[논문 리뷰] Variations of the Martian Thermospheric Gravity Wave Activity during the Recent Solar Minimum as Observed by MAVEN

Erdal Yiğit, Alexander S. Medvedev외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 21.

Ionosphere and magnetosphere dynamics참고 문헌 84인용 수 17

한 줄 요약

이 연구는 MAVEN의 NGIMS 기구로부터의 현장 측정을 이용하여 최근 태양활동 최소기 동안 화성 이온권 대류파(GW) 활동에 대한 종합적인 기후학을 제시한다. 이는 약 170 km 고도에서 최대 활동을 보이며, 밤에는 밀도 감소에 따른 파동 증폭과 분자 확산 간의 균형으로 인해 낮보다 더 큰 진폭을 보이는 것으로 드러나 있으며, 이는 상층 이온권에서 대류 불안정성이 파동 진폭을 제한하는 데 기여한다는 기존의 이해에 도전한다.

ABSTRACT

Atmospheric gravity (buoyancy) waves (GWs) are of great importance for the energy and momentum budget of all planetary atmospheres. Propagating upward waves carry energy and momentum from the lower atmosphere to thermospheric altitudes and re-distribute them there. On Mars, GWs dominate the variability of the thermosphere and ionosphere. We provide a comprehensive climatology of Martian thermospheric GW activity at solar minimum (end of Solar Cycle 24) inferred from measurements by Neutral Gas and Ions Mass Spectrometer on board Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN (NGIMS/MAVEN). The results are compared and interpreted using a one-dimensional spectral nonlinear GW model. Monthly mean GW activity varies strongly as a function of altitude (150-230 km) between 6-25%, reaching a maximum at $\sim$170 km. GW activity systematically exhibits a local time variability with nighttime values exceeding those during daytime, in accordance with previous studies. The analysis suggests that the day-night difference is primarily caused by a competition between dissipation due to molecular diffusion and wave growth due to decreasing background density. Thus, convective instability mechanism is likely to play a less important role in limiting GW amplitudes in the upper thermosphere, which explains their local time behavior.

연구 동기 및 목표

• 태양활동 최소기 동안 화성의 이온권 대류파(GW) 활동의 시공간적 변동성을 규명하는 것.
• 특히 야간 증폭 현상이 관찰되는 지역 시간 변화의 원인을 이해하는 것.
• 일차원 비선형 스펙트럼 GW 모델을 사용하여 파동 증폭과 소멸의 상대적 기여도를 평가하는 것.
• 고도, 지역 시간, 위도에 따른 대류파 활동의 기후학적 행동을 정량화하여 화성 상층 대기역학의 기준점으로 제공하는 것.

제안 방법

• 2014–2020년 태양활동 최소기 동안 MAVEN의 NGIMS 기구로부터 150–230 km 고도에서의 현장 중성 밀도 측정 자료를 분석하였다.
• 월간, 일간, 궤도 단위의 시간스케일에서 상대 밀도 변동(ρ′/ρ̄)을 대류파 활동의 지표로 계산하였다.
• 고도, 지역 시간, 위도에 따라 자료를 분할하여 대류파 활동의 기후학을 구축하였으며, 통계적 불확실성은 표준 오차 분석을 통해 정량화하였다.
• 분자 점성과 비선형 확산에 의한 감쇠를 포함한 상향파동 전파를 시뮬레이션하기 위해 일차원 비선형 스펙트럼 GW 모델을 적용하였다.
• 파동 증폭과 소멸 간의 경쟁이 일어나는지에 따라 낮과 밤의 진폭 차이가 발생하는지에 대한 가설을 검증하기 위해 모델을 활용하였다.
• 특히 고도와 지역 시간 의존성에서 관측된 대류파 활동 패tern과의 일치를 확인하기 위해 모델 결과를 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 화성의 이온권 대류파 활동은 태양활동 최소기 동안 고도에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 왜 화성 이온권에서 야간 대류파 진폭이 주간보다 더 크며, 특히 태양우주각이 클수록 더 크게 나타나는가?
• RQ3 상층 이온권에서 대류파 진폭의 진화를 주도하는 물리적 메커니즘은 소멸인지 파동 증폭인가?
• RQ4 하층 대기와 상층 대기에서의 대류파 활동 위도 분포는 어떻게 비교되며, 이는 파동 필터링에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 대류 불안정성 메커니즘이 이온권에서 대류파 진폭을 제한하는 데 주요한 요소인가, 그리고 관측된 일주기 비대칭성에 이 기여도가 얼마나 큰가?

주요 결과

• 월평균 대류파 활동은 고도에 따라 6%에서 25% 사이로 변화하며, 약 170 km 고도에서 최대에 이른다.
• 야간 대류파 진폭은 주간 진폭을 초월하며, 특히 태양우주각이 클수록 가장 큰 값을 보인다.
• 대류파 활동의 일주기 차이는 주로 배경 기체 밀도 감소에 따른 파동 증폭과 분자 확산에 의한 소멸 간의 경쟁에 기인하며, 상층 이온권에서는 파동 증폭이 지배적이다.
• 대류파 활동은 중위도에서 고위도로 향해 강도가 높으며, 하층 대기에서의 저위도 최대값과 대비되어 배경 바람에 의한 파동 필터링이 뚜렷하게 나타난다.
• 대류 불안정성 메커니즘이 상층 이온권에서 대류파 진폭을 제한하는 주요 요인일 가능성은 낮으며, 관측된 지역 시간 의존성은 주로 증폭과 소멸의 균형에 의해 더 잘 설명된다.
• 기후학적 대류파 활동 추정치의 통계적 불확실성은 매우 낮으며, 모든 프로파일에서 분수 불확실성은 1%를 초과하지 않는다.