestemmer ladningen, og hvordan påvirker ladningen i sin tur den nærliggende mesosfæren? Prosjektet kombinerte modellberegninger og observasjoner gjort med raketter, EISCAT-radarer og andre instrumenter. Dette for å undersøke støvpartikler som har nanometer størrelse i høyden 60 til 120 km som ligger i mesosfæren og over mesosfæren. Dette området av atmosfæren består av delvis ionisert gass, som kalles plasma. Støvpartikler i mesosfæren kan observeres med radar målinger av «Polar Mesospheric Sumer Echoes» (PMSE). Nanopartiklene kan også studeres i den inkoherente spredningsprosessen, men hittil kun under spesielle forhold som vi har kartlagt i dette prosjektet. Vi startet også radarstudier av meteorer som opphav for støvpartiklene. Vi har fått en bedre forståelse av støvinteraksjoner, støvplasma og inkoherent spredning i denne delen av atmosfæren. Vi fant at de ladede støvpartikler påvirker den inkoherente spredningen og må tas i betraktning i radarstudier. For modulering av PMSE med sterke radiobølger, slik det gjøres med EISCAT Heating eksperimentet, fant vi at eksperimentene ikke er egnet til å undersøke støvladninger fordi modulasjonene er svært variable, antagelig på grunn av atmosfæriske variasjoner. Våre teoretiske studier av landingsprosessen viser at positivt og negativt ladet støv kan eksistere side om side i mesosfæren, noe som har betydning for støvveksten. En teoretisk studie har vist at heterogen kondensasjon er nødvendig for å forklare dannelsen av ispartikler som observeres, noe som har betydning for den rollen partikler fra romsøppel kan spille i mesosfæren. Prosjektet har forberedt en ny rakettkampanje, MXD2: En støvsamler ble utviklet, og laboratorietester er gjennomført. En støvdetektor ble laget og testet under G-Chaser-studentkampanjen. Arbeidet med PMSE og inkoherent spredning fra mesosfæren bereder grunnen for videre studier med den kommende EISCAT-3D-radaren. Våre resultater på heterogen dannelse av ispartikler kan være et viktig bidrag til å forklare trenden med at mengden av ispartikler har økt i løpet av de siste to tiårene. Selv om også andre menneskelig påvirkning spiller en rolle, må støvpartikler fra romsøppel vurderes. Vår nye forståelse av støvladningen i mesosfæren bidrar til å forstå fysikken og kjemien i mesosfæren og over mesosfæren, som er et lite studert område innen sol-terrestrisk fysikk. Den samlede forståelsen av støv-plasma-fenomenene kan anvendes på atmosfærene til andre planeter og måner i solsystemet. Disse undersøkes i romforskningsprogrammene til ESA, den europeisk romfartsorganisasjon. Prosjektet har styrket internasjonale forskningssamarbeid og bidratt til å etablere nye samarbeid med grupper i Finland, Tyskland, Japan, Sverige, Storbritania og i USA. Et resultat er felles online-seminarer med grupper som forsker på atmosfærer til jorden, planeter og måner. Lokalt har vi etablert nye tverrfaglige samarbeid med forskere som jobber med optikk og maskinlæring. Flere studentoppgaver er gjennomført i prosjektet, blant annet to doktorgradsavhandlinger og fem masteroppgaver. En prosjektfinansiert postdoktor som blant annet fikk opplæring i bruk av EISCAT-data, har gått over i en fast akademisk stilling.

The developed tools for PMSE studies that can be used for studies based on the EISCAT data archive over more than 3 decades and for studies with the upcoming EISCAT_3D. Our improved understanding of the incoherent scatter from the mesosphere contributes to interpreting observations from this region (which is the D-region of the ionosphere) that will be made possible with the new EISCAT_3D. Based on the work in the project we raised ESA-PRODEX funds for a rocket campaign with launch in summer 2025 to investigate dust and to implement the first return of dust samples from the mesosphere. MXD2 is the first Norwegian campaign with payload recovery which is an important step forward. The developped understanding on the physics of small particles in the mesphere is important for investigating effects of the nm-sized particles from space debris, a component that is presumably increasing. The study of ice particle formation and particle growth in general contributes to the study of trends in the mesosphere observed over the past decades that are thought to be anthropogenic or partially anthropogenic. Our developed understanding of the dust charging in the mesosphere contributes to understanding the physics and chemistry of the mesosphere / lower thermosphere region which is a largely unexplored region in solar-terrestrial physics. The overall understanding of dusty-plasma phenomena that we develop can be applied to the ionospheres of planets and moons which are studied with space missions in the ESA science program. Physics of charging, growth and plasma interactions is important in general for cosmic dust in astrophysics like in the interstellar medium or in early forming solar system.

This study addresses the fundamental questions how particles of nanometer size form and interact in the partially ionized medium of Earth ionosphere. We analyze the incoherent scatter of radio waves from the mesosphere, a dusty plasma process, to study particles at the size transition from molecules to nanodust. The ionosphere at 75 to 110 km altitude, the mesosphere contains nanoparticles ranging from dust to few 100 amu. The polar mesosphere cools down to 120 K or lower during summer and nanoparticles that contain ice lead to the formation of the visible Noctilucent Clouds (NLC) and to Polar Mesospheric Summer Echoes (PMSE) observed with radar. Size and charge of nanoparticles influence their growth rates, chemical processes and PMSE formation. We study for the first time systematically the influence of charged nanoparticles on the incoherent scatter spectra with measurement at three different radar frequencies. We plan to observe during a rocket measurement and consider results from previous ones. We calculate height profiles of the nanoparticles using atmospheric models, simulate their nucleation and carry out dusty plasma simulations to analyze the observations. Based on this we will determine the size distribution, smallest size, and charging rates of the nanoparticles, parameters of fundamental importance for understanding the role of nanoparticles in mesospheric processes. We also plan first observations with the new EISCAT_3D radar. The project will be carried out at Tromsø University (UiT) with a long tradition in cosmic dusty plasma research and radar observations of the ionosphere. The project manager has long experience in cosmic dust research using space measurements, observations, model calculations and recently radar studies. This multidisciplinary project brings together international experts in the fields of atmospheric chemistry, laboratory experiments and low temperature studies, dusty plasma theory, space and atmospheric physics.