Temperatures in the mesosphere and lower thermosphere and the viability of using non-continuous time series to derive tides

Abstract

Ved å bruke bakkebaserte målinger av hydroksyl (OH) og meridional vind over Trondheim er temperaturene for (3,1) og (4,2) Meinel-båndene beregnet. Beregningene som presenteres i denne oppgaven er basert på målinger gjort i 2021. Prosedyren gikk ut på å tilpasse en Gaussisk funksjon til intensitetsspektrene, og en detaljert fremgangsmåte er dokumentert. I tillegg er det presentert betingelser for å bestemme nøyaktigheten av temperaturberegningene som avhenger av den relative feilen til kurvetilpasningen i forhold til standardvariasjonen i temperaturene. Temperaturene er funnet å være i samsvar med tidligere studier og viser at (3,1) temperaturen i gjennomsnitt var litt høyere enn (4,2) temperaturen.

Periodene i temperaturene ble utledet gjennom en frekvensanalyse. Bruk av timegjennomsnitt dempet effekten av geofysisk og statistisk støy, men frekvensspektrene var fortsatt vanskelige å tolke. Dette førte til en analyse av hvordan ikke-kontinuerlige tidsserier påvirker periodene fremskaffet gjennom en Lomb-Scargle-transformasjon. Resultatene viste at å samle data kun om natten skaper kunstige perioder som vil forvirre resultatene hvis man ikke er klar over denne effekten. Disse resultatene vil gjøre det mulig å bruke billigere måleteknikker for å utlede atmosfæriske svingninger og perioder. Denne oppgaven presenterer også resultater som bestemmer nødvendig lengde på den samlede måletiden samt lengden på tidsserien for at de ikke-kontinuerlige tidsseriene skal kunne brukes i en frekvensanalyse. For eksempel, hvis måleperioden er lengre enn fjorten timer, er det tilstrekkelig å bruke én natt med data. Hvis man har fire påfølgende dager med data, må nettene være minst åtte timer lange.

By using ground-based measurements of the hydroxyl (OH) and meridional wind over Trondheim, the temperatures for the (3,1) and (4,2) Meinel bands have been calculated. The calculations presented in this thesis are based on measurements done in 2021. The procedure was based on fitting a Gaussian to the intensity spectra, and a step-wise approach to this has been documented. In addition, conditions to determine the accuracy of the computational temperature calculations have been presented which depend on the relative root mean square error of the Gaussian fit relative to the standard variation in the temperatures. The temperatures are found to be in accordance with previous studies and show that the (3,1) temperature, on average, was slightly higher than the (4,2) temperature.

The tides in the temperatures were derived through a frequency analysis. Using hourly averages damped the effect of geophysical and statistical noise, but the power spectra were still difficult to interpret. This led to research on how non-continuous time series affect the tides derived through a Lomb-Scargle transform. The results showed that sampling data creates artificial tides that will confuse the conclusion if one is unaware of this effect. These results would make it possible to use cheaper measurement techniques to derive atmospheric tides. This thesis also presents results determining the necessary length of the sampled time as well as the length of the time series for the sampled non-continuous time series to be able to be used to derive tides. For example, if the sampled time is longer than fourteen hours, it is sufficient to use one night's worth of sampled data. If one has four subsequent days of sampled data, the nights need to be at least eight hours long.