Deciphering Spatio-Temporal Variations in the Auroral Ionosphere using Magnetometer Data

Abstract

Den polare ionosfæren er et dynamisk plasma-miljø dominert av koblingen mellom solvinden og jordens magnetosfære. Nordlyset, plasma-bevegelsen og elektriske strømmer i ionosfæren er skalert og drevet av dagsidekoblingen og de hyppige, kortvarige eksplosive hendelsene på nattsiden kjent som substormer. Historisk har de elektriske strømmene i den polare ionosfæren blitt forstått gjennom forstyrrelser i det magnetiske feltet målt på bakken, og den generelle nordlysaktiviteten har vanligvis blitt forstått ved styrken på denne forstyrrelsen. Fysikkens lover begrenser anvendelsen av bakkebaserte magnetometre for studier av de ionosfæriske elektriske strømmene. Magnetfeltforstyrrelsene under laget av elektriske strømmer representerer bare en del av den horisontale elektriske strømmen i ionosfæren, vanligvis kalt electrojet. Romalderen har gitt målinger av magnetfeltet over dette laget av horisontale elektriske strømmer. Gjennom disse målingene kan vi estimere de elektriske strømmene som flyter langs magnetfeltlinjene, kalt Birkelandstrømmer, og den gjenværende horisontale strømmen.

Arbeidet i denne avhandlingen fokuserer på å utvikle teknikker som kombinerer magnetfeltmålinger til et fullstendig bilde av de elektriske strømmene i ionosfæren. I Artikkel I kombinerer vi målinger fra bakkebaserte magnetometre i Fennoskandia for å estimere electrojeten og den tidsderiverte av det magnetiske feltet på en robust og rutinemessig måte langs en meridian der estimatene anses som mest nøyaktige. Vi bruker en teknikk som ble utviklet for NASA EZIE-misjonen, som vil bli skutt opp i verdensrommet i nær fremtid, og gjøre fjernmålinger av electrojeten ved hjelp av Zeemaneffekten. Denne studien genererer et unikt datasett av disse størrelsene mellom 2000 og 2020 tilgjengelig for det vitenskapelige samfunnet. I denne første artikkelen er vårt hovedfokus på statistikken til datasettet. Vi begynner med å validere det gjennom sammenligning med en empirisk modell. Viktigere er det at vi utforsker avhengighetene av lokaltid, breddegrad og solaktivitet av store tidsvariasjoner i det radielle magnetfeltet, som før denne studien hadde fått lite oppmerksomhet. Store tidsvariasjoner i magnetfeltet på bakken er et viktig aspekt av romvær ettersom de kan føre til skade og ødeleggelse av moderne infrastruktur, som strømnett.

I Artikkel II fortsetter vi med datasettet produsert i Artikkel I, denne gangen med fokus på elektrojetstrømmene vi har estimert. Artikkel II er i stor grad motivert av behovet for en global bestemmelse av nordlysovalen, som historisk og i nyere tid har vist seg å være utfordrende. Vi utvikler en rutine for å bestemme egenskapene til electrojetstrømmene, som deres breddegradsutstrekning og deres totale strømstyrke. Ved bruk av breddegradsgrensene for electrojetene utforsker vi samlokaliseringen av nordlysovalen med electrojetten. Spesielt bygger vi opp et statistisk bilde i lokaltid og breddegrad som kombinerer electrojetgrenser, målinger av partikkelnedbør og nordlysgrenser bestemt fra satellittbilder. Vi konkluderer med at det er klare sammenhengenger mellom nord-lyovalen og electrojetgrensene. Artikkel II skaper grunnlag for fremtidig arbeid med å estimere den globale electrojeten og dermed en global electrojetgrense. En slik estimering vil være verdifull for å forbedre den statistiske sammenligningen med nordlysbilder og bestemme en nordlysoval-proxy fra electrojetgrenser.

I Artikkel III utvikler vi en robust og konsistent metodikk for å direkte estimere den fullstendige ionosfæriske delen av substorm-strømkilen (substorm current wedge, SCW) ved bruk av magnetometre på bakken og ombord på Iridium- satellittkonstellasjonen. Tidligere studier har hovedsakelig undersøkt dette strømsystemet kun ved bruk av bakkebaserte magnetometre. Dette er problematisk ettersom det å avlede hele strømsystemet krever urealistiske antagelser om ledningsevnen i ionosfæren. Vi undersøker dannelsen, utviklingen og strukturen til SCW så langt som målingene tillater. Vi estimerer også SCW ved bruk av bare bakkebaserte magnetometre, og finner tydelige forskjeller sammenlignet med SCW estimert fra en kombinasjon av rom- og bakkebaserte magnetometre. Denne sammenligningsanalysen viser at rundt begynnelsen av en substorm er ledningsevneantakelsene ugyldige og SCW-strukturen kan ikke utledes utelukkende fra bakkebaserte magnetometre. Videre demonstrerer vi at intensiveringen av electrojeten kan skje uten dannelsen av SCW på grunn av endringer i ledningsevnen til den polare ionosfæren assosiert med kraftig nordlys. Disse resultatene kan ha implikasjoner for NASA EZIE-satellittene, som vil måle magnetfeltforstyrrelser fra et område rett under ionosfæren.

The auroral ionosphere is a dynamic plasma environment dominated by the coupling of the solar wind plasma and magnetic field with the Earth’s magnetosphere. The auroral displays, plasma motion and electric currents in the ionosphere are scaled and driven by the dayside coupling and the frequent transient explosive events on the nightside known as substorms. Historically, the electric currents in the polar ionosphere have been understood by the deflection of the magnetic field measured on the ground, and the overall auroral activity has typically been understood by the strength of this deflection. However, physics constrains the application of ground magnetometers for the study of the ionospheric electric currents. The magnetic field deflection underneath the layer of electric currents represents only a portion of the horizontal electric current in the ionosphere, typically referred to as the auroral electrojet. The advent of the space age has introduced magnetic field measurements above this layer of horizontal electric currents. Through these measurements, we can estimate the electric currents flowing along the magnetic field lines, called Birkeland currents, and the remaining horizontal current.

The work that makes up this thesis focuses on developing techniques that combine magnetic field measurements into a full picture of the ionospheric electric currents. In Paper I, we begin with combining measurements from ground magnetometers in Fennoscandia to robustly and routinely estimate the auroral electrojet current and the temporal derivatives of the magnetic field along a 1D slice where the estimations are considered most accurate. We use a technique that was developed for the NASA EZIE mission, that will be launched in the near future, and make remote measurements of the electrojet using the Zeeman effect. This study provides a unique dataset of these quantities between 2000 and 2020 to the scientific community. In this first paper, our primary focus is on the statistics of the dataset. We begin by validating it through comparison with an empirical model. More importantly, we explore the dependencies on local time, latitude and solar activity of large temporal derivatives in the radial magnetic field, which, prior to this study, had seen little attention. Large temporal derivatives in the magnetic field on ground have significant implications in terms of space weather as they can lead to the damage and destruction of modern infrastructure, such as power grids.

In Paper II, we continue with the dataset produced in Paper I, this time focusing on the electrojet currents we have estimated. Paper II is largely motivated by the necessity, for the field of space physics, of a global determination of the auroral oval, which has historically and in recent times presented a significant challenge. We design a routine to extract the properties of the electrojet currents such as their latitudinal extent and their total current strength. Using the latitudinal limits of the electrojets, we explore the collocation of the auroral oval with the electrojet. In particular, we build up a statistical picture in local time and latitude combining electrojet boundaries, measurements of auroral precipitating particles and auroral oval boundaries determined from satellite images. We conclude that there are clear trends between the auroral oval and the electrojet boundaries. Paper II motivates future work of estimating the global electrojet current and thus a global electrojet boundary. Such estimation is valuable for improving the statistical comparison with auroral imagery and determining an auroral oval proxy from electrojet boundaries.

In Paper III, we develop a robust and consistent methodology to directly estimate the full ionospheric portion of the substorm current wedge (SCW) using magnetometers on ground and on board the Iridium constellation of satellites. In contrast, previous studies have investigated this current system using only ground-based magnetometers. This is problematic as inferring the whole current system requires making the unrealistic assumption that gradients in the conductivity of the polar ionosphere in the region of the SCW are small. We investigate the formation, evolution and structure of the SCW to the extent permitted by the measurements. We also estimate the SCW using only ground magnetometers and make those strict assumptions about the conductivity, finding clear differences compared to the current wedge estimated from a combination of space and ground magnetometers. This comparison analysis shows that around the onset of a substorm the conductivity assumptions are invalid and the SCW structure cannot be inferred solely from ground-based magnetometers. Furthermore, we demonstrate that the intensification of the electrojet current, that is often used to infer the formation of the SCW, can occur without the formation of the SCW due to changes in the conductivity of the polar ionosphere associated with intense aurora. These results may have implications for the NASA EZIE mission, which will measure magnetic field perturbations that are located just beneath the ionosphere.