Jorden i fullformat
NASA/Reto Stöckli/NOAA.
Rymdstyrelsen

Vad forskarna vill använda data från Mats till

I texten nedan har vi samlat en rad beskrivningar av vad olika forskare vill göra med data från Mats. Detta för att illustrera det vetenskapliga värdet med satelliten. Texterna är både på svenska och engelska utifrån forskarens arbetsspråk.
Mål med vetenskapen
Rymdstyrelsen
Publicerad
2022-10-11
Dela artikel:

Forskare:

Linda Megner, Meteorologiska institutionen, Stockholms universitet

Luften är, precis som havet, fylld av vågor. Och precis som man kan känna att man blir meddragen av en brytande havsvåg, drar lufthavets vågor med sig atmosfären när de bryter och drar på så vis igång luftströmmar och vindar. Vågorna som Mats kommer observera, s.k.. "atmosfäriska gravitationsvågor” är oftast osynliga, men deras rörelsemängd ger upphov till globala cirkulationsmönster som sammanbinder atmosfären mellan motsatta sidor av jorden. Därför är de viktiga för att förstå vår atmosfär och för att göra korrekta simuleringar av framtida klimat.

Projekt 1

Att havets vågor bryter t.ex. när de närmar sig stranden är allmänt känt. Atmosfäriska gravitationsvågor bryter också, men högt uppe i atmosfären, och exakt var är inte lika lätt att veta.  Dels för att vågorna är osynliga men också för att det beror på vindarna i området. Där vågorna bryter deponerar de rörelsemängdsmoment.  I atmosfärsmodeller är det viktigt att detta rörelsemängd läggs in på rätt ställe och vid rätt tidpunkt, annars får man inte en korrekt simulering av väder och klimatet.  Detta projekt syftar därför till att studera vågorna i kombination med det vindfältet, för att ta reda på var momentet deponeras under olika vindförhållanden. Förutom att öka vår förståelse av atmosfären i sin helhet, bidrar detta till att förbättra klimat-, väder- och rymdvädermodeller.  Att utveckla den fundamentala förståelsen på detta vis gagnar även forskning på andra planeter där dessa vågor också har fundamentala effekter, som t.ex. att Jupiters jet-vindar byter riktning vart fjärde år.

Projekt 2

Detta projekt undersöker hur vågrörelsen går från storskaliga vågor till mindre vågor och slutligen till turbulens som, likt den brytande havsvågen i exemplet ovan, överför rörelsemängden till den omgivande atmosfären. Detta kräver detaljerade observationer av vågorna så att våglängder, amplituder och riktningar kan bestämmas, vilket Mats är byggd för att mäta – den kommer för första gången ge oss en global bild av dessa luftvågor i 3 dimensioner. Samtidigt kommer EISCAT3D, en ny radar-anläggning i Nordkalotten som ska börja ta data nästa år, att ge unik information om de allra minsta vågorna inom ett begränsat område. Genom att studera dessa två dataset tillsammans kan vi testa teorier om vågor och turbulens som hittills inte, p.g.a. avsaknad av observationer, kunnat verifieras.

Jörg Gumbel, Meteorologiska institutionen, Stockholms universitet

En global klimatologi av atmosfäriska vågor

Under Mats tid i rymden siktar vi på att skapa en unik databas om atmosfäriska vågor. Detta förväntas sedan att bli utgångspunkten för en låg rad nydanande vågstudier av forskargrupper världen över. Varje gång lufthavet ”störs” i sin rörelse kan vågor uppstå som vi kallar för ”atmosfäriska gravitationsvågor”. Dessa kan breda ut sig över långa avstånd, likt vågor på havet. Störningar som ger upphov till sådana vågor kan t.ex. vara varm- eller kallfronter, åskväder eller berg som står i vägen för vinden. Om dessa vågor breder ut sig uppåt i atmosfären växer deras amplituder kraftigt i den allt tunnare luften. Till sist bryts vågorna och den energin och den rörelsemängden som de har med sig från lägre atmosfären dumpas in den omgivande luften. Detta har en stark påverkan på hela cirkulationsmönstret i övre atmosfären. Vilka vågor som kan breda ut sig till övre atmosfären bestäms i sin tur av vindarna i lägre atmosfären. Utöver detta kan nya vågor uppstå högre upp i atmosfären t.ex. när de ursprungliga vågorna bryts eller när norrskensprocesser tillför energi uppifrån. Sammanlagt har vi alltså en mycket komplex bild av vågors utbredning och påverkan i atmosfären. Många forskargrupper siktar nu på olika studier med hjälp av Mats för att få ett bättre grepp om dessa processer. En förutsättning för dessa studier är den grundläggande kartläggningen av gravitationsvågor som vi planerar att ta fram med Mats. Hur är vågorna fördelade, geografiskt och över året? Vilka egenskaper har dem? Och hur ändras dessa egenskaper på deras väg genom atmosfären? Databasen från Mats kommer att innehålla många viktiga svar.

Uppkomsten av sekundära vågor i atmosfären

En av de många vågprocesserna som vi vill förstå bättre med Mats är produktionen av sekundära gravitationsvågor. När gravitationsvågor bryts på sin väg genom atmosfären kan i växelverkan med bakgrundsvindarna nya (sekundära) vågor uppstå. Dessa kan propagera både uppåt och nedåt, med helt andra egenskaper än de ursprungliga vågorna, och kan sedan i sin tur påverka atmosfärens egenskaper på stora avstånd. Idag är dock vår kunskap om sekundära vågors uppkomst och betydelse begränsad. Mats kommer att se sekundära gravitationsvågor, en utmaning är dock att ta fram analysmetoder som kan skilja dessa från de ursprungliga primära vågorna. Vi har omfattande samarbete med forskare som undersöker de sekundära vågornas egenskaper teoretiskt. Med deras hjälp hoppas vi att kunna utnyttja Mats-vågdatabasen på bästa sett för att få fram viktiga nya insikter även om sekundära vågor.

Peter Dalin, IRF, Kiruna

Forskare från Institutet för rymdfysik (IRF-Kiruna) ska installera ett nytt instrument
(kallas OH imagern) i den närmaste framtiden i Kiruna. OH imagern kommer att möjliggöra registrering av infraröd emissioner som emitteras av hydroxyl (OH) lager
och O2 lager i mesopausen på höga breddgrader för att erhålla högkvalitativa mätkartor
över luftglödsintensiteter och temperaturen vid mesopausen (80-100 km).
Detta kommer att vara väl korrelerat med de framtida Mats satellitmätningarna
som kommer att mäta temperaturen och O2-luftglöd emissioner i mesosfären och mesopausregionen. Förskare från IRF (Peter Dalin) ska använda Mats satellitdata tillsammans med OH imagern mätningar för att studera temperatur- och luftglödsvariationer inducerade av utbredning av atmosfäriska gravitationsvågor.
Vanliga volymmätningar utförda från marken (OH imagern) och rymden (Mats) kommer att göra det möjligt för oss att bättre förstå de faktiska variationerna i rymden och i tid för gravitationsvågor i mesopausen ovanför norra Skandinavien.

Markus Rapp, German Aerospace Center (DLR)

Role of gravity waves in space weather variability:  It is now acknowledged that upward coupling from the lower atmosphere by gravity waves is an important source of variability in the ionosphere and hence for space weather. Since our society is increasingly relying on infrastructure that is potentially severely affected by space weather there is a growing need for corresponding forecasts. The latter is traditionally being conducted empirically based on solar wind data but is so far essentially ignoring the forcing from below, i.e., by gravity waves. It is DLR’s aim to develop this forecasting ability by combining whole atmosphere modelling with experimental approaches and explicitly considering the forcing from below. For the latter, a better characterization of gravity wave properties and processes across the mesopause region is needed. Mats data will yield invaluable insight into these processes by allowing to characterize gravity wave properties in the relevant altitude and spatial scale range. In particular, the Mats data are to be used to investigate the recently posed hypothesis of multi-step vertical coupling, namely, that gravity waves do not smoothly propagate from the troposphere to the thermosphere and ionosphere, but that a sequence of wave dissipation and secondary and tertiary wave generation is responsible for the momentum transport beyond the mesopause.

Hiroatsu Sato, German Aerospace Center (DLR)

We are also studying equatorial ionospheric phenomena, especially Equatorial Plasma Bubbles (EPBs). EPBs are large-scale phenomena at equatorial/low latitudes usually visible in the ionospheric F region, but one of main drivers of the phenomena is thought to be (medium-scale) gravity waves from below. Advanced observations from Mats may have impact in this field.

Gunter Strobel, University of Bern

Our group in Bern will be interested to use the Mats data. I would have in mind to look into human-induced NLC due to rocket launches. Mats should be able to have some more detailed observations above rocket launch sites. This is of high-societal relevance if we can estimate the human impact on the MLT.

Jia Yue, Goddard Space Flight Center, NASA, Steve Miller Colorado State University

We would love to collaborate with Mats to investigate the global gravity wave morphology along with DNB. DNB can provide a broad horizontal view of GWs with high resolution of 0.75 km, while Mats will measure the tomography of airglow structures. The coordinated observation between the two instruments will reveal the 3D structure of gravity waves (GWs). We can quantify important GW quantities such as the vertical wavelength, horizontal wavelength and wave amplitude, thus deriving the intrinsic frequency and momentum flux. We are interested in several GW hotspots, such as Andes, Monsoon regions, polar vortex, North America, Australia, etc.

Lynn Harvey, Laboratory for Atmospheric and Space Physics, Boulder, USA

Mats temperatures will fill a critical observational gap when the Microwave Limb Sounder (MLS) is disabled (possibly in late 2023). Moreover, Mats temperature observations will reveal smaller-scale structures and variations than are visible by MLS (which has very coarse vertical resolution in the upper mesosphere). I will use Mats temperature observations to monitor the thermal environment in which polar mesospheric clouds form in the polar summer. I will also use Mats temperature observations to study the winter mesospheric polar vortex, traveling planetary waves, and polar mesospheric cooling events that occur during sudden stratospheric warming events. 

Peter Preusse, Reserch Center Jülich, Germany

Based on modeling studies and evidence from observations the classical view of almost vertical propagation of gravity waves (GWs) from mainly tropospheric sources needs revision. Instead, two processes need quantification. 1. GWs propoagate laterally from subtropical sources into the summer MLT thus avoiding critical levels. 2. GWs are generated as secondary waves from breaking primary GWs. Both processes will cause typical distribution patterns in terms of ground-based phase-speed and propagation direction. In order to generate such spectra we propose to analyze Mats data with a small-volume sinusoidal fit method (S3D) and combine these data with geostrophic winds calculated from Mats data. Distributions of GW momentum flux with respect to phase speed and direction as well as to horizontal wavelength also allow to investigate which waves will be able to enter the termosphere.

Matthew DeLand, Science Systems and Applications Inc., Lanham, MD USA                   

Understanding the Highest Clouds

Noctilucent clouds (NLC) are the highest and coldest clouds on Earth. NLC only appear in the summer season at 80-85 km altitude and polar latitudes (usually > 50°). NLC are extremely sensitive to temperature and water vapor in the upper atmosphere. Satellite instruments that look horizontally at the Earth’s atmosphere are well-suited to study NLC and the forces (such as gravity waves) that create them. The Mats mission will make measurements of NLC with improved sampling and resolution that will reveal new details about how these unique clouds form and evolve. Matt DeLand will use Mats data to enhance NLC data from the OMPS Limb Profiler instrument to understand how climate change effects may be contributing to NLC behavior.

Christian von Savigny, University of Greifswald, Germany

The mesopause region of the Earth's atmosphere is one of the most interesting atmospheric regions from an atmospheric physics perspective. It is strongly affected by dynamical processes triggered below, but also by solar and space weather effects from above. It is hosts fascinating physical phenomena such as airglow or noctilucent clouds that are also known as polar mesospheric clouds. The Mats mission will allow unprecedented measurements of both airglow emissions and noctilucent clouds, because it is designed to enable tomographic retrievals of various atmospheric parameters with high spatial resolution. Christian von Savigny is particularly interested - in collaboration with the Mats team - in using the Mats data to investigate the excitation mechanism of the O2 A-band nightglow emission, to contribute to the improvement of atomic oxygen retrievals and to employ Mats noctilucent clouds observations for the investigation of solar effects on these clouds.

Ruth Liebermann NASA Goddard Space Flight Center

Atmospheric Tides in the Mesosphere and Lower Thermosphere

The mesosphere and lower thermosphere (MLT, 75-110 km) are regions that are strongly shaped by vertically propagating atmospheric tides. Atmospheric thermal tides are global scale oscillations with periods of 24, 12, (8, 6, etc.) solar hours, that are driven by absorption of solar irradiance in the lower atmosphere and in the stratosphere. The tides play a key role in transmitting lower atmosphere weather to the quiet-time ionosphere through direct vertical propagation, and interactions with planetary waves.  However, tracking the evolution of tides in the MLT in parallel with their lower atmosphere sources - such as sudden stratospheric warmings - is quite challenging, primarily due to low spatiotemporal sampling rates. We will synergize  Mats temperatures with NASA satellite temperatures to obtain short-term definitions of tides. This strategy enables us to observe the evolution of MLT tides in tandem with underlying meteorological events. 

Konstantinos S. Kalogerakis, SRI International

Resolving the puzzle of the Coupled OH(X 2) Meinel and O2(b 1+g X 3-g) Atmospheric Band Nightglow Emissions

Nightglow emission signatures observed from space- and ground-based instruments are commonly used as proxies for atmospheric composition, especially for the altitude region around 100 km that cannot be easily studied in situ. The quantitative details relevant to the production and loss of excited atomic and molecular precursors responsible for prominent nightglow emissions are required to study atmospheric composition, radiative and energy balance, wave propagation and dissipation, as well as transport dynamics. Significant gaps and uncertainties exist in the understanding of the above processes and substantial revisions of the relevant atmospheric models are warranted. An important example is the recently established coupling between the OH Meinel and the O2 Atmospheric band emissions, mediated by collisions of O atoms with highly vibrationally excited OH. The planned Mats mission aims to obtain an extensive set of continuous observations of the O2 Atmospheric band emissions. This data set, combined with coincident observations of the OH Meinel band emission by other satellites or sounding rockets (e.g., by the active NASA TIMED/SABER instrument or the planned MISU ORIGIN rocket campaign), will provide an invaluable test of the current hypotheses and advance our understanding of the mechanistic details for these nightglow emissions.

Viswanathan Lakshmi Narayanan, University of Bath

Simultaneous gravity wave signatures in neutral and plasma fluids of MLT region

The importance of high frequency gravity waves and their role in triggering of instabilities in the mesosphere – lower thermosphere (MLT) region is well recognized, but not well understood. Knowledge on how the neutral atmospheric gravity waves affect the coexisting plasma in different altitude regions is incomplete, particularly due to the difficulties in making simultaneous observations of plasma and neutrals. Mats is an innovative mission capable of providing 3-dimensional structure of gravity waves propagating in neutral MLT region. Mats mission is expected to have coincident observations with upcoming EISCAT_3D radar which will provide 3-dimensional measurements of plasma parameters in coexisting D- and E-region ionosphere. Working with collaborators in Sweden and Norway, Lakshmi Narayanan is interested in combining the Mats and EISCAT_3D data sets to understand how the neutral atmospheric waves affect the coexisting plasma fluid across D- and E-regions of the ionosphere. An additional benefit of this approach will be the improved knowledge on the evolution of instabilities and turbulence wherein the EISCAT_3D can trace further smaller scale sizes while Mats provide information up to few km scales.