Julia Uzulis

• The Earth’s atmosphere is constantly hit by Interplanetary Dust Particles (IDPs) of various sizes. The majority of them are very small, with typical sizes of only a few nanometers in diameter. Most of them never hit the Earth’s surface but ablate, due to heating by friction with the surrounding air molecules, in the upper atmosphere. Those IDPs, also called meteoroides, consist of a multitude of different chemical species. One of those species is sodium. After atomic sodium ablates, it forms a layer in the MLT (Mesosphere lower- Thermosphere) region between 90 and 100 km altitude. Because sodium has a relatively long atmospheric lifetime in the MLT and a large resonance fluorescence cross-section, leading to a strong emission of radiation, it is an excellent tracer to investigate wave propagation effects and winds in the upper atmosphere. It can also specifically be used to determine the amount of IDPs reaching the Earth’s atmosphere in the form of meteoroides. An in-depth knowledge of the sodium concentration in the MLT region is therefore the key to further investigations. There are a few good ways to measure the amount of sodium in the MLT region. In this thesis, two of those are utilized to contribute to a better understanding of the amount of sodium in the upper atmosphere, as well as its chemical properties. The first is to detect the electromagnetic radiation that is emitted as a consequence of the excitation caused by the reaction of sodium with ozone and the second excites sodium with a laser and detects the amount of electromagnetic radiation that reaches the detector after the sodium atoms relax to ground-state. In the first part of this thesis, a retrieval method is developed that is robustly able to use satellite measurements of the sodium D-line nightglow to retrieve sodium concentration profiles. One focus hereby is the effect of the regularization parameter on the resulting sodium profiles. It is found that has to be chosen in a way that it smoothes the result but does not distort the shape of the resulting sodium profiles. Then, a new effective branching ratio f , that determines the amount of excited sodium after the reaction NaO + O -> Na + O2, is estimated by comparing satellite measurements from the OSIRIS instrument on Odin to ground-based Lidar measurements. The result is a branching ratio f of 0.061 +- 0.026. This value fits well into the literature, where values between 0.05 and 0.67 have been proposed. In the last chapter, monthly averaged sodium D-line LER (Limb emission rate), VER (Volume emission rate) and sodium profiles, as well as sodium VCDs (Vertical column densities), from three different satellite instruments are compared. The first is again the OSIRIS instrument on Odin, the second the SCIAMACHY instrument on Envisat and last the GOMOS instrument that was also located on Envisat. 34 months that are suitable for comparison over the period 2006 to 2011 are found. Then one sodium concentration profile is retrieved for each month with uncertainties between 2 and 15 %. While SCIAMACHY detects slightly larger LERs and VERs compared to those detected by OSIRIS, the overall seasonal variation of those two parameters agrees very well. The sodium concentration profiles, however show a greater variation in shape as well as in values. It was concluded that the reason for this high variability primarily lies in the high variability of the ozone profiles and the high sensitivity of the sodium retrieval to changes of the ozone concentration. To sum up, it is shown that we have a very good understanding of the sodium layer in the MLT region and the excitation mechanism of sodium by ozone. Most of the challenges that are encountered in this thesis, can be ascribed to a too small amount of measurements, low SNRs (Signal-to-noise ratio), or the lack of co-located measurements in both, the time and space dimension. Therefore, to further the research on sodium, new instruments are needed, whose specific goal is the detection of sodium, as well as a better coordination between the instruments to yield a greater sample size.
• Die Erdatmosphäre wird ununterbrochen von interplanetaren Staubpartikeln (Engl.: Interplanetary Dust Particles, IDPs) unterschiedlicher Größe getroffen. Der Großteil dieser Partikel ist sehr klein, mit typischen Durchmessern von nur wenigen Nanometern. Die meisten von ihnen erreichen nie die Erdoberfläche, sondern verglühen in der oberen Atmosphäre durch Erwärmung durch Reibung beim Kontakt mit den umgebenden Luftmolekülen. Diese IDPs, auch Meteoroide genannt, bestehen aus einer Vielzahl unterschiedlicher chemischer Elemente. Eines dieser Elemente ist Natrium. Wenn atomares Natrium verdampft, bildet es eine Schicht in der MLT-Region (Mesosphäre – untere Thermosphäre) in einer Höhe zwischen 90 und 100 km. Da Natrium in der MLT eine relativ lange atmosphärische Lebensdauer sowie einen großen Wirkungsquerschnitt für Resonanzfluoreszenz hat – was zu einer starken Strahlungsemission führt – eignet es sich hervorragend als Tracer zur Untersuchung von Wellenfortpflanzungseffekten und Winden in der oberen Atmosphäre. Es kann außerdem gezielt verwendet werden, um die Menge an IDPs zu bestimmen, die die Erdatmosphäre in Form von Meteoroiden erreichen. Ein tiefgehendes Verständnis der Natriumkonzentration in der MLT-Region ist daher entscheidend für weiterführende Untersuchungen. Es gibt einige bewährte Methoden, um die Menge an Natrium in der MLT-Region zu messen. In dieser Arbeit werden zwei dieser Methoden genutzt, um zu einem besseren Verständnis sowohl der Natriummenge in der oberen Atmosphäre als auch seiner chemischen Eigenschaften beizutragen. Die erste Methode basiert auf der Detektion elektromagnetischer Strahlung, die als Folge der Anregung durch die Reaktion von Natrium mit Ozon entsteht. Die zweite Methode nutzt einen Laser zur Anregung von Natrium und detektiert die Menge an elektromagnetischer Strahlung, die den Detektor erreicht, nachdem die Natriumatome in den Grundzustand zurückgekehrt sind. Im ersten Teil dieser Arbeit wird ein Retrieval-Algorithmus entwickelt, die es ermöglicht, Satellitenmessungen des Natrium-D-Linien-Nachthimmelleuchtens zuverlässig zur Bestimmung von Natriumkonzentrationsprofilen zu verwenden. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf dem Einfluss des Regularisierungsparameters auf die bestimmten Natriumprofile. Es zeigt sich, dass dieser Parameter so gewählt werden muss, dass er die Ergebnisse glättet, ohne die Form der resultierenden Profile zu verfälschen. Anschließend wird eine neue effektive branching ratio f bestimmt, die angibt, wie viel angeregtes Natrium nach der Reaktion NaO + O → Na + O₂ entsteht. Dazu werden Satellitenmessungen des OSIRIS-Instruments auf Odin mit bodengestützten Lidar-Messungen verglichen. Das Ergebnis ist eine branching ratio f von 0,061 ± 0,026. Dieser Wert liegt gut im Bereich der in anderen Studien gefundenen Werte, die zwischen 0,05 und 0,67 liegen. Im letzten Kapitel werden monatlich gemittelte Natrium-D-Linien-Emissionsraten (LER – Limb Emission Rate), Volumenemissionsraten (VER – Volume Emission Rate) sowie Natriumprofile und vertikale Säulendichten (VCDs – Vertical Column Densities) von drei verschiedenen Satelliteninstrumenten verglichen. Das erste Instrument ist wieder OSIRIS auf Odin, das zweite SCIAMACHY auf Envisat und das dritte das GOMOS-Instrument, ebenfalls auf Envisat. Es konnten 34 Monate im Zeitraum von 2006 bis 2011 identifiziert werden, die sich für einen Vergleich eignen. Für jeden dieser Monate wird ein Natriumkonzentrationsprofil mit Unsicherheiten zwischen 2 und 15 % bestimmt. Während SCIAMACHY etwas höhere LER- und VER-Werte detektiert als OSIRIS, stimmen die saisonalen Schwankungen dieser beiden Parameter sehr gut überein. Die Natriumkonzentrationsprofile hingegen zeigen größere Unterschiede in Form und Betrag. Es wird vermutet, dass diese hohe Variabilität vor allem auf die große Variabilität der Ozonprofile sowie auf die hohe Sensitivität des Natriumretrievals gegenüber Änderungen der Ozonkonzentration zurückzuführen ist. Zusammenfassend zeigt sich, dass ein sehr gutes Verständnis der Natrium-Schicht in der MLT-Region sowie des Anregungsmechanismus von Natrium durch Ozon vorliegt. Die meisten Herausforderungen, die in dieser Arbeit auftreten, lassen sich auf eine zu geringe Anzahl an Messungen, niedrige Signal-Rausch-Verhältnisse (SNR) oder das Fehlen zeitlich und räumlich übereinstimmender Messungen zurückführen. Um die Forschung zu Natrium weiter voranzutreiben, werden daher neue Instrumente benötigt, die speziell auf die Detektion von Natrium ausgelegt sind, sowie eine bessere Koordination zwischen den Instrumenten, um eine größere Datenbasis zu schaffen.