Auroral Dunes: Bores or Boring? Airglow Imaging of Gravity Wave-Aurora Interaction in the Mesosphere Lower Thermosphere

Abstract

Nyleg vart ei ny form av nordljos, kalla for dyner, oppdaga ved hjelp av observasjonar frå ei gruppe folkeforskarar. Dynene var monokromatiske, horisontale bylgjer i polarljoset, og vart observert i mesosfæren-nedre termosfæren, ein innfløkt del av atmosfæren å gjera målingar i. Studiar av dynehendingar føreslår at fenomenet er polarljosets manifestasjon i mesosfæriske tidevassbylgjer, ei svært sjeldan type atmosfæriske bylgjer med særmærkt høge fasesnøggleikar. I denne granskinga vert vidvinkelbilete av natthimmelljos nytta til å finne og granske strukturar i polarljos som har likskapar med dyner. Strukturane ser ut som jamt fordela fingrar, og desse fingerstrukturane verkar å ha ei kopling til samstundes observerte tyngdebylgjer. Tyngdebylgjer er ei type atmosfæriske bylgjer som førekjem langt oftare enn mesosfæriske tidevassbylgjer. Hovudmålet til denne granskinga var å var å fastsetje om fingerstrukturane var tyngdebylgjer som vart ljost opp av polarljoset, som stør at dynene er polarljosets manifestasjon av atmosfæriske bylgjer, i tillegg til at det føreslår at ordinære tyngdebylgjer også kan føre til dyneliknande strukturar.

Natthimmelljosdata frå forskningsstasjonane Halley og Rothera på Antarktis, samt Kjell Henriksen Observatoriet på Svalbard vart granska etter fingerstrukturhendingar. Tre hendingar vart funne i bilete av Na (natrium) og OH (hydroksyl) natthimmelljos frå Halley, tekne i juni 2000. Bileta vart geografisk projiserte, og polarljosstrukturar og natthimmelljosstrukturar vart forsterka i respektive, samstundes tekne bilete. Ein samanheng mellom fingerstrukturar og tyngdebylgjer vart funne for alle tre hendingar. Avstand mellom fingerstrukturar og bylgjelengder til tyngdebylgjer vart estimert og samanlikna. Deira tidsutvikling vart også analysert. Polarljosets påverknad på bylgjelengder vart fastsett til å vere låg, noko som tyder på at tyngdebylgjene ikkje var eit resultat av polarljoset. Avstandar mellom fingerstrukturar og bylgjelengdene til tyngdebylgjene var samanliknbare for alle hendingar, noko som tyder på at fingerstrukturane er tyngdebylgjer ljost opp av polarljoset. Filtrerte OH natthimmelljosbilete vart brukt til å estimere fasesnøggleikar til tyngdebylgjer for kvar fingerstrukturhending. Dei estimerte snøggleikane var imellom 9.02-22.63 m/s, som klart tyder på at bylgjene var tyngdebylgjer og ikkje mesosfæriske tidevassbylgjer.

Recently, a new auroral form named dunes was discovered using citizen scientist observations. The dunes were monochromatic, horizontal waves in the aurora and were observed in the mesosphere-lower thermosphere, which is a laboriously measured region of the atmosphere. Studies of dune events suggest that they are auroral manifestations of mesospheric bores, a rare type of atmospheric waves with characteristically high propagation speeds. In this thesis, all-sky airglow imaging is utilized to find and investigate auroral structures which resemble dunes. The structures resemble evenly spaced fingers, and the finger structures appear to have a connection to simultaneously observed gravity waves. Gravity waves are a type of atmospheric waves which occur more frequently than mesospheric bores. The principle goal of this thesis was to determine if the finger structures are gravity waves enhanced by the aurora, which supports that the dunes are an auroral manifestation of atmospheric waves, in addition to suggesting that ordinary gravity waves also can lead to dune structures.

Airglow data from Halley and Rothera research stations at Antarctica, and the Kjell Henriksen Observatory at Svalbard has been examined to find finger structure events. Three events were found in images of Na (sodium) and OH (hydroxyl) airglow from Halley taken in June 2000. Airglow images have been geographically projected, and auroral structures and airglow structures have been enhanced in respective images taken simultaneously. A connection between finger structures and gravity waves has been found for all three events. Finger structure separations and wavelengths of gravity waves have been estimated, compared and temporally analysed. Auroral influence on wavelengths was deemed to be low, indicating that the waves were no auroral phenomenon. Finger structure separations and wavelengths of gravity waves were found to be comparable for each event, indicating that the finger structures are gravity waves enhanced by aurora. Filtered OH airglow images was used to estimate wave propagation speeds for each finger structure event. The estimated speeds were in the range of 9.02-22.63 m/s, clearly indicating that the waves were gravity waves and not mesospheric bores.