The mesosphere and lower thermosphere (MLT) form the transition between atmosphere and space – an intriguing yet hard-to-access region due to great altitude and complex dynamics. Using Polar Mesospheric Summer Echoes (PMSE) as tracers, the Middle Atmosphere Alomar Radar System (MAARSY) in northern Norway provides valuable high-resolution insight. Motivated by the observation of a varicose structure (simultaneous upward and downward motion) with extreme vertical velocities exceeding 50 m/s (Chau et al., 2021), MAARSY PMSE data from 2015–2021 were systematically inspected by hand. More than 700 varicose structures were identified, with monthly occurrence probabilities up to 2.5% during peak season. Typically, they last about 20 minutes, broaden the PMSE layer on average by a factor of 1.5 to a maximum vertical extent of 8 km, and reach vertical velocities up to 45 m/s; 17% of the cases exceed 3σ of the maximum vertical velocity typically observed in that region.
In a second step, four particularly pronounced events were analyzed in detail within a multi-instrument framework with respect to propagation, orientation, and ambient conditions. In addition to MAARSY multibeam and imaging, the analysis incorporated horizontal wind fields, temperature profiles, and directional scattering (aspect) information. The structures propagated across the radar field of view at 15–75 m/s, often at an angle to or even against the background flow. The combination of independent observations indicates the presence of a guiding channel by wind shear or temperature inversions, as well as bore-like features such as rotating fronts and sudden layer broadening. Overall, the results clearly show that varicose structures are a frequent and previously underestimated phenomenon of the polar mesosphere. Their strong dynamics, local propagation, and coupling to small-scale processes make them an important building block for understanding the MLT and call for improved representation in numerical atmospheric models.
Die Mesosphäre und untere Thermosphäre (MLT) bilden den Übergang zwischen Atmosphäre und Weltraum – faszinierend, aber wegen großer Höhe und komplexer Dynamik schwer zugänglich. Mit polaren mesospherischen Sommerechos (PMSE) als Tracer liefert das Middle Atmosphere Alomar Radar System (MAARSY) in Nordnorwegen wertvolle, hochauflösende Einblicke. Ausgehend von der Beobachtung einer varikösen Struktur (simultane Auf- und Abwärtsbewegung) mit extremen Vertikalgeschwindigkeiten > 50 m/s (Chau et al., 2021) wurden MAARSY-PMSE-Daten von 2015–2021 systematisch manuell ausgewertet. Identifiziert wurden über 700 variköse Strukturen, mit bis zu 2,5% monatlicher Auftretenswahrscheinlichkeit in der Hauptsaison. Typischerweise dauern sie rund 20 Minuten, verbreitern die PMSE-Schicht im Mittel um einen Faktor 1,5-Fachen und zu einer maximalen Ausdehnung von 8 km und erreichen vertikale Bewegungen bis 45 m/s; 17% der Fälle überschreiten 3σ der dort üblicherweise beobachteten maximalen Vertikalgeschwindigkeit.
Vier besonders ausgeprägte Ereignisse wurden anschließend in einem Multiinstrumentenansatz hinsichtlich Ausbreitung, Orientierung und Umgebungsbedingungen detailliert untersucht. Neben MAARSYMultibeam und -Imaging flossen horizontale Windfelder, Temperaturprofile und richtungsabhängige Streuinformationen (Directional Scattering) ein. Die Strukturen bewegten sich mit 15–75 m/s quer durch das Radarfeld, oft schräg zur oder gegen den Hintergrundwind. Die Kombination unabhängiger Beobachtungen weist auf Kanalisierungmechanismus durch Windscherung oder Temperaturinversionen sowie Bore-ähnliche Merkmale wie rotierende Fronten und plötzliche Schichtausdehnung hin. Die Ergebnisse zeigen deutlich: Variköse Strukturen sind ein häufiges, bislang unterschätztes Phänomen der polaren Mesosphäre. Ihre starke Dynamik, lokale Ausbreitung und Kopplung an kleinskalige Prozesse machen sie zu einem wichtigen Baustein für das Verständnis der MLT und erfordern eine bessere Abbildung in numerischen Atmosphärenmodellen.