Ανάπτυξη και εξασθένηση μαγνητικών καταιγίδων στο γεωδιάστημα

Abstract

Magnetic storms and magnetospheric substorms are the most frequent mechanisms of magnetospheric activity. In this Thesis we study the substorm influence to the magnetic storm development, a study that contributes to the “storm-substorm relationship” issue. We follow two ways for approaching the above issue: The first one is through a study of the geomagnetic indices SYM-H and AL, which are used to measure storm and substorm intensity, respectively. We selected intervals of significant geomagnetic activity and used the time series of the respective storm and substorm indices. Our aim was to estimate the energy density associated with storms and substorms and the correlation between these two quantities. This work led us to the result that the energy density variation of magnetic storms is highly correlated with the energy density variations of magnetosheric substorm (during the same time intervals) and thus magnetospheric substorms have the potential to influence storm development. The ring current, an electric current flowing perpendicular to the geomagnetic field, is a key feature in space storms dynamics. Any study referring to the mechanisms that contribute to the ring current growth and development as well as to the loss mechanisms improves our understanding of space storms. Magnetospheric substorm is a mechanism that contributes to particle transport from the plasma sheet to the inner magnetosphere leading to the ring current enhancement. So, the second way of approaching the issue of magnetic storm development and substorm’s contribution on it was based on simulating the above magnetospheric disturbances by using a threedimensional dynamic ion-tracing model. We followed the transport and acceleration of ions, under the influence of a background convection electric field with a superposed impulsive electric field due to magnetic field dipolarizations, as observed by spacecraft during substorm expansion phase. We examined the relative influence of O+ and H+ ions originating in the plasma sheet on the ring current development. Maps of the temporal and spatial variations of ion energy densities in the inner magnetosphere were constructed. The energy density contribution to the ring current of different ion spices was calculated during the evolution of magnetic storms and storm-time substorms. We concluded that large-scale magnetospheric convection alone does not appear to be sufficient to build-up an intense ring current belt. On the other hand substorm particle acceleration is very efficient in building-up intense particle radiation during geospace magnetic storms. The difference in energization is much more prominent for O+ ions, which have been known to be preferentially accelerated by substorm-induced electric fields [Fok et al., 2006]. The occurrence of periodic substorms, is a farther step in our theoretical study, since their observations are of significant interest. For both H+ and O+ ions the inclusion of periodic substorms leads to a more efficient acceleration. The initial code we started working on was developed by Dr. D. Delcourt (Centre d’ Etude des Environnements Terrestre et Planétaires, Paris) and it was calculating the orbit of a charged particle under the influence of the disturbance of the magnetosphere in between two levels. We developed the code in order to simulate storm-time substorms, by applying several steps of magnetospheric disturbances. We also calculated the properties of a large number of particles, and not single particles only, so that we are able to follow the transport and energization of different plasma areas inside the magnetosphere. This step was important in order to produce a more representative and realistic view of the ring current. A large number of particles was required and more particles used for each simulation, the more computational time was needed. In order to reduce the total execution time, we run our simulation scenario on parallel platforms. The application of successive substorms of specific periodicities on the code is also another issue developed during this Thesis in collaboration with the Geospace Physics Laboratory, Heliophysics Science Division, NASA/Goddard Space Flight Center. We finally concluded that indeed substorm particle acceleration is very efficient, and that large-scale convection and substorm dipolarizations do cooperate to inject plasma energy more deeply into the magnetosphere than either would individually.

Οι μαγνητικές καταιγίδες και μαγνητοσφαιρικές υποκαταιγίδες αποτελούν μερικές από τις σημαντικότερες εκφάνσεις γεωμαγνητικής δραστηριότητας. Το θέμα της σχέσης μεταξύ των δύο φαινομένων εξακολουθεί να διχάζει την επιστημονική κοινότητα, η οποία δεν έχει καταλήξει ακόμα σε γενικώς αποδεκτά συμπεράσματα. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματευόμαστε το εν λόγω θέμα ακολουθώντας τις ακόλουθες προσεγγίσεις: Αρχικά προσεγγίζουμε το πρόβλημα μέσω της μελέτης των γεωμαγνητικών δεικτών, μέθοδος ευρέως χρησιμοποιούμενη για την ερμηνεία και περιγραφή των μαγνητοσφαιρικών διαταραχών. Οι γεωμαγνητικοί δείκτες SYM-H και AL αποτελούν μέτρο της έντασης των μαγνητικών καταιγίδων και μαγνητοσφαιρικών υποκαταιγίδων αντίστοιχα. Κατά την μελέτη αυτή επέλεξα περιόδους έντονης γεωμαγνητικής δραστηριότητας και χρησιμοποίησα τις χρονοσειρές των γεωμαγνητικών δεικτών που περιγράφουν τα δύο φαινόμενα, όπως παρέχονται από το Παγκόσμιο Κέντρο Γεωμαγνητικών Δεδομένων του Κυότο (World Data Center for Geomagnetism, Kyoto). Καταλήξαμε στο συμπέρασμα ότι η ενεργειακή πυκνότητα που αντιστοιχεί στις μαγνητικές καταιγίδες συσχετίζεται ισχυρά με την ενεργειακή πυκνότητα που αντιστοιχεί στις μαγνητοσφαιρικές υποκαταιγίδες που λαμβάνουν χώρα την ίδια χρονική περίοδο. Οι μαγνητοσφαιρικές υποκαταιγίδες επομένως διαθέτουν δυναμικό ικανό να επηρεάσει την εξέλιξη μιας μαγνητικής καταιγίδας. Έναν επιπλέον τρόπο προσέγγισης του εν λόγω προβλήματος αποτελεί η μελέτη της επιτάχυνσης και ενεργοποίησης φορτισμένων σωματιδίων εντός του γεωμαγνητικού πεδίου με τη χρήση κατάλληλων προτύπων. Βασικό χαρακτηριστικό των μαγνητοσφαιρικών υποκαταιγίδων αποτελεί η ενεργοποίηση και μεταφορά ιόντων από το φύλλο πλάσματος προς την εσωτερική μαγνητόσφαιρα. Δορυφόροι έχουν παρατηρήσει εγχύσεις φορτισμένων σωματιδίων στη διάρκεια υποκαταιγίδων. Έχει παρατηρηθεί ότι ένα από τα βασικά χαρακτηριστικά των μαγνητικών καταιγίδων, αποτελεί η ισχυροποίηση του δακτυλιοειδούς ρεύματος, καθώς φορτισμένα ιόντα συμβάλλουν στην ανάπτυξή του. Μελετάμε λοιπόν την ανάπτυξη του δακτυλιοειδούς ρεύματος ακολουθώντας τα εξής σενάρια διαταραχής στη μαγνητόσφαιρα: Στην πρώτη περίπτωση θέτουμε συνθήκες που ευνοούν την μεγάλης κλίμακας μεταφορά στη μαγνητόσφαιρα, κατάσταση που έχει παρατηρηθεί στη διάρκεια των μαγνητικών καταιγίδων. Ένας μεγάλος αριθμός ιόντων ξεκινά την πορεία του από το φύλλο πλάσματος διαγράφοντας διαφορετικές τροχιές, αναλόγως των αρχικών συνθηκών κάθε σωματιδίου. Κατά τη δεύτερη περίπτωση προσθέτουμε στην παραπάνω συνθήκη μια διαταραχή στην μαγνητόσφαιρα με τρόπο που να προσομοιάζει μια μαγνητοσφαιρική υποκαταιγίδα. Ακολουθούμε ξανά την ενεργοποίηση και μεταφορά του πληθυσμού των φορτισμένων σωματιδίων που και προηγουμένως ακολουθήσαμε. Σκοπός μας είναι η συγκριτική συμβολή του ανωτέρω πληθυσμού στην ενεργειακή πυκνότητα του δακτυλιοειδούς ρεύματος στις δύο περιπτώσεις. Συμπεραίνουμε ότι η δημιουργία υποκαταιγίδας στη μαγνητόσφαιρα δημιουργεί επαγόμενα ρεύματα που παίζουν βασικό ρόλο στην επιτάχυνση φορτισμένων σωματιδίων, αυξάνοντας την ενεργειακή πυκνότητα του δακτυλιοειδούς ρεύματος, σε τιμές που η μεγάλης κλίμακας μεταφορά από μόνη της δεν μπορεί να επιτύχει. Η εργασία έρχεται σε συμφωνία και με προηγούμενες εργασίες (Ganushkina et al. 2005, Fok et al., 2006) οι οποίες χρησιμοποίησαν διαφορετικά μοντέλα προσέγγισης του ιδίου προβλήματος. Ο κώδικας με τον οποίο ξεκίνησα να εργάζομαι στην διατριβή μου σε συνεργασία με τον D. Delcourt (Centre d’ Etude des Environnements Terrestre et Planétaires, Paris), ο οποίος και τον ανέπτυξε, υπολογίζει την τροχιά ενός φορτισμένου σωματιδίου υπό μεταβολή του γεωμαγνητικού πεδίου μεταξύ δύο καταστάσεων μαγνητοσφαιρικής διαταραχής. Αρχικά βελτιώσαμε τον κώδικα έτσι ώστε να προσομοιώνει μια μαγνητική υποκαταιγίδα. Στην συνέχεια τον εφαρμόσαμε σε σειριακή μορφή σε ένα πληθυσμό σωματιδίων της μαγνητόσφαιρας και όχι σε μεμονωμένα σωματίδια. Το πλήθος των σωματιδίων που κάθε φορά εξετάζαμε καθορίζονταν από το πλήθος των βημάτων που θέταμε στις αρχικές συνθήκες (όπως ενέργεια, συντεταγμένες). Στην διάρκεια επίσκεψης μου στο Edinburgh Parallel Computing Centre (στα πλαίσια του HPCEuropa Transnational Access programme) παραλληλοποίησα τον κώδικα, ώστε να εφαρμόζεται σε δίκτυο υπολογιστών. Κατόπιν, σε συνεργασία με την Ομάδα Υπολογιστικών Συστημάτων, Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών του ΕΜΠ, εφαρμόσαμε μεθόδους δρομολόγησης του κώδικα με σκοπό την επιλογή εκείνης που οδηγεί σε γρηγορότερα αποτελέσματα. Οι δε αρχικές τιμές των παραμέτρων που χαρακτηρίζουν κάθε ιόν, φρόντισα να παίρνουν τυχαίες τιμές, εντός ορισμένων διαστημάτων, τα οποία και καθορίζουν την περιοχή της μαγνητόσφαιρας από όπου τα ιόντα προέρχονται. Η τροποποίηση αυτή προσδίδει το πλεονέκτημα της πιο ρεαλιστικής περιγραφής του φυσικού φαινομένου. Σημαντική επίσης βελτίωση που αφορά στην πιο ρεαλιστική περιγραφή των μαγνητοσφαιρικών υποκαταιγίδων αποτελεί η εισαγωγή περιοδικών υποκαταιγίδων στον κώδικα, καθώς οι περισσότερες από τις υποκαταιγίδες που έχουν παρατηρηθεί εμφανίζονται περιοδικά (και όχι μεμονωμένες). Το μέρος αυτό της εργασίας πραγματοποιήθηκε σε συνεργασία με το Geospace Physics Laboratory, Heliophysics Science Division, NASA/Goddard Space Flight Center, στη διάρκεια εργασίας μου στο ινστιτούτο. Καταλήξαμε ότι η εισαγωγή διαδοχικών διαταραχών που προσομοιάζουν μαγνητοσφαιρικές υποκαταιγίδες με συγκεκριμένη περίοδο, ότι δρα στην πιο αποτελεσματική ενεργοποίηση των ιόντων στην εσώτερη μαγνητόσφαιρα. Η συνέργια επομένως και των δύο μηχανισμών (μεγάλης κλίμακας μεταφορά και επιτάχυνση λόγω των επαγόμενων πεδίων που αναπτύσσονται στη διάρκεια των υποκαταιγίδων) συμβάλλουν στην ανάπτυξη του δακτυλιοειδούς ρεύματος στην διάρκεια των μαγνητικών καταιγίδων, καθιστώντας το ρόλο των επαγόμενων πεδίων κρίσιμο στην διαδικασία αυτή.