Auroral Region Morphology and the Influence of Earth’s Rotation on Geospace Dynamics

Abstract

Koblingen mellom solvinden, magnetosfæren, og ionosfæren er avgjørende for å forstå verdensrommet og dens påvirkning på Jorden. I de øvre lagene av atmosfæren ved polene, spesielt i området kjent som auroraregionen, møtes elektromagnetisk og kinetisk energi fra magnetosfæren. Dette området, ofte kalt auroraovalen, har blitt mye studert de siste tiårene. Strømmen av ladde partikler langs magnetfeltlinjer fra magnetosfæren til ionosfæren, og forstyrrelser i magnetfeltet, gir oss unike innsikter i auroraen og solvind-magnetosfære-ionosfære koblingen.

Denne avhandlingen undersøker formen og asymmetriene i auroraområdet for å bedre forstå det komplekse samspillet mellom magnetosfæren og jordens øvre atmosfære. Vi ser spesielt på hvordan jordens rotasjon påvirker strømmen av plasma i magnetosfæren, som igjen påvirker auroraen.

I Artikkel I og II utvikler vi en statistisk metode for å beskrive auroraområdets form ved å utlede sannsynligheten for forekomst av aurora basert på målinger av partikkelnedbør (Artikkel I) og svigninger i magnetifeltet (Artikkel II) i den polare ionosfæren. Til tross for store forskjeller, avslører studiene interessante felles trekk med hensyn til fordelinger i magnetisk bredde og lokal tid. Statistisk sett er det en utvidet region med høy forekomstsannsynlighet for både partikkelnedbør og magnetfeltsvingninger, noe som indikerer store, langsiktige mønstre. Denne regionen med høy sannsynlighet danner, i første orden, en oval rundt polen og viser en morgen-kveld asymmetri, med en vedvarende bredere oval i morgensektoren sammenlignet med kveld. I Artikkel I foreslår vi, fra et væskeperspektiv, at breddeasymmetrien i forekomstsannsynligheten for elektronnedbør reflektere mengden av magnetisk fluks i magnetosfæren som blir transportert rundt Jorden. Videre foreslår vi at jordens rotasjon kanskje spille en rolle i å transportere mer plasma mot morgesektoren. Basert på denne hypotesen, anslår vi i Artikkel III i hvilken grad det magnetosfæriske plasmaet koroterer med store avstander fra ionosfæren. Vi finner at noen regioner i magnetosfæren følger jordens rotasjon, til tross for en forsinkelse i korotasjonshastigheten, mens andre er stasjonære. Vi viser at sub-korotasjonen av det magnetosfæriske plasmaet kan ha bredere implikasjoner for hvordan ionosfæren og magnetfeltet oppfører seg, og påvirker auroraområdet.

Samlet sett viser disse studiene at observasjoner av elektronnedbør og magnetfeltsvingninger kan fortelle oss mye om samspillet mellom magnetosfæren og auroraområdet. Våre funn tyder på at forskjellen mellom morgen- og kveldssiden i auroraområdet delvis kan forklares med jordens rotasjon, som skyver plasmaet mer mot øst enn mot vest i det magnetosfæriske plasmaskjiktet.

The coupling between the solar wind, magnetosphere, and ionosphere is crucial for understanding the space environment and its impact on Earth. The Earth's polar upper atmosphere, and the auroral zone in particular, constitutes a region of convergence of the electromagnetic and kinetic energy provided by the magnetosphere. As such, the morphology of the region where auroral activity concentrates, typically known as the auroral oval, has been widely investigated in recent decades. The influx of charged particles guided by magnetic field lines connecting the magnetosphere and ionosphere, along with magnetic field disturbances, offer distinct perspectives on the aurora and, more broadly, on the solar wind-magnetosphere-ionosphere coupling.

This thesis aims to investigate the auroral region morphology, with a focus on asymmetries, to contribute to the understanding of the complex interplay between the magnetosphere and Earth's upper atmosphere. Notably, we place a large emphasis on elucidating the role of the planet's rotation in shaping convection flows within the magnetosphere, which in turn influence the auroral zone.

In Papers I and II, we develop a statistical method to characterise the auroral region morphology by deriving the occurrence probability of aurora based on measurements of particle precipitation (Paper I) and magnetic field fluctuations (Paper II) in the polar ionosphere. Despite major differences, these two studies reveal interesting common features in terms of spatial distributions in magnetic latitude and local time. Statistically, there is an extended region of high occurrence probability for both particle precipitation and magnetic field fluctuations, indicating large-scale, long-term patterns. This region of high probability forms, to first order, an oval around the pole and exhibits a dawn-dusk asymmetry, with a persistently wider oval in the dawn sector compared to dusk. In Paper I, we suggest that, from a fluid perspective, the width asymmetry in the occurrence probability of electron precipitation may reflect the amount of magnetospheric magnetic flux being convected around Earth. In this picture, the Earth's rotation could play a role in transporting more plasma toward dawn. Following this hypothesis, in Paper III, we estimate the extent to which magnetospheric plasma corotates at large distances from the ionosphere. We find that some regions in the magnetosphere follow Earth's rotation, despite a lag in the corotation velocity, while others are stationary. We show that the sub-corotation of the magnetospheric plasma may have broader implications in terms of ionospheric electrodynamics and magnetic field topology, further impacting the auroral region.

When considered as a whole, the studies constituting this thesis emphasise that electron precipitation and magnetic field fluctuations in the ionosphere can be used as indicators of the large-scale coupling between magnetospheric dynamics and auroral region. Our findings demonstrate that the dawn-dusk asymmetry in the auroral region is partly due to the Earth's rotation driving plasma more eastwards than westwards in the magnetospheric plasma sheet.

Le lien entre le vent solaire, la magnétosphère et l'ionosphère est d’une importance cruciale pour comprendre l'environnement spatial et son impact sur la Terre. Dans les régions polaires, en particulier dans la zone aurorale, l’ionosphère constitue une région de convergence pour l'énergie électromagnétique et cinétique provenant de la magnétosphère. L’activité aurorale se concentre dans une région connue sous le nom d’ovale auroral, dont la morphologie a fait l’object de nombreuses études au cours des dernières décennies. L'afflux de particules chargées guidées par les lignes de champ magnétique reliant la magnétosphère et l'ionosphère, ainsi que les perturbations du champ magnétique, offrent des perspectives distinctes sur l’ovale auroral et, de manière plus générale, sur le couplage vent solaire-magnétosphère-ionosphère.

Cette thèse a pour objectif d’étudier la morphologie de la région aurorale en mettant l'accent sur ses asymétries, afin de contribuer à une meilleure compréhension des interactions complexes entre la magnétosphère et l'ionosphère terrestre. Nous nous intéressons particulièrement au rôle de la rotation de la planète dans la formation des flux de convection au sein de la magnétosphère, lesquels ont un impact direct sur la dynamique de la zone aurorale.

Dans les Articles I et II, nous développons une méthode statistique pour caractériser la morphologie de la région aurorale en dérivant la probabilité d'occurrence aurorale à partir de mesures de précipitations de particules (Article I) et de fluctuations du champ magnétique (Article II) dans l'ionosphère polaire. Malgré des différences majeures, ces deux études révèlent des caractéristiques communes en termes de distributions spatiales (latitude et temps local magnétiques). Statistiquement, il existe une vaste région où les précipitations de particules et les fluctuations du champ magnétique sont très probables, indiquant des tendances à grande échelle et à long terme. Cette région de haute probabilité d’occurrence forme un ovale autour du pôle et présente une asymétrie aube-crépuscule, avec un ovale invariablement plus large dans le secteur de l'aube par rapport au crépuscule. Dans l'Article I, nous avançons l’idée qu'en adoptant une perspective fluide, l'asymétrie de largeur dans la probabilité d'occurrence de précipitation d'électrons pourrait refléter la quantité de flux magnétique circulant autour de la Terre dans la magnétosphère. Nous émettons l’hypothèse que la rotation de la Terre pourrait jouer un rôle dans le transport privilégié de plasma vers le côté aube. Selon cette hypothèse, dans l'Article III, nous estimons dans quelle mesure le plasma magnétosphérique est soumis à la rotation de la Terre. Nous constatons que certaines régions de la magnétosphère suivent la rotation de la Terre, malgré un retard dans la vitesse de corotation, tandis que d'autres sont stationnaires.

Nous démontrons que la sous-corotation du plasma magnétosphérique peut avoir des implications plus larges en termes d'électrodynamique ionosphérique et de topologie du champ magnétique, affectant ainsi l’ovale auroral. Les études constituant cette thèse mettent en évidence que la précipitation d'électrons et les fluctuations du champ magnétique dans l'ionosphère peuvent servir d’indicateurs du couplage à grande échelle entre la dynamique de la magnétosphère et la région aurorale. Nos résultats montrent que l'asymétrie aube-crépuscule dans l’ovale auroral est en partie due à la rotation de la Terre qui entraîne le plasma vers l'est plutôt que vers l'ouest dans la magnétosphère.