Ionenchemiemodell der unteren Ionosphäre

Es soll ein theoretisches, ionenchemisches Modell für den ionisierten Anteil Mesosphäre, der so genannten D- Schicht, entwickelt werden. Die Berechnungen sollen nicht in Konkurrenz zu den komplexen Atmosphärenmodellen treten, welche nicht nur Ionen und Elektronen, sondern auch die neutralen Bestandteile der Atmosphäre und ihre Dynmik in selbstkonsistenter Weise berechnen. Der vorwiegende Verwendungszweck des Modells besteht vielmehr als benutzerfreundliches Werkzeug, mit dessen Hilfe die große Anzahl an empirischen Ionosphärendaten beurteilt werden kann, welche am Institut verfügbar sind. Insbesonders sollen die Modellrechnungen ein Gerüst bilden, welches durch einfache Korrekturfunktionen an die empirischen Daten angepaßt werden kann. Durch diesen neuartigen Ansatz sollen die wichtigsten Parameter der unteren Ionosphäre in realistischer Weise modelliert werden.

Die Mesosphäre, also der Bereich der Erdatmosphäre oberhalb der Stratosphäre bis etwa 90 km Höhe, ist für lokale Messungen nur mit Hilfe von Forschungsraketen erreichbar. Solche Messungen sind naturgemäß selten, und daher birgt diese Region zahlreiche unbeantwortete Fragen. Der ionisierte Anteil in diesen Höhen wird auch D-Schicht der Ionosphäre genannt. Die vorherrschende Chemie in der Mesosphäre (sowohl der Neutralgase als auch der Ionen) ist ein Hauptgebiet gegenwärtiger Untersuchungen, nicht zuletzt wegen des starken Einflusses von Spurengasen in diesen Höhen. Die Anzahl der lokalen Messungen steigt ständig, und mit jedem Datensatz ergeben sich neue Fragen. Der Bedarf für mehr Durchblick in die zugrundeliegende Ionenchemie ist offensichtlich. Das Ziel dieses Projekts lag in der Erstellung eines besseren, repräsentativeren ionenchemischen Modells der unteren Ionosphäre, um realistische Startwerte für empirische Ionosphärenmodelle zu erhalten und um eine Referenz für Fallstudien von Elektronendichten und anderen Ionosphärenparametern zu bilden, wie dem Verhältnis zwischen großen Cluster-Ionen und kleinen molekularen Ionen, und dem Verhältnis zwischen den Dichten negativer Ionen und Elektronen. Beim Modellieren der Ionenchemie wird die Neutralatmosphäre generell als vorgegebene Größe betrachtet, die von Zeit und Ort abhängt; Ionisationsquellen ändern sich mit der Aktivität der Sonne. Ein quasi-stationärer Rechenansatz für die Ionenchemie ist für die untere Ionosphäre gerechtfertigt, wo die ionenchemischen Zeitkonstanten klein im Vergleich zu Transporteffekten sind. Das neue Modell verbindet Teile des am Institut für Weltraumforschung in Graz bestehenden Modells und des Modells SIC des Geophysikalischen Observatoriums Sodankylä in Finnland. Es erweitert diese durch die aktuell verfügbaren Werte für Druck, Temperatur und Dichte der Atmosphäre und durch Ionisationsquellen. Es wurde klar, daß die Referenzatmosphäre CIRA-86 die wahren Änderungen von Druck, Temperatur und Dichte nur unzureichend beschreibt. Unter Verwendung von Atmosphärendaten, die am Raketenstartplatz in Andøya (Norwegen) und vom Lidar "Alomar" am selben Ort gesammelt wurden, konnte eine Korrektur zu CIRA etabliert werden, die in 70 Grad nördlicher Breite bis zu 20 % in Dichte oder Druck und bis zu 15 K in Temperatur differieren kann. Eine Literatursuche nach Daten von Stickoxid (NO), dem wichtigsten Spurengas für die Formung der D-Schicht, und nach atomarem Sauerstoff, dem in diesem Zusammenhang zweitwichtigsten Spurenstoff, wurde durchgeführt, und die Daten in das Modell eingebunden. Da ein Projektziel darin bestand, schließlich auch empirische Modelle zu verbessern, wurden verfügbare Ionosphärendaten, vor allem Elektronendichten, gesichtet und neu analysiert. Dabei wurden einige zusätzliche Elektronendichteprofile in der Literatur gefunden, und einige der bereits in der Datenbank vorhandenen Daten wurden korrigiert. Die auf Wellenausbreitungsmessungen beruhende Datenbank wuchs um 44 auf 332 Profile, und ein Satz an 450 Sondenprofilen wurde hinzugefügt. Das erweitere Datenvolumen wurde auf verbleibende Variationen untersucht. Dabei fand sich eine Asymmetrie der Elektronendichten zwischen Vormittag und Nachmittag, vor allem im Höhenbereich zwischen 70 und 80 km, d.h. in jenem Bereich wo Stickoxid und die Lyman-Alpha-Linie des Sonnenspektrums die Ionenproduktion dominieren. Diese Asymmetrie sollte näher untersucht werden, vor allem im Hinblick auf einen asymmetrischen Tagesgang des neutralen Stickoxids.