Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät

Institut für Atmosphärenphysik

Fachgebiet: Atmosphärenphysik

Betreuer: Prof. Dr. Franz-Josef Lübken



M.Sc. Heiner Asmus
(e-mail: asmus@iap-kborn.de )

In situ investigation of dusty plasmas in the polar E- and D-region

Incoming meteors deposit their material in the D- and lower E-region of the Earth's ionosphere. Although the properties and behavior of the ionospheric dusty plasma are poorly investigated, it is generally accepted, that it is significantly affected by the meteor smoke particles (MSPs). In particular, it is known, that plasma diffusivity strongly depends on the sizes of the charged MSPs. However, it was commonly assumed, that only large MSPs with radii greater than ~1 nm can be charged and, therefore influence plasma properties.

This work presents results of rocket-borne measurements of the dusty plasma parameters conducted in winter in high northern latitude ionosphere. It demonstrates that also smaller MSPs, i.e. with radii in sub-nanometer size range can be effectively charged and, thereby significantly influence plasma properties. Assuming that MSP size distribution can adequately be described by a lognormal function, parameters of a charged MSP size distribution function were derived. In addition a simple numerical model of D- and lower E-region ionosphere was adopted to describe dusty plasma parameters based on in situ measured quantities. The modelling results show that largest fraction of the charged MSPs reveal radii smaller than 1 nm and their density can exceed the density of electrons by up to an order of magnitude.

Eintreffende Meteore lagern ihr Material in der D- und unteren E-Region der Ionosphäre der Erde ab. Obwohl die Eigenschaften und das Verhalten des ionosphärischen staubigen Plasmas nicht ausreichend untersucht sind, ist es allgemein anerkannt, dass es von den Meteorstaubpartikeln (MSPs) signifikant beeinflusst wird. Insbesondere ist bekannt, dass die Plasmadiffusivität stark von der Größe der geladenen MSPs abhängt. Es wurde jedoch allgemein angenommen, dass nur große MSPs mit Radien größer als ~1 nm effektiv geladen werden können und somit die Plasmaeigenschaften beeinflussen.

Diese Arbeit präsentiert Ergebnisse von raketengestützten Messungen der staubigen Plasmaparameter, die im Winter in der Ionosphäre in hohen nördlichen Breiten durchgeführt wurden. Es zeigt, dass auch kleinere MSPs, d.h. mit Radien im Subnanometerbereich, effektiv geladen werden können und damit die Plasmaeigenschaften wesentlich beeinflussen. Unter der Annahme, dass die MSP-Größenverteilung durch eine lognormale Funktion ausreichend beschrieben werden kann, wurden Parameter einer Größenverteilung von geladenen MSPs abgeleitet. Zusätzlich wurde ein einfaches numerisches Modell der D- und unteren E-Region Ionosphäre verwendet, um staubige Plasmaparameter basierend auf in situ gemessenen Größen zu beschreiben. Die Modellierungsergebnisse zeigen, dass der größte Teil der geladenen MSPs Radien kleiner als 1 nm aufweisen und ihre Dichte die Elektronendichte um bis zu einer Größenordnung überschreiten kann.