Modeling and remote sensing of airglow emissions in the mesopause region: algorithm development and science applications

In this doctoral thesis, algorithms are presented that are designed for the investigation in the mesopause region between the upper Mesosphere and Lower Thermosphere (MLT). The photochemical models are proposed and applied to represent the oxygen airglow and the oxygen photochemistry in the MLT. Atomic oxygen, O, in the ground state, O(3P), is of special interest because it is a reactive trace gas actively contributing to the Earth’s airglow. The retrievals of O(3P) concentrations, [O(3P)], are based on the nightglow time series of the green line emission measured remotely as in the first part of this thesis and the individual profiles of multiple nightglow emissions of O and molecular oxygen (O2) measured in situ as in the second part of this thesis. To process the complete spectral time series measured by using the satellite-borne instrument SCIAMACHY (SCanning Imaging Absorption spectroMeter for Atmospheric CHartographY), an intricate set of algorithms is developed and applied with the regularized total least squares minimization approach to estimate a set of the optimal regularization parameters and to retrieve a corresponding set of vertical Volume Emission Rate (VER) profiles. Furthermore, these algorithms take emissions of another origin and the Earth's shape into account. Considering not identified states of O2, the established photochemical models are adjusted resulting in two model modifications. Both model modifications are employed to retrieve the [O(3P)] time series on the basis of the VER time series in the MLT. The model input parameters vary in the atmosphere that motivated to propose these two model modifications and to employ available sources of the input parameters. One semi-empirical model, one general circulation model and the satellite-borne instrument SABER (Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry) are employed as sources of the reference [O(3P)] and input parameters time series. The SABER instrument employed as a source of the input parameters is preferred according to the comparison of the retrieved and reference [O(3P)] time series. Studying the impact of the 11-year solar cycle on O(3P) in the MLT, an algorithm is developed and applied with the Levenberg-Marquardt algorithm to estimate the optimal fit parameters step-wise. The results of the O(3P) sensitivity analysis obtained with respect to the solar activity forcing at the 11 year and 27 day time scales and the lunar gravitational forcing agree with the reference model simulations. The hypothesis regarding vertical shifts between different of Meinel bands at least partly caused by the hydroxyl radical (OH*) quenching with O(3P) is confirmed experimentally. Based on the conclusion drawn in the first part of this thesis that the data sets’ self-consistency is high as for the averaged SABER and SCIAMACHY measurements, a comprehensive set of available data with a higher level of the data sets’ self-consistency is employed in the second part of this thesis. Multiple airglow emissions measured in situ during four campaigns are employed to propose the Multiple Airglow Chemistry (MAC) model. Processed emissions are the Herzberg I, Chamberlain, Atmospheric and Infrared Atmospheric band emissions of O2 and the green line emission of O. Considering all widely known and additionally complemented reactions, the MAC model is proposed to represent the oxygen airglow and the oxygen photochemistry in the MLT. The presented MAC model is based on the hypothesis of Slanger et al. (2004) stating that higher excited states of O2 are coupled with each other through vibronic de-excitation caused by collisions among molecules of this group of O2 states in the MLT. This hypothesis is modified excluding the singlet Herzberg state of O2 from the group of O2 states considered by Slanger et al. (2004). The MAC calculations are carried out sequentially starting with higher excited O2 states to provide the retrieved output concentrations of these O2 states as the input concentrations to the next calculation steps. The final step is only based on concentrations of all species, whereas each of the earlier steps is based on a corresponding VER profile besides of the input concentrations. The oxygen photochemistry in the MLT is represented by all species considered at the final step that makes it possible to adopt the MAC reactions in a general circulation model. Four modifications of the MAC model, i.e. including or excluding the triplet Herzberg states of O2 and including or excluding ozone and odd hydrogen (hydrogen, OH* and hydroperoxy radical), lead to negligible differences in the retrieved [O(3P)] profiles. Based on the MAC calculations verified and validated on the basis of the four rocket campaigns, one of the effective modifications of the MAC model (excluding the triplet Herzberg states of O2, ozone and odd hydrogen) is further reduced to the most effective modification. This implies that for the [O(3P)] retrieval only the O2 Atmospheric band emission, temperature and concentrations of molecular nitrogen (N2) and O2 are sufficient to apply. Calculations carried out by using the most effective modification of the MAC model are verified and validated on the basis of self-consistent in situ measurements obtained simultaneously. The MAC model enables identifying precursors of (1) the three lowest O2 valence states and (2) the second excited O state responsible for (1) the Atmospheric and Infrared Atmospheric band emissions of O2 and (2) the green line emission of O, respectively. Particularly, the singlet Herzberg state of O2 is identified as the major precursor of the second excited O state resulting in the green line emission. In focus of potential further research is an extension of the MAC model with vibrationally excited states of O2 and ionized species.In dieser Doktorarbeit werden Algorithmen vorgestellt, die für die Untersuchung in der Mesopausenregion zwischen der oberen Mesosphäre und der unteren Thermosphäre (auf Englisch: MLT) entwickelt wurden. Die photochemische Modelle werden vorgeschlagenen und angewandt, um das Sauerstoff-Luftleuchten (auf Englisch: airglow) und die Sauerstoff-Photochemie in der MLT darzustellen. Der atomare Sauerstoff, O, im Grundzustand, O(3P), ist von besonderem Interesse, weil es sich um ein reaktives Spurengas handelt, das aktiv zum Luftleuchten der Erde beiträgt. Für die Berechnungen von den O(3P)-Konzentrationen, [O(3P)], wird die Zeitreihe des fern gemessen Nachtluftleuchtens (auf Englisch: nightglow) der grünen Emissionslinie im ersten Teil dieser Arbeit verwendet. Im zweiten Teil dieser Arbeit werden hierfür die einzelne Profile von in situ gemessen Mehrfachemissionen des Nachtluftleuchtens von O und molekularen Sauerstoff (O2) verwendet. Zur Bearbeitung der vollständigen spektralen Zeitreihe, die mit dem satellitengestützten Instrument SCIAMACHY (auf Englisch: SCanning Imaging Absorption spectroMeter for Atmospheric CHartographY) gemessen wurden, wird ein komplexer Satz von Algorithmen entwickelt und zusammen mit dem Ansatz zur Minimierung der regularisierten totalen kleinsten Quadrate angewandt, um einen optimalen Satz der Regularisierungsparameter zu ermitteln und einen entsprechenden Satz vertikaler Profile von Volumenemissionsraten (VER) zu berechnen. Darüber hinaus lassen diese Algorithmen Emissionen anderer Herkunft und die Form der Erde berücksichtigen. Die etablierte photochemische Modelle, die auf nicht identifizierten Zuständen von O2 basieren, werden angepasst, was zu zwei Modellmodifikationen führt. Beide Modellmodifikationen werden zur Berechnung der [O(3P)] Zeitreihe auf der Grundlage der VER Zeitreihe in der MLT angewandt. Die Modelleingangsparameter variieren in der Atmosphäre, dies hat motiviert beide Modellmodifikationen vorzuschlagen und verfügbare Quellen für die Eingangsparameter zu verwenden. Ein semi-empirisches Modell, ein allgemeines Zirkulationsmodell und das satellitengestützte Instrument SABER (auf Englisch: Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry) werden als Quellen für die Zeitreihen der Referenz-[O(3P)] und Eingangsparameter verwendet. Das SABER-Instrument wird als eine Quelle für die Eingangsparameter aufgrund des Vergleichs von den Zeitreihen der berechneten und Referenz-[O(3P)] bevorzugt. Um den Einfluss des 11-jährigen Sonnenzyklus auf O(3P) in der MLT zu untersuchen, wird ein Algorithmus entwickelt und zusammen mit dem Levenberg-Marquardt-Algorithmus angewandt, um die optimale Anpassungsparameter schrittweise zu ermitteln. Die Ergebnisse der Empfindlichkeitsanalyse von O(3P), die in Bezug auf den Antrieb der Sonnenaktivität auf der 11-Jahres- und 27-Tages-Zeitskala sowie den Antrieb der Mondgravitation gewonnen werden, stimmen mit den Referenzmodellsimulationen überein. Die Hypothese bezüglich vertikaler Verschiebungen zwischen verschiedenen Meinel-Banden, die durch das Löschen des Hydroxylradikals (OH*) mit O(3P) mindestens teilweise verursacht werden, wird experimentell bestätigt. Basierend auf die Schlussfolgerung, dargestellt im ersten Teil dieser Arbeit, dass die Selbstkonsistenz der Datensätze von den gemittelten SABER- und SCIAMACHY-Messungen hoch ist, wird ein umfassender Satz verfügbarer Daten mit einer höheren Selbstkonsistenz der Datensätze im zweiten Teil dieser Arbeit verwendet. Mehrfachemissionen des Luftleuchtens, die während der vier Kampagnen in situ gemessenen wurden, werden verwendet, um das Modell Multiple Airglow Chemistry (MAC, auf Deutsch: Chemie des mehrfachen Luftleuchtens) vorzuschlagen. Als Emissionen werden die Herzberg I, Chamberlain, Atmosphärische und Infrarot-Atmosphärische Bandemissionslinien von O2 und die grüne Emissionslinie von O bearbeitet. Unter Berücksichtigung aller allgemein bekannten und zusätzlich ergänzten Reaktionen wird das MAC-Modell vorgeschlagen, um das Sauerstoff-Luftleuchten und die Sauerstoff-Photochemie in der MLT darzustellen. Das vorgestellte MAC-Modell basiert auf der Hypothese von Slanger et al. (2004), die besagt, dass höher angeregte Zustände von O2 durch vibronische Abregung miteinander gekoppelt sind, was durch Kollisionen zwischen Molekülen aus dieser Gruppe von O2-Zuständen in der MLT verursacht wird. Diese Hypothese wird unter Ausschluss des Singulett-Herzberg-Zustands von O2 aus der Gruppe von O2-Zuständen nach Slanger et al. (2004) modifiziert. Die MAC-Berechnungen werden sequentiell ausgeführt, wobei mit höher angeregten O2-Zuständen begonnen wird, damit die ermittelte Ausgangskonzentrationen dieser O2-Zustände als Eingangskonzentrationen für die nächsten Berechnungsschritte bereitgestellt werden. Im letzten Schritt werden nur Konzentrationen aller Spezies verwendet, wobei an jedem früheren Schritt ein entsprechendes VER Profil außer Eingangskonzentrationen verwendet wird. Die Sauerstoff-Photochemie in der MLT ist von allen Spezies dargestellt, die im letzten Schritt betrachtet werden, wodurch es möglich wird, die MAC-Reaktionen in ein allgemeines Zirkulationsmodell aufzunehmen. Vier Modifikationen des MAC-Modells, i.e. unter Einschluss oder Ausschluss der Herzberg-Triplettzustände von O2 und unter Einschluss oder Ausschluss von Ozon und ungeradem Wasserstoff (Wasserstoff, OH* und Hydroperoxyradikal), führen zu vernachlässigbaren Unterschieden in berechneten [O(3P)] Profilen. Aufgrund der MAC-Berechnungen, die anhand der vier Raketenkampagnen verifiziert und validiert wurden, wird eine der effektiven Modifikationen des MAC-Modells (unter Ausschluss von Herzberg-Triplettzustände von O2, Ozon und ungeradem Wasserstoff) weiter auf die effektivste Modifikation reduziert. Dies bedeutet, dass für die Berechnung von [O(3P)] nur die Atmosphärische Bandemissionen von O2, die Temperatur und die Konzentrationen von molekularem Stickstoff (N2) und O2 ausreichend anzuwenden sind. Berechnungen mit der effektivsten Modifikation des MAC-Modells werden auf der Grundlage von selbstkonsistenten in situ gleichzeitig erhaltenen Messungen verifiziert und validiert. Das MAC-Modell ermöglicht die Identifizierung der Präkursoren von (1) den drei niedrigsten O2-Valenzzuständen und (2) dem zweiten angeregten O-Zustand, die für (1) die Atmosphärische und Infrarot-Atmosphärische Bandemissionslinien von O2 und (2) die grüne Emissionslinie von O entsprechend verantwortlich sind. Insbesondere wird der Singulett-Herzberg-Zustand von O2 als der Hauptpräkursor des zweiten angeregten O-Zustands identifiziert, der zur grünen Emissionslinie führt. Im Fokus der weiteren möglichen Untersuchung steht eine Erweiterung des MAC-Modells durch schwingungsangeregte Zustände von O2 und ionisierte Spezies