Hunt, Linda

Mlynczak, Martin G.

Russell, James M.

NASA Technical Reports Server

ENERGY	  BALANCE	  IN	  THE	  MESOSPHERE	  AND	  
THERMOSPHERE	  AS	  MEASURED	  BY	  SABER	  	  
	  
Mar6n	  G.	  Mlynczak,	  NASA	  Langley	  Research	  Center	  
Linda	  Hunt,	  Science	  Systems	  and	  Applica6ons,	  Inc	  
James	  M.	  Russell,	  Hampton	  University	  	  
.	  
The	  SABER	  Science	  Team	  
3/18/16	   Interna-onal	  Radia-on	  Symposium	  -­‐	  Auckland	   1	  
https://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=20160009165 2019-08-31T02:14:41+00:00Z
Acknowledgement	  
•  Today	  we	  will	  look	  at	  data	  from	  the	  NASA	  TIMED	  satellite	  
and	  the	  SABER	  instrument	  that	  was	  launched	  over	  	  
14	  years	  ago	  on	  7	  December	  2001.	  	  
•  This	  talk	  is	  possible	  only	  because	  in	  the	  late	  1990’s,	  
numerous	  engineers,	  project	  managers,	  resource	  analysts,	  
and	  technicians	  did	  an	  excellent	  job	  of	  building	  and	  tes6ng	  
the	  TIMED	  instruments	  and	  satellite	  
•  This	  talk	  is	  dedicated	  to	  them,	  for	  the	  outstanding	  job	  they	  
did,	  which	  provides	  all	  of	  us	  the	  privilege	  of	  doing	  science	  
with	  the	  data	  
3/18/16	   Interna-onal	  Radia-on	  Symposium	  -­‐	  Auckland	   2	  
Outline	  
•  The	  Big	  Picture	  
•  Overview	  of	  Thermosphere	  Energy	  Budget	  	  
•  Radia6ve	  Cooling	  in	  the	  Thermosphere	  2002	  -­‐	  present	  
	  
•  A	  View	  to	  the	  Past	  	  
–  Are	  diﬀerent	  solar	  cycles	  more	  similar	  than	  diﬀerent?	  	  
	  
•  Summary	  	  
3/18/16	   Interna-onal	  Radia-on	  Symposium	  -­‐	  Auckland	   3	  
The	  Big	  Picture….	  
•  Major	  objec6ve	  is	  to	  understand	  the	  climate	  and	  energy	  
balance	  of	  the	  thermosphere	  	  
•  This	  is	  a	  very	  complex	  interac6on	  of	  radia6ve	  transfer,	  
chemical/gas	  kine6cs,	  energy	  storage,	  energy	  conversion,	  
and	  solar	  physics	  	  
•  We	  have	  learned	  over	  the	  past	  14	  years	  of	  observa6ons	  
from	  the	  TIMED	  satellite	  that	  the	  energy	  budget	  varies	  on	  
6me	  scales	  from	  a	  few	  days	  to	  decades	  	  
•  This	  presenta6on	  summarizes	  some	  of	  the	  major	  results	  to	  
date	  
3/18/16	   Interna-onal	  Radia-on	  Symposium	  -­‐	  Auckland	   4	  
Overview	  of	  the	  Thermosphere	  Energy	  Budget	  
3/18/16	   Interna-onal	  Radia-on	  Symposium	  -­‐	  Auckland	   5	  
Temperature	  (K)	  
Al
6t
ud
e	  
(k
m
)	  
100	  
Quiet	  Sun	   Ac6ve	  Sun	  
300	  
500	  
100	   500	   1000	   1500	   2000	  
Thermosphere	  Energy	  Balance	  –	  Thermal	  Structure	  
Banks	  and	  Kockarts,	  1973	  
3/18/16	   Interna-onal	  Radia-on	  Symposium	  -­‐	  Auckland	   6	  
Temperature	  (K)	  
Al
6t
ud
e	  
(k
m
)	  
100	  
Quiet	  Sun	   Ac6ve	  Sun	  
300	  
500	  
100	   500	   1000	   1500	   2000	  
Thermosphere	  Energy	  Balance	  –	  Energy	  Inputs	  
Solar	  UV	  
Solar	  Wind	  	  	  
External	  	  
Energy	  Input	  
3/18/16	   Interna-onal	  Radia-on	  Symposium	  -­‐	  Auckland	   7	  
Temperature	  (K)	  
Al
6t
ud
e	  
(k
m
)	  
100	  
Quiet	  Sun	   Ac6ve	  Sun	  
300	  
500	  
100	   500	   1000	   1500	   2000	  
Thermosphere	  Energy	  Balance	  –	  Energy	  Redistribu6on	  
Heat	  
Conduc6on	  
Tides,	  Waves	  
Energy	  Redistribu6on	  
3/18/16	   Interna-onal	  Radia-on	  Symposium	  -­‐	  Auckland	   8	  
Temperature	  (K)	  
Al
6t
ud
e	  
(k
m
)	  
100	  
Quiet	  Sun	   Ac6ve	  Sun	  
300	  
500	  
100	   500	   1000	   1500	   2000	  
NO	  (5.3	  µm)	  
Energy	  Loss	  
CO2	  (15	  µm)	  
Thermosphere	  Energy	  Balance	  –	  Energy	  Outputs	  
3/18/16	   Interna-onal	  Radia-on	  Symposium	  -­‐	  Auckland	   9	  
Temperature	  (K)	  
Al
6t
ud
e	  
(k
m
)	  
100	  
Quiet	  Sun	  
Ac6ve	  Sun	  
300	  
500	  
100	   500	   1000	   1500	   2000	  
NO	  (5.3	  µm)	  
Energy	  Loss	  
CO2	  (15	  µm)	  
Thermospheric	  Heat	  Sink	  
Thermosphere	  
Heat	  Sink	  Region	  	  
	  
Heat	  
Conduc6on	  
Tides,	  Waves	  
Energy	  Redistribu6on	  
3/18/16	   Interna-onal	  Radia-on	  Symposium	  -­‐	  Auckland	   10	  
Radia6ve	  Cooling	  in	  the	  Thermosphere	  
3/18/16	   Interna-onal	  Radia-on	  Symposium	  -­‐	  Auckland	   11	  
Radia6ve	  Cooling	  in	  the	  Thermosphere	  
•  Radia6ve	  cooling	  is	  the	  ac6on	  of	  infrared	  radia6on	  to	  reduce	  the	  
kine6c	  temperature	  of	  the	  neutral	  atmosphere	  	  
•  It	  is	  accomplished	  almost	  en6rely	  by	  two	  species:	  
–  Carbon	  	  Dioxide	  (CO2,	  15	  µm)	  	  
–  Nitric	  Oxide	  (NO,	  5.3	  µm)	  	  
•  Collisions	  between	  atomic	  oxygen	  (O)	  and	  CO2	  and	  NO	  ini6ate	  the	  
cooling	  process:	  
–  NO	  (υ	  =	  0)	  +	  O	  à	  NO	  (υ	  =	  1)	  +	  O	   	   	   	  (Kine6c	  Energy	  Removal) 	  	  
–  NO	  (υ	  =	  1)	  à	  NO	  (υ	  =	  0)	  +	  hν	  (5.3	  µm)	  	  	   	  (Kine6c	  Energy	  Loss)	  	  
–  NO	  (υ	  =	  1)	  +	  O	  à	  NO	  (υ	  =	  0)	  +	  O	  	  	  	  	   	   	  (Kine6c	  Energy	  Returned)	  	  
•  Collisional	  process	  are	  highly	  temperature	  dependent	  	  
3/18/16	   Interna-onal	  Radia-on	  Symposium	  -­‐	  Auckland	   12	  
Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry   
-- SABER -- 
•  Limb viewing, 400 km to Earth surface 
•  Ten channels 1.27 to 16 µm 
•  Over 30 routine data products including 
energetics parameters 
•  8.3 million radiance profiles – per channel!  
•  Cryo-cooler operating excellently at 77 K 
 
•  Noise levels at or better than measured on 
ground 
•  Now in 15th year of on-orbit operation 
•  Over 1200 refereed journal articles! 75	  kg,	  77	  wais,	  77	  x	  104	  x	  63	  cm,	  4	  kbs	  
SABER	  Experiment	  
3/18/16	   Interna-onal	  Radia-on	  Symposium	  -­‐	  Auckland	   13	  
NO	  and	  CO2	  Cooling	  Parameter	  Deriva6ons	  by	  SABER	  
Measured	  
Limb	  Radiance	  
Abel	  Inversion	  to	  Cooling	  Rate	  (W/m3)	  
Cooling	  Rate	  for	  	  NO	  	  
Ver-cally	  Integrate	  Cooling	  to	  Flux	  (W/m2)	  
Area	  integrate	  
to	  get	  global	  	  
power	  (W)	  	  
3/18/16	   Interna-onal	  Radia-on	  Symposium	  -­‐	  Auckland	   14	  
SABER	  Global	  Power	  from	  CO2	  in	  SC	  24	  
Jan	  2010	  –	  Dec	  2015;	  	  100	  –	  140	  km	  	  
Sunspot	  and	  cooling	  maxima	  are	  not	  coincident	  
Strong	  semi-­‐annual	  oscilla6on	  evident	  	  
Geomagne6c	  ac6vity	  always	  evident	  in	  radia6ve	  cooling	  	  
Cooling	  	  
Max	  
Sunspot	  	  
Max	  
St.	  Pat’s	  	  
3/18/16	   Interna-onal	  Radia-on	  Symposium	  -­‐	  Auckland	   15	  
SABER	  Global	  Power	  from	  NO	  in	  SC	  24	  
Jan	  2010	  –	  Dec	  2015;	  	  100	  –	  250	  km	  	  
Sunspot	  and	  cooling	  maxima	  not	  coincident	  
Each	  “spike”	  is	  the	  response	  to	  a	  geomagne6c	  event	  
St.	  Patrick’s	  Day	  Storm	  is	  largest	  event	  since	  2010	  
Sunspot	  	  
Max	  
Cooling	  	  
Max	  
St.	  Pat’s	  
3/18/16	   Interna-onal	  Radia-on	  Symposium	  -­‐	  Auckland	   16	  
SABER	  Global	  Power	  from	  CO2	  
Jan	  2002	  –	  Dec	  2015;	  	  100	  –	  140	  km	  	  
Strong	  semi-­‐annual	  cycle	  evident	  in	  global	  cooling	  	  
Evidence	  of	  response	  to	  geomagne6c	  ac6vity	  in	  each	  “spike”	  	  
Over	  5200	  days	  of	  data!	  
3/18/16	   Interna-onal	  Radia-on	  Symposium	  -­‐	  Auckland	   17	  
SC	  24	  solar	  max	  (12/2014)	  as	  warm	  as	  12/2003	  –	  11	  years	  
SC	  24	  peak	  clearly	  weaker	  than	  SC	  23	  
But,	  just	  how	  diﬀerent	  in	  total	  energy	  are	  they?	  	  	  
3/18/16	   Interna-onal	  Radia-on	  Symposium	  -­‐	  Auckland	   18	  
Over	  5200	  days	  of	  data!	  
SABER	  Global	  Power	  from	  CO2	  
Jan	  2002	  –	  Dec	  2015;	  	  100	  –	  140	  km	  	  
SABER	  Global	  Power	  From	  NO	  
Jan	  2002	  –	  Dec	  2015:	  100	  –	  250	  km	  	  
NO	  Cooling	  at	  Peak	  of	  SC	  24	  (12/2014)	  was	  highest	  level	  since	  12/2003	  
From	  the	  perspec6ve	  of	  integrated	  energy,	  just	  how	  diﬀerent	  is	  one	  solar	  cycle	  from	  another?	  	  
3/18/16	   Interna-onal	  Radia-on	  Symposium	  -­‐	  Auckland	   19	  
Frac6on	  of	  Thermosphere	  Global	  Infrared	  Power	  
-­‐	  CO2	  and	  NO	  -­‐	  	  
3/18/16	   Interna-onal	  Radia-on	  Symposium	  -­‐	  Auckland	   20	  
A	  View	  to	  the	  Past	  
3/18/16	   Interna-onal	  Radia-on	  Symposium	  -­‐	  Auckland	   21	  
60-­‐day	  Running	  Means	  –	  Nitric	  Oxide	  Power	  
Strong	  Visual	  Correla=on	  in	  NO,	  Ap,	  Dst,	  F10.7	  
3/18/16	   Interna-onal	  Radia-on	  Symposium	  -­‐	  Auckland	   22	  
Mul6ple	  Linear	  Regression	  Fit	  
NO	  Power	  as	  Func6on	  of	  F10.7,	  Ap,	  Dst	  
Reconstruct	  cooling	  =me	  series	  back	  to	  1947	  using	  extant	  F10.7,	  Ap,	  Dst	  	  
3/18/16	   Interna-onal	  Radia-on	  Symposium	  -­‐	  Auckland	   23	  
3/18/16	   Interna-onal	  Radia-on	  Symposium	  -­‐	  Auckland	   24	  
Mul6ple	  Linear	  Regression	  Fit	  
Power	  as	  Func6on	  of	  F10.7,	  Ap,	  Dst	  
3/18/16	   Interna-onal	  Radia-on	  Symposium	  -­‐	  Auckland	   25	  
Thermosphere	  Infrared	  Power	  
Func6on	  of	  F10.7,	  Ap,	  Dst	  
3/18/16	   Interna-onal	  Radia-on	  Symposium	  -­‐	  Auckland	   26	  
ﬁle:///.ﬁle/
id=6571367.10584651
0	  
ﬁle:///.ﬁle/
id=6571367.10584651
0	  
Percent	  of	  Thermosphere	  Infrared	  Cooling	  
CO2	  and	  NO	  
3/18/16	   Interna-onal	  Radia-on	  Symposium	  -­‐	  Auckland	   27	  
Mul6ple	  Linear	  Regression	  Fit	  
Power	  as	  Func6on	  of	  F10.7,	  Ap,	  Dst	  
3/18/16	   Interna-onal	  Radia-on	  Symposium	  -­‐	  Auckland	   28	  
Mul6ple	  Linear	  Regression	  Fit	  
Power	  as	  Func6on	  of	  F10.7,	  Ap,	  Dst	  
Solar	Cycle NO	Power CO2	Power Total	Power
19 7.49E+14 3.26E+15 3.90E+15
20 5.87E+14 3.18E+15 3.87E+15
21 6.86E+14 3.03E+15 3.72E+15
22 6.69E+14 3.02E+15 3.69E+15
23 6.51E+14 3.69E+15 4.34E+15
Summary	  
•  SABER	  data	  illustrate	  a	  very	  complex	  and	  interes6ng	  
thermosphere	  that	  responds	  to	  solar	  variability	  on	  6mescales	  
from	  days	  to	  decades	  	  
•  Past	  5	  solar	  cycles	  vary	  show	  IR	  emission	  from	  atmosphere	  
varies	  by	  at	  most	  25%	  -­‐	  	  
–  Are	  solar	  cycles	  more	  similar	  than	  diﬀerent?	  	  
•  Solar	  maximum,	  from	  the	  atmosphere’s	  perspec6ve,	  does	  not	  
have	  a	  consistent	  rela6onship	  to	  the	  sunspot	  number	  	  
–  Are	  new	  metrics	  for	  solar	  max/min	  for	  atmosphere	  response	  needed?	  
3/18/16	   Interna-onal	  Radia-on	  Symposium	  -­‐	  Auckland	   29	  


Energy Balance in the Mesosphere and Thermosphere as Measured by SABER

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

NASA Technical Reports Server