Effects of energetic electron Precipitation In a Changing climate

Det stormfulle romværet forårsaker energirik partikkelnedbør (EPP) i den øvre atmosfæren på høye breddegrader. EPP produserer nitrogenoksider (NOx). NOx har en lang kjemisk levetid i polarnatten vinterstid og synker til stratosfæriske høyder via det meridionale sirkulasjonssystemet. NOx reduserer mengden ozon i den polare stratosfæren, og kan dermed potensielt påvirke atmosfærisk dynamikk helt ned til overflaten. Et ubesvart spørsmål er hvordan klimaendringer påvirker koblingen mellom partikkelnedbør og atmosfæren. Menneskeskapte klimaendringer avkjøler atmosfæren over værsystemet vårt siden mindre langbølget stråling slipper ut fra troposfæren. Videre, ble den globale ozon-mengden kraftig redusert av ozonreduserende stoffer (KFK-gasser) i siste halvdel av det tjuende århundre. Nivåene av stratosfærisk ozon er nå sakte på vei opp etter at Montreal-protokollen forbød bruk av KFK. Gjenoppretting til 1960-tallsnivå er anslått å skje en gang etter 2050. En kjøligere stratosfære vil derimot bremse tempoet til ozonødeleggende kjemiske reaksjoner, noe som fører til netto positiv ozonproduksjon i en atmosfære med høye klimagassutslipp. Dette kalles supergjenvinning av ozon. Dette prosjektet har hatt som mål å forstå hvordan EPP påvirker atmosfæren vår på lengre tidsskalaer. Vi har brukt to forskjellige kjemi-klimamodeller og reanalysedata for å studere hvordan den kjemiske og dynamiske effekten av EPP moduleres av de menneskeskapte endringene i atmosfæren. Resultatene belyser hvordan EPP vil påvirke atmosfæren i fremtiden eller for eksempel etter et større vulkanutbrudd. Klimamodellen WACCM viser at ved slutten av det 21. århundre vil EPP produsert NOx over Antarktis synke raskere ned til stratosfæriske høyder om vinteren i en atmosfære med sterke klimagassutslipp. Raskere transport er en konsekvens av akselerasjon av det meridionale sirkulasjonssystemet i den antarktiske mesosfæren. En økning i stratosfærisk NOx fører til sterk ozonnedbrytning om våren. Denne EPP-effekten motarbeider den forventede ozon-økningen knyttet til avkjøling av stratosfæren, og kan forhindre en supergjenvinning av ozon i den øvre antarktiske stratosfæren. Modellerings resultater fra tiden etter KFK-utslipp viser at EPP har hatt en betydelig innvirkning på konsentrasjonen av Klor (Cl) i den Antarktiske stratosfæren. NOx og HOx molekyler, som blir produsert av EPP, reagerer med reaktive Klor molekyler, og skaper ikke-reaktive molekylære sammenbindinger (ClONO2, HCl). Dette gjør at EPP har fungert som en "buffer" som har motvirket den KFK relaterte reduksjonen i ozonlaget. Man kan derfor forvente at EPP i fremtiden, med minkende mengder av KFK kjemikalier, vil ha en større påvirkning på mengden ozon. I tillegg har flere simuleringsresultater tydeliggjort at EPP har større effekt på atmosfæren under plutselige stratosfæriske oppvarminger (SSW). Ved å inkludere EPP i klimamodellene WACCM og SOCOL ser man at avtrykket av SSW i den øvre atmosfæren er svakere sammenlignet med avtrykket når EPP er ekskludert fra modellen. Samtidig viser andre studier at effekten av EPP i den øvre atmosfæren er svakere i modellene sammenlignet med observasjoner, noe som tyder at på at EPP potensielt kan ha en enda viktigere påvirkning på den atmosfæriske dynamikken enn modellene så langt klarer å gjenskape.

EPIC has delivered a high quality PhD thesis and more than ten papers have been published in high-ranked journals. The EPIC project has been a dedicated support for collaboration between the Space Physics community and the Climate research community. Moreover, the result of the EPIC project underlines the need for such collaborations also in the future, as our changing climate will enforce the effects of energetic particle precipitation in the atmosphere with potential impact on seasonal weather forecasts and climate projections for the polar regions. Chemistry-climate model runs tailored to the EPIC objective will be implemented in a future PhD project. The result of EPIC will also be a pertinent part of a review paper dedicated to highlighting the impact of energetic particle precipitation on climate predictions and seasonal forecast in the polar regions.

Anthropogenic climate change is not just limited to the lower atmosphere but have notable implications to the middle atmosphere as well. As a consequence, the stratosphere is cooled due to the less longwave radiation escaping the troposphere. Recent results provide an indication that dynamics in the stratosphere may have significant implications to the troposphere, especially in the high latitudes. While effect of solar variability on the surface is thought to be fairly small due to the direct radiative forcing changes in solar cycle timescales, substantial uncertainties still exist when considering indirect effect through the stratospheric forcing. Especially energetic electron precipitation (EEP) effect to middle atmosphere dynamics and its potential element of influencing high latitudinal climate is still not well verified. This project will try to unravel the uncertainties of EEP effect in the middle atmosphere and its changes in longer timescales. Recent research indicates that the relation between the particle forcing and the circulation changes in the lower atmosphere became significant since 1970s onwards. So far no thorough or consistent explanation has been given to this behavior, although the mechanism how EEP can induce circulation change in the high latitudinal stratosphere via chemical ozone depletion is reasonably well established. We will use two different chemistry-climate models (WACCM and SOCOL) to study how chemical and dynamical effect of EEP is modulated by the change of background atmosphere. In essence, is the effect different in the preindustrial and modern atmosphere. Additionally we will use volcanic atmosphere to study if these effects vary also after major volcanic eruption.