De mesosfeer, van 50 tot 85 km hoogte

De mesosfeer (50 tot 85 km hoogte)

1. Introductie: Positie en Definitie van de Mesosfeer

1.1 Plaatsbepaling in de Atmosfeer

De atmosfeer die onze planeet omhult, is geen homogene gasmassa, maar vertoont een complexe gelaagde structuur. Deze structuur wordt primair bepaald door het verticale temperatuurverloop. Vanuit het aardoppervlak onderscheiden we opeenvolgend de troposfeer, de stratosfeer, de mesosfeer, de thermosfeer en de exosfeer, de buitenste laag die overgaat in de ruimte. Elke laag wordt gescheiden door een ‘pauze’, een overgangszone waar het temperatuurverloop significant verandert. De mesosfeer, het onderwerp van dit rapport, bevindt zich als de derde laag in deze reeks, strategisch gepositioneerd boven de stratosfeer en onder de thermosfeer 4, S_S4, S_S5, S_S8, S_S9, S_S10, S_S11, S_S12, S_S26, S_S27, S_S28, S_S29, 40, 41, S_S49, S_S50, S_R43, S_R48, S_R57, S_R77, S_R78, S_R82, S_R84, S_R88, S_R100, S_R103, S_R114]. De naam zelf, afgeleid van het Griekse ‘mesos’ wat ‘midden’ betekent, reflecteert deze centrale positie in de atmosferische opbouw.

1.2 Definitie en Hoogtegrenzen

Formeel wordt de mesosfeer gedefinieerd als de atmosferische laag die zich uitstrekt vanaf de bovengrens van de stratosfeer, de stratopauze, tot aan de ondergrens van de thermosfeer, de mesopauze 4, S_S8, S_S9, S_S10, S_S11, S_S12, 41, S_R43, S_R48, S_R57, S_R77, S_R78, S_R82, S_R84, S_R88, S_R100, S_R103, S_R114, S_B1, S_B2]. De algemeen aanvaarde hoogtegrenzen plaatsen de onderkant van de mesosfeer rond een hoogte van 50 kilometer. De exacte ondergrens kan enigszins variëren, typisch tussen 47 en 51 kilometer. De bovengrens ligt doorgaans rond 80 tot 85 kilometer hoogte, hoewel soms ook 90 kilometer wordt genoemd als de transitiezone naar de thermosfeer 4, S_S4, S_S5, S_S6, S_S8, S_S9, S_S10, S_S11, S_S12, S_S13, S_S23, S_S24, S_S26, S_S27, S_S28, S_S29, 40, 41, S_S49, S_S50, S_S60, S_S67, S_S68, S_R43, S_R48, S_R57, S_R59, S_R76, S_R77, S_R78, S_R82, S_R84, S_R88, S_R100, S_R103, S_R114, S_B1, S_B2].

Het is belangrijk te beseffen dat deze grenzen niet als starre lijnen in de lucht moeten worden gezien. De exacte hoogte van de stratopauze en mesopauze vertoont variaties, afhankelijk van de geografische breedtegraad en het seizoen.4 Over het algemeen liggen deze grenzen hoger in de winter en boven de tropen, en lager in de zomer en boven de polen.6 Deze variabiliteit is geen meetonnauwkeurigheid, maar een reflectie van de dynamische aard van de atmosfeer. De grenzen worden bepaald door thermische omslagpunten, die op hun beurt worden beïnvloed door seizoensgebonden veranderingen in de absorptie van zonne-energie en door grootschalige atmosferische circulatiepatronen, zoals de Brewer-Dobson circulatie die de stratosfeer beïnvloedt. Deze processen, die verschillen tussen polen en tropen en tussen zomer en winter, zorgen ervoor dat de hoogte waarop de temperatuurgradiënt omslaat, fluctueert. De ‘vage’ grenzen van de mesosfeer zijn dus een indicatie van de dynamische koppeling binnen het gehele atmosferische systeem.

1.3 De Grenslagen: Stratopauze en Mesopauze

De ondergrens van de mesosfeer wordt gemarkeerd door de stratopauze. Deze bevindt zich op ongeveer 50 kilometer hoogte en wordt gedefinieerd als het punt waar de temperatuurstijging met de hoogte, kenmerkend voor de stratosfeer, ophoudt en overgaat in de temperatuurdaling van de mesosfeer. Het is dus een relatief warm punt, een lokaal temperatuurmaximum 41, S_S47, S_S49, S_S50, S_S67, S_S68, S_R43, S_R57, S_R60, S_R78, S_R100, S_R114].

De bovengrens van de mesosfeer is de mesopauze, gelegen op circa 80 tot 85 kilometer hoogte 40, 41, 43, 44, S_S44, S_S47, S_S48, S_S49, S_S50, S_S67, S_S68, S_R43, S_R57, S_R60, S_R77, S_R78, S_R100, S_R114, S_B1, S_B2]. Deze grens wordt gedefinieerd door het punt waar de temperatuur stopt met dalen en weer begint te stijgen in de bovenliggende thermosfeer. De mesopauze staat bekend als de koudste plek in de gehele aardatmosfeer.

1.4 Tabel: Kerngegevens van de Mesosfeer

De essentiële kenmerken van de mesosfeer zijn samengevat in de onderstaande tabel:

2. Thermische Eigenschappen: De Koudste Regio van de Atmosfeer

2.1 Temperatuurverloop: Sterke Afname met Hoogte

Een van de meest onderscheidende kenmerken van de mesosfeer is het temperatuurprofiel. In tegenstelling tot de onderliggende stratosfeer, waar de temperatuur stijgt met de hoogte door de absorptie van ultraviolette (UV) straling door ozon, vertoont de mesosfeer een sterke temperatuurdaling naarmate men hoger komt 4, S_S4, S_S5, S_S6, S_S8, S_S9, S_S11, S_S12, S_S23, S_S24, S_S26, S_S27, S_S28, 40, 41, S_S41, S_S42, S_S43, S_S44, S_S45, S_S46, S_S47, S_S48, S_S49, S_S50, S_R43, S_R57, S_R77, S_R100, S_R114, S_B2, S_B7, S_B9]. Deze afname zet zich voort over het gehele hoogtebereik van de mesosfeer, van de relatief ‘warme’ stratopauze aan de basis tot de extreem koude mesopauze aan de top.

2.2 Verklaringen voor de Afkoeling

Deze significante afkoeling met de hoogte in de mesosfeer wordt veroorzaakt door een combinatie van factoren:

Verminderde Absorptie van Zonnestraling: De belangrijkste factor is de sterk afgenomen concentratie van ozon (O3) in vergelijking met de stratosfeer.5 Ozon is de primaire ‘verwarmer’ van de stratosfeer door de absorptie van schadelijke UV-straling van de zon. Aangezien er veel minder ozonmoleculen in de mesosfeer aanwezig zijn, wordt er significant minder zonne-energie direct in deze laag geabsorbeerd. Bovendien is de lucht in de mesosfeer extreem ijl, wat betekent dat er überhaupt weinig moleculen (van welk type dan ook) beschikbaar zijn om de resterende zonnestraling te absorberen. De primaire warmtebron voor de mesosfeer wordt daardoor effectief de onderliggende, warmere stratosfeer.
Efficiënte Radiatieve Koeling: Tegelijkertijd is de mesosfeer zeer efficiënt in het uitstralen van energie naar de ruimte. Moleculen die infraroodstraling kunnen uitzenden, zoals koolstofdioxide (CO2), spelen hierbij een belangrijke rol. In de dichte lagere atmosfeer wordt veel van deze uitgaande straling weer geabsorbeerd door andere broeikasgasmoleculen, wat leidt tot het broeikaseffect en opwarming. Echter, in de extreem ijle mesosfeer is de kans klein dat een uitgezonden infraroodfoton opnieuw wordt geabsorbeerd voordat het de ruimte bereikt. Moleculen die geëxciteerd raken (bijvoorbeeld door botsingen of door absorptie van de beperkte straling) kunnen hun energie effectief kwijtraken door infraroodstraling uit te zenden. Dit resulteert in een netto energieverlies voor de laag, en dus in afkoeling.

De mesosfeer fungeert hierdoor als een soort ‘koelradiator’ voor de planeet op grote hoogte. Paradoxaal genoeg leidt de toename van CO2 in de atmosfeer, die de troposfeer opwarmt, in de mesosfeer juist tot versterkte koeling. Meer CO2-moleculen in de ijle mesosfeer betekenen meer ‘radiatoren’ die energie naar de ruimte kunnen uitzenden. Deze afkoeling veroorzaakt ook een thermische contractie, ofwel krimp, van de mesosfeer. Dit tegengestelde effect ten opzichte van de troposfeer maakt de mesosfeer een gevoelige indicator voor klimaatverandering op grote hoogte.

2.3 De Mesopauze: Extreem Koud

De temperatuurdaling in de mesosfeer bereikt zijn hoogtepunt bij de bovengrens, de mesopauze, gelegen op ongeveer 80 tot 85 kilometer hoogte 40, 41, 43, 44, S_S44, S_S47, S_S48, S_S49, S_S50, S_S67, S_S68, S_R43, S_R57, S_R60, S_R77, S_R78, S_R100, S_R114, S_B1, S_B2]. Dit is het punt waar de temperatuurgradiënt omslaat en de temperatuur weer begint te stijgen in de bovenliggende thermosfeer. De mesopauze staat bekend als de koudste regio in de gehele aardatmosfeer.7 De temperaturen hier zijn extreem laag, met gemiddelden die typisch rond de -90°C tot -100°C (ongeveer 183 K tot 173 K) liggen. Lokaal en seizoensgebonden kunnen de temperaturen zelfs nog verder dalen, tot waarden onder de -143°C (130 K) 6 of zelfs -173°C (100 K).

Deze extreme kou bij de mesopauze is van cruciaal belang voor het ontstaan van een van de meest opvallende fenomenen van de mesosfeer: lichtende nachtwolken (Noctilucent Clouds, NLCs). Deze wolken bestaan uit ijskristallen en kunnen alleen vormen bij temperaturen lager dan ongeveer -120°C (150 K), temperaturen die alleen in de buurt van de mesopauze worden bereikt. Opmerkelijk is dat deze wolken voornamelijk in de zomer op hoge breedtegraden worden waargenomen. Dit lijkt contra-intuïtief, aangezien men in de zomer meer zonlicht en dus hogere temperaturen zou verwachten. De verklaring ligt echter in de grootschalige atmosferische dynamica. Seizoensgebonden circulatiepatronen veroorzaken een opwaartse luchtstroming boven de zomerpool. Deze opstijgende lucht zet uit in de ijlere omgeving en koelt daardoor sterk af (adiabatische koeling). Deze dynamische koeling is zo effectief dat de mesopauze boven de zomerpool kouder wordt dan boven de winterpool, waardoor de noodzakelijke condities voor NLC-vorming juist in de zomer ontstaan. De timing en locatie van NLCs zijn dus direct gekoppeld aan deze unieke, door dynamica gedreven thermische structuur van de mesopauze

3. Fysische Kenmerken: IJle Lucht en Complexe Samenstelling

3.1 Luchtdichtheid en -druk

De mesosfeer wordt gekenmerkt door een extreem ijle atmosfeer. De dichtheid van de lucht neemt exponentieel af met de hoogte, en in de mesosfeer is deze dichtheid buitengewoon laag. Een treffende illustratie hiervan is dat meer dan 99,9% van de totale massa van de aardatmosfeer zich onder de mesosfeer bevindt.

Als direct gevolg van de lage dichtheid is ook de luchtdruk in de mesosfeer extreem laag. Aan de basis van de mesosfeer, rond 50 km hoogte (de stratopauze), bedraagt de druk nog slechts ongeveer 1 hectopascal (hPa) of 1 millibar (mb), wat al overeenkomt met ongeveer 1/1000ste van de gemiddelde luchtdruk op zeeniveau (ca. 1013 hPa). Naarmate men verder stijgt naar de top van de mesosfeer, de mesopauze rond 80-85 km, daalt de druk verder tot waarden van 0,01 hPa (mb) of zelfs lager. Dit is minder dan 1/100.000ste van de druk op zeeniveau. De druk aan de onderkant van de mesosfeer is dus al ver onder 1% van de druk op zeeniveau, en dit percentage blijft dalen met de hoogte.

Deze extreem lage druk heeft opmerkelijke fysische consequenties. Een daarvan is dat het kookpunt van vloeistoffen sterk verlaagd is. Zonder de bescherming van een drukpak zou het bloed van een mens bij normale lichaamstemperatuur beginnen te koken in de mesosfeer. Bovendien zou er vrijwel geen zuurstof zijn om te ademen.

De lage dichtheid en druk zijn echter niet slechts passieve kenmerken; ze sturen actief de dominante processen in deze laag. De ijle lucht maakt de efficiënte radiatieve koeling mogelijk die de laag zijn karakteristieke temperatuurprofiel geeft (zie sectie 2.2). Ondanks de geringe hoeveelheid luchtmoleculen, veroorzaakt de extreem hoge snelheid van binnenkomende meteoroïden toch voldoende wrijvingshitte voor verbranding (zie sectie 4.1). Tevens dicteert de afnemende dichtheid de overgang van de homosfeer, waar turbulentie zorgt voor menging, naar de heterosfeer, waar gassen zich op basis van hun massa scheiden door moleculaire diffusie. Deze overgang vindt plaats nabij de mesopauze, in de zogenaamde turbopauze.6

3.2 Atmosferische Samenstelling

Ondanks de extreem lage dichtheid en druk, is de relatieve samenstelling van de belangrijkste gassen in de mesosfeer grotendeels vergelijkbaar met die in de lagere atmosfeer. De mesosfeer behoort namelijk nog grotendeels tot de homosfeer, de regio van de atmosfeer (tot ongeveer 85-100 km hoogte) waar de belangrijkste componenten – voornamelijk stikstof (N2, ~78%) en zuurstof (O2, ~21%) – door turbulente menging in relatief constante verhoudingen voorkomen 41, S_S49, S_R73, S_R96]. Boven de mesopauze, in de thermosfeer, begint de heterosfeer, waar gassen zich onder invloed van zwaartekracht en moleculaire diffusie scheiden op basis van hun molecuulmassa.

Hoewel de hoofdbestanddelen relatief constant zijn, vertoont de mesosfeer unieke kenmerken wat betreft spoorgassen en andere deeltjes:

Waterdamp (H2O): De mesosfeer is extreem droog. De concentratie waterdamp is hier ongeveer honderd miljoen keer lager dan in de lucht van de Sahara. Dit maakt de vorming van de ijskristallen waaruit lichtende nachtwolken bestaan des te opmerkelijker. De bronnen van dit waterdamp zijn nog niet volledig opgehelderd, maar mogelijke mechanismen zijn langzaam opwaarts transport vanuit de vochtigere troposfeer (mogelijk via ‘lekken’ in de tropopauze) en de chemische oxidatie van methaan (CH4) dat naar deze hoogten wordt getransporteerd.18 De toename van methaan in de atmosfeer door menselijke activiteiten zou zo kunnen bijdragen aan de waargenomen toename van NLCs.
Metaalatomen: Een opvallend kenmerk van de bovenste mesosfeer (ongeveer 80-105 km) is de permanente aanwezigheid van lagen neutrale (niet-geïoniseerde) metaalatomen. De belangrijkste metalen zijn natrium (Na), ijzer (Fe), magnesium (Mg) en silicium (Si), met kleinere hoeveelheden kalium (K) en calcium (Ca). Deze atomen zijn afkomstig van de verdamping (ablatie) van de miljoenen meteoroïden die dagelijks de aardatmosfeer binnenkomen en in de mesosfeer verbranden. Deze metaallagen spelen een rol in de complexe chemie van de bovenste atmosfeer en de ionosfeer. Ze kunnen geïoniseerd worden en deelnemen aan reacties, waarbij ze uiteindelijk oxiden, hydroxiden en carbonaten vormen die kunnen polymeriseren tot nanometer-grote ‘meteoric smoke particles’ (MSPs). Deze MSPs worden verondersteld te fungeren als de cruciale condensatiekernen waarop de ijskristallen van lichtende nachtwolken zich vormen.
Ionisatie en de D-laag: De mesosfeer overlapt met het onderste deel van de ionosfeer, specifiek de D-laag, die zich uitstrekt van ongeveer 60 tot 90 kilometer hoogte.2 De ionosfeer is het deel van de atmosfeer waar gasmoleculen geïoniseerd worden door hoogenergetische zonnestraling (UV en röntgen). In de D-laag wordt de ionisatie overdag voornamelijk veroorzaakt door Lyman-alfa straling (een specifieke UV-golflengte van waterstof, 121.6 nm) die stikstofmonoxide (NO) ioniseert. Bij sterke zonnevlammen kan ook harde röntgenstraling (< 1 nm) bijdragen door N2 en O2 te ioniseren. De ionisatiegraad in de D-laag is relatief laag vergeleken met hogere ionosferische lagen (E en F). Door de relatief hogere dichtheid (vergeleken met de thermosfeer) en specifieke chemie zijn de recombinatiesnelheden (waarbij ionen en elektronen weer neutrale moleculen vormen) in de D-laag hoog. Dit betekent dat de D-laag ’s nachts, wanneer de ioniserende zonnestraling wegvalt, grotendeels verdwijnt, op een klein restniveau na dat wordt onderhouden door kosmische straling.

De mesosfeer is dus niet slechts een passieve, ijle laag, maar een chemisch actieve overgangszone. Hoewel de basisgassen nog gemengd zijn zoals in de lagere atmosfeer, zorgen externe factoren (meteoren, zonnestraling) voor de injectie en vorming van unieke componenten zoals metaalatomen, ionen en complexe moleculen (zoals in MSPs). Deze unieke chemie, die nergens anders in de atmosfeer in deze vorm voorkomt, beïnvloedt lokale fenomenen zoals de vorming van NLCs en heeft grootschalige effecten, zoals de absorptie van bepaalde radiofrequenties in de D-laag.

4. Dynamiek en Fenomenen in de Mesosfeer

De mesosfeer is, ondanks haar ijle karakter, een dynamische laag waar zich diverse opvallende fenomenen afspelen.

4.1 Verbranding van Meteoren (‘Vallende Sterren’)

Een van de meest bekende verschijnselen geassocieerd met de mesosfeer is het optreden van meteoren, in de volksmond ‘vallende sterren’ genoemd [4, S_S4, S_S5, S_S6, S_S11, S_S12, S_S17, S_S18, S_S19, S_S22, S_S23, S_S24, S_S28, 40, S_S44, S_S49, S_R43, S_R96, S_R97, S_B3, S_B9]. Wanneer kleine deeltjes uit de ruimte, meteoroïden genaamd, met hoge snelheid de aardatmosfeer binnendringen, ondervinden ze toenemende luchtweerstand naarmate ze dieper komen. In de mesosfeer is de luchtdichtheid voldoende toegenomen om significante wrijving te veroorzaken. Deze wrijving genereert intense hitte, waardoor het oppervlak van de meteoroïde verdampt en de omringende luchtmoleculen ioniseren. Dit proces, ablatie genoemd, creëert een lichtgevend spoor dat wij vanaf de grond waarnemen. De meeste meteoroïden verbranden volledig in de mesosfeer, typisch op hoogtes tussen 50 en 85 kilometer. Dit fenomeen is niet alleen een visueel spektakel, maar fungeert ook als de primaire bron van de eerder genoemde metaalatomen (natrium, ijzer, magnesium, etc.) in de bovenste atmosfeer. Deze continue injectie van extraterrestrisch materiaal is essentieel voor de unieke chemie van de mesosfeer en beïnvloedt processen zoals de vorming van lichtende nachtwolken en de samenstelling van de ionosfeer. De natriumlaag, bijvoorbeeld, wordt gebruikt voor geavanceerde remote sensing technieken zoals lidar en zelfs voor het creëren van kunstmatige ‘leidsterren’ voor astronomische observaties. Het schijnbaar destructieve proces van meteoorverbranding is dus fundamenteel constructief voor de samenstelling en studie van de mesosfeer.

4.2 Lichtende Nachtwolken (Noctilucent Clouds – NLCs)

Een ander fascinerend en uniek fenomeen van de mesosfeer zijn de lichtende nachtwolken (NLCs), ook wel polaire mesosferische wolken (PMCs) genoemd.18 Dit zijn de hoogst bekende wolken in de aardatmosfeer, die zich vormen nabij de mesopauze op hoogtes van ongeveer 76 tot 85 kilometer. Ze bestaan uit extreem kleine ijskristallen (diameter tot 100 nm).

NLCs zijn alleen zichtbaar vanuit gebieden op hoge breedtegraden (typisch tussen 50° en 70° Noord of Zuid) tijdens de zomermaanden. Ze verschijnen aan de hemel tijdens de diepe schemering, wanneer de zon al onder de horizon is voor de waarnemer op de grond, maar nog wel deze extreem hoge wolken kan beschijnen vanuit een lage hoek. Dit resulteert in hun karakteristieke uiterlijk: ijle, vaak golvende of vezelige structuren die lijken te gloeien met een zilverachtige of elektrisch blauwe kleur tegen de donker wordende hemel.

De vorming van NLCs vereist zeer specifieke omstandigheden:

Extreem lage temperaturen: Lager dan ongeveer -120°C (150 K). Zoals eerder besproken, worden deze temperaturen bereikt bij de mesopauze, met name boven de zomerpool door dynamische afkoeling.
Aanwezigheid van waterdamp: Hoewel de mesosfeer extreem droog is, is er voldoende waterdamp aanwezig voor ijsvorming onder de juiste temperatuurscondities.
Condensatiekernen: De ijskristallen vormen zich niet spontaan, maar hebben kleine deeltjes nodig om op te condenseren. Men vermoedt sterk dat dit stofdeeltjes zijn afkomstig van verbrande meteoren (MSPs), hoewel vulkanisch stof of stof uit de troposfeer ook een rol zouden kunnen spelen.

De afgelopen decennia is er een toename waargenomen in de frequentie, helderheid en zichtbaarheid op lagere breedtegraden van NLCs. Dit wordt in verband gebracht met klimaatverandering. Twee belangrijke factoren spelen hierbij een rol: de toename van methaan (CH4) in de atmosfeer leidt via chemische reacties op grote hoogte tot meer waterdamp in de mesosfeer, en de toename van kooldioxide (CO2) leidt tot afkoeling van de mesosfeer. Beide trends bevorderen de vorming van NLCs. Hierdoor fungeren NLCs als gevoelige indicatoren – een soort ’thermometers’ en ‘hygrometers’ – voor veranderingen in de bovenste atmosfeer die gerelateerd zijn aan menselijke activiteiten. Hun veranderende gedrag is een van de meest zichtbare bewijzen van de impact van klimaatverandering op deze moeilijk bereikbare atmosferische laag.

4.3 Andere Fenomenen

Naast meteoren en NLCs is de mesosfeer het toneel van andere dynamische en elektrische processen:

Atmosferische Golven en Getijden: De mesosfeer wordt sterk beïnvloed door verschillende soorten golven die vanuit de lagere atmosfeer (troposfeer en stratosfeer) omhoog propageren. Dit omvat atmosferische getijden (veroorzaakt door de dagelijkse opwarming door de zon), planetaire golven (grootschalige golven gerelateerd aan de rotatie van de aarde) en zwaartekrachtgolven (kleinschaliger golven veroorzaakt door bijvoorbeeld luchtstroming over bergen of convectie). In de ijle lucht van de mesosfeer kunnen deze golven zeer grote amplitudes bereiken. Wanneer ze instabiel worden en ‘breken’ (vergelijkbaar met golven op het strand), deponeren ze hun energie en momentum in de mesosfeer. Dit proces is een belangrijke aandrijver van de grootschalige windsystemen (circulatie) en beïnvloedt de temperatuurstructuur van de mesosfeer en zelfs de lagen erboven en eronder. De dynamica van de mesosfeer wordt dus grotendeels ‘aangedreven’ van onderaf, wat de sterke koppeling tussen de verschillende atmosferische lagen benadrukt. Veranderingen in weersystemen of klimaat in de lagere atmosfeer kunnen zich via deze golven voortplanten naar de mesosfeer en daar significante effecten hebben.
Sterke Zonale Winden: Als gevolg van de energie- en momentumdepositie door brekende golven, kent de mesosfeer sterke winden die voornamelijk in oost-westelijke (zonale) richting waaien. De richting en sterkte van deze winden variëren sterk met het seizoen.
Elektrische Verschijnselen (‘Sprites’ en ‘ELVES’): Hoog boven zware onweersbuien in de troposfeer kunnen zich in de mesosfeer soms kortstondige, grootschalige elektrische ontladingen voordoen, bekend als ‘sprites’ (rode, kwalachtige flitsen) en ‘ELVES’ (uitdijende ringen van licht). Deze zijn gerelateerd aan de bliksemactiviteit ver eronder.
Airglow: De mesosfeer draagt ook bij aan ‘airglow’, een zwakke, continue lichtgloed aan de nachthemel die wordt veroorzaakt door chemische reacties tussen atomen en moleculen die overdag door zonlicht zijn geëxciteerd. Reacties waarbij de natriumlaag betrokken is, dragen hieraan bij.

5. Uitdagingen bij het Bestuderen van de Mesosfeer

5.1 De ‘Ignorosfeer’: Hoogtebarrières

De mesosfeer is lange tijd de minst begrepen laag van de aardatmosfeer geweest, wat leidde tot de informele bijnaam ‘ignorosphere’. De belangrijkste reden hiervoor zijn de aanzienlijke uitdagingen bij het uitvoeren van directe metingen in dit gebied. De mesosfeer bevindt zich in een lastig hoogtebereik:

Te hoog voor conventionele methoden: Weerballonnen, die routinematig de troposfeer en lagere stratosfeer onderzoeken, bereiken doorgaans een maximale hoogte van ongeveer 45 kilometer, ver onder de mesosfeer. Ook de hoogst vliegende vliegtuigen blijven beperkt tot de stratosfeer, met maximale hoogtes rond de 25 kilometer.
Te laag voor stabiele satellietbanen: Hoewel de lucht in de mesosfeer extreem ijl is, is er nog steeds voldoende atmosferische weerstand (‘drag’) om satellieten in een lage baan snel af te remmen en hun baan te laten vervallen. Satellieten die de atmosfeer bestuderen, bevinden zich doorgaans in veel hogere banen (in de thermosfeer of exosfeer) en kunnen de mesosfeer alleen indirect meten via remote sensing.

Dit ‘gat’ in directe toegankelijkheid betekent dat continue, in situ monitoring van de mesosfeer, zoals die plaatsvindt in de troposfeer met weerstations en ballonnen, niet mogelijk is.

5.2 Onderzoeksmethoden

Ondanks de uitdagingen hebben wetenschappers diverse methoden ontwikkeld om de mesosfeer te bestuderen, vaak door een combinatie van technieken toe te passen:

Soundeerraketten: Dit zijn raketten die instrumenten naar grote hoogte brengen voor kortstondige, directe metingen tijdens hun parabolische vlucht door de mesosfeer [4, S_S10, S_S12, S_S23, 45, S_S49, S_R43, S_R84, S_B5]. Ze bieden waardevolle in situ data over temperatuur, dichtheid, windsnelheid en chemische samenstelling. Echter, raketlanceringen zijn duur, de meettijd per vlucht is beperkt tot enkele minuten, en ze bieden slechts data van één specifieke locatie en tijd.
Grondgebonden Remote Sensing: Vanaf het aardoppervlak kunnen instrumenten de mesosfeer ‘op afstand’ bestuderen:

Lidar (Light Detection and Ranging): Zendt krachtige laserpulsen de atmosfeer in en analyseert het terugverstrooide licht. Hiermee kunnen verticale profielen van temperatuur, wind, en de dichtheid van specifieke deeltjes zoals de metaalatomen (bv. natrium, ijzer) en de ijskristallen in NLCs worden gemeten.
Radar: Radarsystemen kunnen winden meten door de verstrooiing van radiosignalen aan onregelmatigheden in de atmosfeer (zoals geïoniseerde gebieden of turbulentie) te detecteren. Ze zijn ook zeer effectief in het detecteren van NLCs, die een onverwacht sterke radarreflectie vertonen. Geavanceerde technieken, zoals het gebruik van krachtige hoogfrequente (HF) radiozenders om de ionosfeer kunstmatig te verstoren (bijvoorbeeld via de API-techniek – Artificial Periodic Irregularities), maken het mogelijk om eigenschappen van het plasma en de neutrale atmosfeer in de D-laag af te leiden uit de manier waarop de verstoring zich gedraagt en weer verdwijnt.

Satellietobservaties: Satellieten in hogere banen kunnen de mesosfeer observeren met behulp van remote sensing technieken. Dit kan door ‘neerwaarts’ te kijken (nadir viewing), maar vaker gebeurt dit door naar de ‘rand’ van de atmosfeer te kijken (limb sounding) of door signalen (van de zon, sterren, of GPS-satellieten) te meten die door de mesosfeer heen gaan (occultation). Instrumenten op missies zoals UARS (MLS), TIMED (SABER), Odin, en AIM (Aeronomy of Ice in the Mesosphere) zijn specifiek ontworpen om temperatuur, chemische samenstelling (inclusief spoorgassen en metalen), en de eigenschappen van NLCs in de stratosfeer en mesosfeer te meten.
Modellering: Geavanceerde computermodellen, zoals Whole Atmosphere Community Climate Models (bv. WACCM-X), zijn onmisbaar. Ze simuleren de complexe interacties tussen straling, chemie en dynamica (golven, winden) in de mesosfeer. Deze modellen worden gebruikt om waarnemingen te interpreteren, hypotheses te testen, processen te begrijpen die niet direct gemeten kunnen worden, en om voorspellingen te doen over toekomstige veranderingen, bijvoorbeeld onder invloed van klimaatverandering.

Het gebrek aan continue, directe meetmogelijkheden dwingt wetenschappers tot een synergetische aanpak. Kennis over de mesosfeer wordt opgebouwd door het combineren van de ‘snapshots’ van raketten, de continue maar indirecte of geografisch beperkte data van remote sensing instrumenten op de grond en in de ruimte, en de integrerende kracht van numerieke modellen. Elk van deze methoden heeft zijn eigen sterktes en zwaktes, en alleen door ze samen te gebruiken kan een coherent beeld van deze complexe atmosferische laag worden verkregen. Bovendien dient de studie van specifieke, waarneembare fenomenen zoals NLCs en de metaallagen niet alleen een doel op zich, maar fungeert het ook als een ‘proxy’ of ’tracer’. Door het gedrag van deze fenomenen te analyseren, kunnen onderzoekers indirect informatie afleiden over de bredere dynamica, chemie en thermische toestand van de mesosfeer, die anders moeilijk te kwantificeren zouden zijn.

6. Belang en Functie van de Mesosfeer in het Aardsysteem

Hoewel de mesosfeer een extreem ijle en afgelegen laag van de atmosfeer is, vervult het diverse belangrijke functies binnen het grotere aardsysteem en heeft het relevantie voor zowel natuurlijke processen als menselijke technologie.

6.1 Bescherming tegen Meteoroïden

Een cruciale rol van de mesosfeer is die van een beschermend schild tegen de constante bombardementen van kleine ruimtedeeltjes [4, S_S4, S_S5, S_S6, S_S11, S_S12, S_S17, S_S18, S_S19, S_S22, S_S23, S_S24, S_S28, 40, 44, S_S44, S_S49, S_R43, S_R96, S_R97, S_B3, S_B9]. Zoals besproken, is de luchtdichtheid in deze laag voldoende om de meeste binnenkomende meteoroïden door wrijving te verhitten en te laten verdampen of desintegreren voordat ze het aardoppervlak kunnen bereiken. Zonder deze ‘verbrandingslaag’ zou het aardoppervlak continu worden getroffen door een regen van kleine kosmische deeltjes.

6.2 Rol in Atmosferische Chemie en Fysica

De mesosfeer is een uniek chemisch en fysisch laboratorium:

Unieke Chemie: Het is de regio waar extraterrestrisch materiaal (metalen van meteoren) interageert met de aardatmosfeer, wat leidt tot de vorming van metaallagen en meteoric smoke particles.6 Het herbergt ook het onderste deel van de ionosfeer (D-laag), met zijn specifieke ionisatie- en recombinatieprocessen.2
Atmosferische Koppeling: De mesosfeer speelt een sleutelrol in de verticale koppeling van de atmosfeer.4 Golven en getijden die vanuit de troposfeer en stratosfeer opstijgen, dissiperen vaak hun energie en momentum in de mesosfeer. Dit proces beïnvloedt niet alleen de winden en temperaturen in de mesosfeer zelf, maar heeft ook invloed op de circulatiepatronen in zowel hogere (thermosfeer) als mogelijk lagere atmosferische lagen. Het fungeert als een regio waar energie van zowel boven (zon) als onder (atmosfeer) wordt getransformeerd en herverdeeld.

6.3 Invloed op Technologie

De processen in de mesosfeer hebben directe gevolgen voor technologische systemen:

Radiocommunicatie: De geïoniseerde D-laag in de mesosfeer absorbeert significant radiogolven in de middenfrequentie (MF, zoals AM-radio) en lagere hoogfrequentie (HF) banden, vooral overdag.50 Dit beïnvloedt de reikwijdte en betrouwbaarheid van bepaalde vormen van radiocommunicatie. Veranderingen in de D-laag (bijvoorbeeld tijdens zonnevlammen of PCA-events) kunnen deze absorptie sterk beïnvloeden.
Satellietoperaties: Hoewel de meeste satellieten boven de mesosfeer opereren, kunnen veranderingen in de dichtheid van de bovenste mesosfeer en de thermosfeer (bijvoorbeeld de waargenomen krimp door CO2-koeling) de atmosferische weerstand (drag) op laagorbitsatellieten beïnvloeden. Dit kan gevolgen hebben voor hun baanhoogte, levensduur en de noodzaak voor baan-correcties.

6.4 Indicator voor Klimaatverandering

De mesosfeer reageert op een duidelijke en meetbare manier op de toename van broeikasgassen in de atmosfeer, maar op een manier die tegengesteld is aan de opwarming in de troposfeer:

Afkoeling en Krimp: Zoals eerder vermeld, leidt de toename van CO2 tot een versterkte radiatieve koeling en dus tot een meetbare afkoeling en thermische contractie (krimp) van de mesosfeer. Temperatuurtrends in de mesosfeer zijn significant sterker (in de orde van 2-3 K per decennium) dan in de lagere atmosfeer.
Veranderingen in NLCs: De waargenomen toename in frequentie, helderheid en geografische spreiding van lichtende nachtwolken is een directe visuele manifestatie van deze veranderingen. Deze veranderingen worden gekoppeld aan zowel de afkoeling (door CO2) als de toename van waterdamp (door CH4-oxidatie).

Het bestuderen van de mesosfeer is daarom niet alleen van belang voor het fundamentele begrip van onze atmosfeer en haar interactie met de ruimteomgeving, maar heeft ook directe relevantie voor het monitoren en begrijpen van de impact van menselijke activiteiten op het wereldwijde klimaat en voor de betrouwbaarheid van technologische systemen waarvan onze moderne samenleving afhankelijk is.

7. Conclusie: Synthese van Kennis over de Mesosfeer

7.1 Samenvatting

De mesosfeer, gelegen tussen ongeveer 50 en 85 kilometer hoogte, vormt de middelste laag van de aardatmosfeer. Het onderscheidt zich door een uniek en dramatisch temperatuurprofiel, gekenmerkt door een sterke afkoeling met toenemende hoogte, culminerend in de mesopauze – de koudste regio van de planeet. Deze afkoeling is primair het gevolg van verminderde absorptie van zonnestraling door afnemende ozonconcentraties en efficiënte radiatieve koeling door gassen zoals CO2 in de extreem ijle lucht. De dichtheid en druk zijn er buitengewoon laag, hoewel de relatieve samenstelling van de belangrijkste gassen nog overeenkomt met de lagere homosfeer.

De mesosfeer is het toneel van opvallende fenomenen. Het fungeert als de primaire laag waar binnenkomende meteoroïden verbranden, zichtbaar als ‘vallende sterren’, en injecteert daarbij metaalatomen in de bovenste atmosfeer. Bij de koude mesopauze vormen zich onder specifieke condities de etherische lichtende nachtwolken (NLCs), de hoogste wolken in onze atmosfeer. De laag overlapt ook met de D-laag van de ionosfeer en wordt gedomineerd door complexe dynamica van atmosferische golven en getijden die vanuit lagere lagen opstijgen. Het bestuderen van de mesosfeer blijft een uitdaging vanwege de hoogte, wat een combinatie van raketmetingen, remote sensing vanaf de grond en vanuit de ruimte, en geavanceerde modellering vereist.

7.2 Belang en Slotwoord

De mesosfeer is veel meer dan slechts een ijle overgangszone. Het is een dynamische en chemisch actieve laag die een cruciale rol speelt in het aardsysteem. Het biedt essentiële bescherming tegen kosmisch puin. Het fungeert als een belangrijke schakel in de verticale koppeling van de atmosfeer, waar energie en momentum van zowel boven als onder worden getransformeerd en herverdeeld, met effecten die zich uitstrekken naar andere atmosferische lagen. De unieke chemie, gevoed door meteoren, en de ionisatiefenomenen beïnvloeden zowel natuurlijke processen als technologische systemen zoals radiocommunicatie en satellietoperaties.

Bovendien fungeert de mesosfeer als een gevoelige indicator voor wereldwijde klimaatverandering. De waargenomen afkoeling en de veranderingen in lichtende nachtwolken bieden waardevolle inzichten in de respons van de gehele atmosfeer op antropogene invloeden. Ondanks de inherente moeilijkheden bij het bestuderen van deze laag, is voortdurend onderzoek naar de mesosfeer van fundamenteel belang. Een dieper begrip van de processen die zich hier afspelen is essentieel voor een compleet beeld van de complexe interacties binnen de aardatmosfeer en haar reactie op zowel natuurlijke als door de mens veroorzaakte veranderingen.