Polar middle atmospheric ozone: short term impact by solar protons and long-term trends
Nilsen, Kenneth (2024-11-22)
© University of Oulu, 2024. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited. © Oulun yliopisto, 2024. Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.
https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
https://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-202411216853
Kuvaus
Tiivistelmä
Ozone is a key constituent to understand the energy budget of the Earth’s atmosphere. It also protects life on Earth by absorbing the UV radiation from the Sun. Therefore, understanding atmospheric ozone is important. This thesis studies the short-term impact on ozone by Solar Proton Events (SPEs) in the polar lower mesosphere and upper stratosphere, as well as long-term ozone trends in the Arctic lower stratosphere. The objectives is to assess how well the current state-of-the-art climate model captures the response of ozone to SPEs by comparing with satellite-based observations, and to investigate if the Arctic ozone is recovering according to balloon-borne soundings.
To assess the capability of the climate model, the statistical sensitivity of the ozone response to the proton forcing from SPEs is derived from satellite instruments. An identical analysis is applied to the climate model to enable one-to-one comparison with the observed results. Additionally, the simulated response to the November 2001 SPE in the southern summer pole is also compared with observations from a single satellite instrument as a case study. The Arctic ozone recovery is investigated by deriving time-varying trends over 20-year periods in time series collected from 6 Arctic ozonesonde stations during the years 1994 to 2022 by using the Dynamic Linear Model (DLM).
The results show that the current state-of-the-art climate model, when compared to the satellite instruments, provides a realistic representation estimate of ozone sensitivity to SPEs. A good agreement is found in nighttime condition, as well as in daytime when large SPEs (pfu > 10⁴) are included in the data set. The study concludes that the current state-of-the-art climate model is conservative and thus is a good platform for long-term EPP impact. The observed ozone impact by the November 2001 SPE was reported for the first time in the work presented here. A modest but detectable ozone depletion was observed, and simulated in agreement by the climate model, in the upper stratosphere and lower mesosphere. From the model, it is revealed that the observed depletion was caused by increased levels of NOx. This work also shows that the ozone impact by November 2001 SPE was not different from other similar events of this space age. The results from the time-varying trends over 20-year periods derived from DLM generally reveals that the Arctic ozone has been increasing in years before 2019. However, in the years thereafter, a decline is evident as the trends are rather negative and significant. A recovery is thus not found. This work highlights the importance of long-term monitoring of Arctic ozone until robust evidence of recovery is finally found.
Otsoni on avainasemassa maan ilmakehän energianvaihdon ymmärtämisen kannalta. Sen lisäksi otsoni suojaa elämää maapallolla absorboimalla auringon UV-säteilyä. Siksi ilmakehän otsonin ymmärtäminen on tärkeää. Tämä väitöskirja tutkii auringon protonieventtien aiheuttamia lyhyen aikavälin otsonimuutoksia alemmassa mesosfäärissä ja ylemmässä stratosfäärissä, ja lisäksi pitkän aikavälin otsonivaihteluita arktisen alueen alemmassa stratosfäärissä. Tavoitteena on arvioida kuinka hyvin tämänhetkistä viimeisintä tekniikkaa edustava ilmastomallinnus tavoittaa protonieventtien aiheuttaman otsonivaihtelun vasteen verrattuna satelliittihavaintoihin. Lisäksi tavoiteena on tutkia palloluotauksista onko arktisen alueen ilmakehän otsoni palautumassa.
Ilmastomallin herkkyyttä protonipakotteelle tutkittiin tilastollisesti satelliittimittausten avulla niin, että identtinen analyysi tehtiin myös ilmastomallin tuloksille mahdollistaen yksyhteen vertailun mallin ja havaintojen välillä. Lisäksi simuloitua arktisen alueen otsonin palautumista marraskuun 2001 protonimyrskystä verrattiin satelliittihavaintoihin tapaustukimuksena. Arktisen alueen otsonin palautumista pitemmällä aikavälillä tutkittiin muodostamalla kuuden arkisen aseman otsoniluotausdatoista ajasta riippuva 20 vuoden dynaaminen trendi aikavälille 1994-2002 ns. dynaaminen lineaarinen malli (DLM) -tekniikalla.
Tulokset osoittavat, että nykyinen ilmastomallinnus tarjoaa realistisen kuvan otsonin herkkyydestä auringon protonieventeille verrattuna satelliittihavaintoihin. Hyvä vastaavuus saavutettiin erityisesti yöaikana, ja samoin päiväaikana etenkin suurimpien protonieventtien yhteydessä (pfu > 10⁴). Tutkimuksen johtopäätöksenä on, että nykyinen ilmastomallinnuksen realistinen (ja konservatiivinen) otsoniresponssi tarjoaa hyvän perustan auringon hiukkaspakotteen vaikutusten mallintamiselle pitkällä aikavälillä. Havaittu marraskuun 2001 protonieventin otsonivaikutus raportoitiin tässä tukimuksessa ensimmäistä kertaa. Heikko, mutta havaittavissa oleva otsonikato mitattiin ja simuloitiin onnistuneesti ylemmälle startosfäärille ja alemmalle mesosfäärille. Mallinnus paljasti, että otsonikato aiheutui parittoman typen (NOx) kohonneesta tasosta. Tämä työ myös osoitti, että marraskuun 2001 protonieventti ei eronnut merkittävästi muista samanlaisista eventeistä tämän avaruusaikakauden aikana. Tulokset ajan suhteen muuttuvasta 20 vuoden DLM-otsonitrendistä paljastavat, että arktisen alueen otsoni on kasvanut ennen vuotta 2019, mutta sen jälkeisinä vuosina otsonin väheneminen näyttää varmalta, eikä ainakaan positiivia trendejä (eli otsonin palautumista) havaittu. Toipumista ei siis löydy. Tämä työ korostaa pitkän aikavälin merkitystä arktisen otsonin seurantaa, kunnes lopulta löydetään vankat todisteet elpymisestä.
Original papers
-
Nilsen, K., Kero, A., Verronen, P. T., Szeląg, M. E., Kalakoski, N., & Jia, J. (2021). Sensitivity of middle atmospheric ozone to solar proton events: A comparison between a climate model and satellites. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 126, e2021JD034549. https://doi.org/10.1029/2021JD034549 https://doi.org/10.1029/2021JD034549
-
Nilsen, K., Kero, A., Verronen, P. T., & Szeląg, M. E. (2022). Satellite-borne observations of ozone impact by the November 2001 solar proton event. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 127, e2022JD036904. https://doi.org/10.1029/2022JD036904 https://doi.org/10.1029/2022JD036904
-
Nilsen, K., Kivi, R., Laine, M., Poyraz, D., Van Malderen, R., Von Der Gathen, P., Tarasick, D. W., Thölix, L., & Jepsen, N. (2024). Time-varying trends from Arctic ozonesonde time series in the years 1994–2022. Scientific Reports, 14(1), 27683. https://doi.org/10.1038/s41598-024-75364-7 https://doi.org/10.1038/s41598-024-75364-7
Osajulkaisut
-
Nilsen, K., Kero, A., Verronen, P. T., Szeląg, M. E., Kalakoski, N., & Jia, J. (2021). Sensitivity of middle atmospheric ozone to solar proton events: A comparison between a climate model and satellites. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 126, e2021JD034549. https://doi.org/10.1029/2021JD034549 https://doi.org/10.1029/2021JD034549
-
Nilsen, K., Kero, A., Verronen, P. T., & Szeląg, M. E. (2022). Satellite-borne observations of ozone impact by the November 2001 solar proton event. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 127, e2022JD036904. https://doi.org/10.1029/2022JD036904 https://doi.org/10.1029/2022JD036904
-
Nilsen, K., Kivi, R., Laine, M., Poyraz, D., Van Malderen, R., Von Der Gathen, P., Tarasick, D. W., Thölix, L., & Jepsen, N. (2024). Time-varying trends from Arctic ozonesonde time series in the years 1994–2022. Scientific Reports, 14(1), 27683. https://doi.org/10.1038/s41598-024-75364-7 https://doi.org/10.1038/s41598-024-75364-7
Kokoelmat
- Avoin saatavuus [38824]