The detection of Meteoric Smoke Particles with rocketborne sensors: A feasibility study

Abstract

Det overordnede målet med denne masteroppgaven er å undersøke gjennomførbarheten av å sende en sensor ombord en rakett for å detektere meteoriske røykpartikler i mesosfæren, for å kunne fastslå deres sammensetning. Denne oppgaven bidrar til det overordnede målet ved å gjennomgå og vurdere ulike sensorer som kan identifisere og måle meteoriske røykpartikler på nanometerskalaen, i mesosfæren. Meteoriske røykpartikler er antatt å være den mest sannsynlige kondensasjonskjernen i mesosfæren for nattlysende skyer. Dette er høytsvevende skyer, som viser seg nærme polene i løpet av den polare sommeren. Disse partiklene antas å påvirke eller til og med være årsaken til en rekke mellom atmosfæriske fenomener, inkludert nattlysende skyer, polære mesosfæriske sommerekko, metallag, ladningsbalanse og heterogen kjemi, men lite er kjent om disse partiklene. Deres eksistens er ennå ikke bekreftet ved direkte måling, ettersom mesosfæren er hjemstedet til noen av de tøffeste forholdene som er målt i atmosfæren, inkludert de kaldeste temperaturene, mens meteoriske røykpartikler antas å være på nanometerskalaen. De tøffe forholdene kombinert med den lille størrelsen på partiklene betyr at for at en sensor skal kunne oppdage de meteoriske røykpartikler, må den være robust nok til å både håndtere forholdene i mesosfæren, og sensitiv nok til å måle partikler i nærheten av 1 nm i radius, samtidig. Tidligere forsøk på å oppdage og måle de meteoriske røykpartikler har enten mislyktes, vært mangelfulle eller bare målt den ladede delen av partiklene. Ulike modeller har også blitt brukt for å prøve å forutsi atferden deres, mens indirekte observasjoner også er blitt utført.

The overarching goal of this master thesis is to explore the feasibility of sending a sensor aboard a rocket to detect Meteoric Smoke Particles (MSP) in the mesosphere, in order to determine their composition. This thesis contributes to the overarching goal by reviewing various sensors capable of identifying, detecting and measuring Meteoric Smoke Particles on the nanometer scale, in the mesosphere. Meteoric Smoke Particles are thought to be the most likely condensation nuclei in the mesosphere for Noctilucent Clouds (NLC). These are high altitude clouds that appear close to the poles during the polar summer. These particles are thought to affect or even be the cause of a number of middle atmospheric phenomena, including noctilucent clouds, polar mesospheric summer echoes, metal layers, charge balance and heterogeneous chemistry, but little is known about these particles. Indeed, their existence is yet to be confirmed by direct measurement, as the mesosphere is home to some of the most severe conditions measured in the atmosphere, including the coldest temperatures, whilst the Meteoric Smoke Particles are thought to be on the nanometer scale. The harsh conditions combined with the small size of the particles means that for a sensor to be able to detect the Meteoric Smoke Particles, it will have to be robust enough to both deal with the conditions of the mesosphere, and sensitive enough to measure particles close to 1 nm in radius, at the same time. Previous attempts at detecting and measuring the Meteoric Smoke Particles have either failed, been inconclusive or only measured the charged part of the particles. Various models have also been used to try to predict their behaviour, whilst indirect observations have also been conducted.