@misc{10481/41725,
year = {2016},
url = {http://hdl.handle.net/10481/41725},
abstract = {El CO2 es un gas de efecto invernadero importante y es una de las piezas fundamentales
en el balance energético de la atmósfera terrestre Tierra y, en consecuencia,
en su estructura térmica. Su emisión en 15 μm representa el mecanismo más importante
de enfriamiento de la estratosfera, mesosfera y baja termosfera. La absorción de
la luz del sol en las bandas del CO2 cercanas al infrarrojo (2.7 y 4.3 μm) contribuyen
significativamente al calentamiento atmosférico. Las transiciones ro-vibracionales de
la molécula implicadas en estos procesos están en no equilibrio termodinámico local
(no-ETL) en la media y alta atmósfera.
Desde el siglo pasado hasta el presente, se han realizado un gran número de estudios
que muestran cómo la concentración del CO2 está aumentando continuamente.
El impacto de este incremento en el enfriamiento y el calentamiento de las distintas
capas atmosféricas es evidente. Por ejemplo, la tendencia de la temperatura en la
troposfera ha sido positiva mientras, en la mesosfera, ha sido negativa. Desde el
principio de la industrialización, la humanidad ha ido emitiendo cada vez más cantidad
de sustancias volátiles a la atmósfera cambiando su composición pero, todavía
no tenemos respuestas claras sobre cuáles son sus efectos sobre los distintos cambios
atmosféricos observados. Desde las primeras medidas de cohetes in situ en los setenta
hasta las más recientes medidas de satélites de ocultación solar como ACE, o instrumentos
de emisión en limbo como SABER, hemos aumentado considerablemente
nuestro conocimiento sobre la abundancia del CO2. Todos estos estudios indican
que un conocimiento más preciso de la distribución espacio-temporal del CO2 en la
mesosfera y la termosfera es crucial para conocer mejor el balance energético de esta
región, de su dinámica (que acopla ésta con las regiones inferiores), y la respuesta de
la atmósfera a los cambios antropogénicos.
Vale la pena mencionar la gran dificultad de analizar las emisiones de las distintas
bandas del CO2 en el infrarrojo y de invertir su abundancia a partir de las medidas de
dichas emisiones (principalmente provenientes de los complejos procesos del no-ETL).
El conocimiento preciso de las poblaciones en no-ETL de los estados del CO2 que
emiten cerca de 4.3 μm ha limitado la precisión de las abundancias del CO2 derivadas
de medidas de emisión en limbo. Los espectros de MIPAS, con su resolución espectral
sin precedentes, nos permiten conocer mucho mejor los distintos procesos de no-ETL
del CO2 y, por lo tanto, mejorar la inversión del CO2 a partir de medidas de emisión
tomadas en 4.3 μm.
Así, el principal objetivo de este trabajo es invertir las distribuciones globales de la abundancia del CO2 (razón de mezcla en volumen o vmr) a partir de los
espectros infrarrojos de alta resolución de MIPAS en la mesosfera y termosfera con
alta precisión. Esto requiere primero invertir los principales parámetros colisionales de
no-ETL (incluyendo su dependencia con la temperatura) que afectan a las poblaciones
de los niveles del CO2 a partir de espectros de MIPAS en las regiones de 4.3 y 10
μm, lo que constituye el segundo objetivo principal de esta tesis. Dado que estos
parámetros se necesitan en la inversión del CO2, este objetivo se realizará en primer
lugar y, después, invertimos la concentración relativa (razón de mezcla) del CO2. Una
vez que las abundancias del CO2 están invertidas, analizamos la calidad de los datos
y realizamos un minucioso análisis de errores, tanto de los parámetros colisionales
como de las concentraciones de CO2. Además, realizamos un estudio de validación
comparando los datos del CO2 de MIPAS con medidas independientes previas de
ACE y SABER. Por otra parte, también analizamos las principales características
de las distribuciones globales de CO2 obtenidas en base a los procesos químicos
y dinámicos reinantes en la alta atmósfera con la ayuda del modelo 3D ‘Whole
Atmosphere Community Climate Model’ (WACCM).},
abstract = {CO2 is an important greenhouse gas and is is one of the master pieces in the energy
balance of the Earth and, therefore, in its thermal structure. Its 15 μm emission
represents the most important cooling mechanism of the stratosphere, mesosphere
and lower thermosphere. Absorption of sunlight in the near-infrared CO2 bands (2.7
and 4.3 μm) contribute significantly to the atmospheric heating. The involved rovibrational
transitions of the molecule are in a non local thermodynamic equilibrium
(non-LTE) in the middle and upper atmosphere.
There are a large number of studies performed from the last century to the present
day, showing how the CO2 concentration is being continually increased. The impact
of this increase in the cooling and heating of the different atmospheric layers is clear.
For instance, the trend of the temperature in the troposphere has been positive meanwhile,
in the mesosphere, has been negative. Since the beginning of industrialization,
mankind has been emitting increasing mounts of harmful volatile substances into the
atmosphere changing its composition but, we still have to answer what are the effects
of these emissions on the different observed atmospheric changes. From the first in
situ rocket measurements in the seventies until the most recent satellite measurements
from solar occultation instruments like ACE or limb emission instruments like SABER,
we have significantly gained knowledge about the CO2 abundance. All these studies
indicate that a more precise knowledge of the spatial-temporal distribution of CO2 in
the mesosphere and thermosphere is crucial for a better understanding of the energy
balance of this important region, of its dynamical coupling to the regions below, and
for understanding its response to anthropogenic changes.
It is worth to mention the great difficulty of analyzing the infrared emissions from
the different CO2 bands and to derive its abundance from these emissions, primary
coming from the complex non-LTE processes. The accurate knowledge of the non-LTE
populations of the CO2 states emitting near 4.3 μm has limited the accuracy of the
CO2 abundances derived from limb emission measurements. The MIPAS spectra, with
its unprecedented high spectral resolution, allow to make significant advances in the
knowledge of the different CO2 non-LTE processes and hence, to improve the CO2
retrieval from the emission measurements taken at 4.3 μm.
Thus, the major aim of this work is to retrieve global distributions of the CO2
abundance (volume mixing ratio or vmr) from the MIPAS high resolution infrared
spectra in the mesosphere and thermosphere with high accuracy. This requires first
to retrieve the main non-LTE parameters (including their temperature dependence) affecting the population of the CO2 levels from the MIPAS spectra in the 4.3 and
10 μm regions, and constitutes the second major objective of this thesis. Because
the collisional rates are required in the inversion of the non-LTE model, this objective
is tackled first and later we perform the retrieval of the CO2 vmr. Once the CO2
abundances are retrieved, we analyze the quality of the data and perform a thorough
error analysis. In addition, we perform a validation study by comparing the MIPAS CO2
data with the previous independent measurements of ACE and SABER. Furthermore
the main physical features of the retrieved global distribution of CO2 are analyzed
with the help of the 3D Whole Atmosphere Community Climate Model (WACCM).},
organization = {Tesis Univ. Granada. Departamento de Física Aplicada},
publisher = {Universidad de Granada},
keywords = {MIPAS (Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding)},
keywords = {Atmósfera},
keywords = {Quimiosfera},
keywords = {Dióxido de carbono},
keywords = {Espectros infrarrojos},
title = {Retrieval of CO2 and collisional parameters from the MIPAS spectra in the earth atmosphere},
author = {Jurado Navarro, Ángel Aythami},
}