Universität zu Köln

Doege, Martin C. (2010). A 3–D Chemistry Transport Model for Titan’s Thermosphere. PhD thesis, Universität zu Köln.

Preview

PDF thesis_correct.pdf Download (27MB)

Abstract

A 3–D model of the atmospheric chemistry of Saturn's moon Titan has been constructed which incorporates some of the latest advances of 1–D Titan chemistry models as well as 3–D GCMs for Titan in simplified-enough way that integrations covering many Earth years are numerically feasible. The thermosphere, with its shorter transport and chemistry time scales, reasonably simple circulation, and basic 3–D coverage of the moon with Cassini INMS observations, is the primary focus of this study. The model is first validated as far as possible against the observations, showing that it performs quite well for most species, given the general margins of error and uncertainties inherent in Titan modeling. Winds are not seen to have the same overriding influence on concentrations as an earlier study using a pre-Cassini GCM wind field suggested (Doege et al., 2008), but nonetheless many species such as ethane exhibit sensitivity to advection and a chemistry transport model with advection does improve the fit to observations over a model with only diffusive transport. Overall it is found that state-of-the-art GCMs for Titan deliver winds realistic enough for the chemistry model to correctly reproduce the basic shapes of chemical species distributions with a variety of chemical lifetimes. In some instances, the limitations of the Cassini measurements become apparent and model results point to difficulties and uncertainties with the INMS data retrieval process (e.g. for C4H6) that would be less conspicuous by analyzing only Cassini observations without a model. Then some specific scientific topics are explored, namely the influence of the Solar cycle and of vertically-propagating tidal waves. As the Cassini measurements so far cover a period of decreasing and generally below-average Solar activity, Solar minimum conditions are particularly of interest, because chemistry models for Titan have so far normally been run for Solar average UV output. It is found that some species such as propane react strongly to changes in Solar irradiance and the resulting concentrations of primary photolysis products. However, chemical distributions remain recognizable from the Control experiment and accounting for the Solar cycle does not resolve remaining issues with chemistry schemes for Titan's atmosphere. Atmospheric tidal waves which are forced mainly in the lower atmosphere also influence the thermosphere significantly, therefore the possbility that chemical concentrations might be measurably affected by these waves is explored with the model. The conclusion is drawn that the effects of such waves through their temperature perturbations alone, while they are easily detectable in the model, might be too weak to identify them in Cassini measurements.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Diese Arbeit beschäftigt sich mit der atmosphärischen Chemie des Saturnmondes Titan anhand eines 3–D Modells basierend auf MOZART. Dabei wird die Atmosphäre zwischen dem Boden und einer Höhe von etwa 1,200 km unter Verwendung von Wind- und Temperaturfeldern aus Titan-GCMs simuliert. Zunächst wird das Modell gegenüber den vorhandenen Cassini-Messdaten validiert. Dabei stellt sich heraus, dass der Einfluß der Advektion auf die chemischen Konzentrationen in der Thermosphäre geringer ausfällt als in früheren Versuchen, bei denen stärkere Windfelder aus einem prä-Cassini GCM verwendet wurden. Dennoch findet sich bei chemisch langlebigeren Spezies wie Ethan noch ein deutlicher Advektionseinfluss, und es wird festgestellt, dass die Berücksichtigung von Advektion eine Verbesserung der Übereinstimmung mit den Messdaten liefert. Darüberhinaus bestätigt es die schwächere thermosphärische Meridionalzirkulation in neueren GCMs, da die gemessenen chemischen Gradienten mit diesen besser übereinstimmen als solche bei stärkerer Zirkulation (Doege et al., 2008). Teilweise zeigt sich jedoch auch, dass Vergleiche mit Messdaten dadurch erschwert werden, dass diese hohe Ungenauigkeiten in der Höhe besitzen, was bei Spezies mit starken vertikalen Gradienten in der Thermosphäre das Auffinden horizontaler Gradienten in den Konzentrationen erschwert. Einige Spezies weichen so stark von Modell ab (z.B. C4H6), dass Probleme und Unsicherheiten im Retrieval der Cassini-Daten als Erklärung am wahrscheinlichsten sind. In Analogie zu den im Modell beobachteten Feldern wird anschließend versucht mithilfe statistischer Optimierungsfunktionen Horizontalverteilungen an die Messdaten anzupassen. Durch die geringe Zahl der Messdaten ist solch ein Verfahren zwangsläufig spekulativer, aber es zeigt sich dass durchaus statistische signifikante Ergebnisse für einige Spezies erreicht werden, die mit den Modelldaten vergleichbar sind. Eine rein statistische Auswertung der Messdaten, gestützt aus minimale Annahmen aus dem Modell, kann daher einen Beitrag leisten, Erkenntnisse über die Chemie aus punktuellen Messdaten global auszudehnen. Schließlich werden wissenschaftliche Fragen anhand des Modells untersucht, zum einen die Auswirkungen solarer Variabilität auf die chemischen Verteilungen, zum anderen der Effekt von sich aufwärts ausbreitenden Gezeitenwellen. Die Cassini-Messdaten wurden über Jahre hinweg und daher zu leicht unterschiedlichen Zeiten im Aktivitätszyklus gemacht; außerdem benutzten bisherige Titan-Chemiemodelle jeweils mittlere Sonnenaktivität. Dabei wird festgestellt, dass einige langlebige Spezies wie Propan stark von der Sonnenaktivität abhängen, da ihre Entstehung und Vernichtung auf Photolyseprodukten beruhen. Insgesamt stellt man aber fest, dass Berücksichtigung der Sonnenaktivität nur bedingte Verbesserungen gegenüber dem Kontrollexperiment bietet, da Unsicherheiten bei den chemischen Reaktionsraten davon unabhängig bestehen. Zum Abschluß wird der Einfluß einer Gezeitenwellen-Temperaturanomalie auf die Konzentrationen untersucht. Diese Temperaturanomalien nehmen durch Veränderung der Reaktionsraten Einfluß auf die Chemie, und die Fragestellung ist ob dieser Einfluß stark genug ist um in Messdaten nachgewiesen zu werden. Vergleich der Konzentrationsschwankungen mit den Messungen ergibt dass der Effekt vermutlich zu schwach ist um anhand der vorhandenen Messdaten sicher nachgewiesen werden zu können. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Doege, Martin C. mdoege@compuserve.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-45005
Date:	2010
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Geosciences > Institute for Geophysics and Meteorology
Subjects:	Natural sciences and mathematics Chemistry and allied sciences Earth sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Titan, thermosphere, chemistry transport model, Cassini English
Date of oral exam:	26 January 2011
Referee:	Name Academic Title Saur, Joachim Prof. Dr. Kerschgens, Michael Prof. Dr. Brasseur, Guy Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/4500