One-dimensional Method of Characteristics to Determine Ionospheric Conductances and Currents
| Title: | One-dimensional Method of Characteristics to Determine Ionospheric Conductances and Currents |
| Author(s): | Sillanpää, Ilkka |
| Contributor: | University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physical Sciences |
| Discipline: | Theoretical Physics |
| Language: | English |
| Acceptance year: | 2002 |
| Abstract: |
Yksiulotteinen karakteristikamenetelmä on suoraviivainen menetelmä ionosfäärin sähkövirtojen laskemiseksi sähkö- ja magneettikenttien mittauksista. Tässä työssä tutkittiin menetelmän käyttökelpoisuutta napa-alueiden ionosfäärissä yleisten elektrojetien ja rinnakkaisvirtausten tapauksissa. Elektrojetit ovat ionosfäärin hallitsevimpia sähkövirtauksia ja lisäksi usein yksiulotteisia eli kentät ovat pelkästään latitudista riippuvia.
Tässä työssä johdetaan karakteristikamenetelmän yhtälöt lähtien Maxwellin yhtälöistä ja Ohmin laista. Työn tuloksena on ohjelma, joka soveltaa yksiulotteista karakteristikamenetelmää STARE-tutkilla saatuihin ionosfäärin sähkökentän arvoihin sekä IMAGE-magnetometriverkolla saatuun maanpinnan magneettikenttään, joka tosin täytyy mallintaa ionosfäärin horisontaalivirtojen korkeudelle (n. 100 km).
Yksi-ulotteisen karakteristikamenetelmän käyttökelpoisuus voitiin osoittaa analysoimalla kolmesta ionosfäärin sähkövirtatilanteesta saatuja tuloksia. Näiden tapausten kesto vaihteli kymmenestä 40:een minuuttiin ja tutkimusalue rajoittui STARE-tutkien ja IMAGE-verkoston mittausalueelle, joka käsitti Skandinavian sekä osan Pohjoista jäämerta. Saadut tulokset olivat hyviä ja suhteellisen yksityiskohtaisia sekä auttoivat ymmärtämään esim. kentänsuuntaisten virtojen
muodostumista.
Menetelmässä tarvitaan arvio Hallin ja Petersenin sähkönjohtavuuksien suhteelle eli alfa-parametrille. Työssä osoitettiin, että tulosten alfa-riippuvuus vastasi teoreettisia oletuksia, ja siten ei Hallin johtavuudella eikä sähkövirran itä-länsi-suuntaisella komponentilla (l. Hallin virralla, joka oli horisontaalivirran dominoiva komponentti) ollut käytännössä alfa-riippuvuutta. Sähkövirtojen ja sähkönjohtavuuksien profiilien muodot eivät myöskään riippuneet alfasta.
Menetelmän antamia tuloksia kentänsuuntaisista sähkövirroista verrattiin yhdessä tapauksessa samasta ajanjaksosta Cluster-satelliitilla saatuihin tuloksiin tuhansia kilometrejä tutkimusalueen yläpuolella. Virran maksimit olivat molemmissa tuloksissa aivan samoilla kohdin kuten myös havaittu virran minimi. Lisäksi virran arvot olivat hyvin lähellä toisiaan, kun satelliittitulokset oli mallinnettu alas 100 km:n korkeuteen.
Yksi-ulotteinen karakteristikamenetelmä osoittautui hyvin käyttökelpoiseksi ionosfäärin johtavuuksien ja sähkövirtojen tarkassa määräämisessä ionosfäärin sähkö- ja magneettikenttien mittauksien perusteella, kun oletus tilanteen yksiulotteisuudesta on pätevä. On mahdolliselta kehittää käytettyä ohjelmaa edelleen niin, että myös pitkiä aikavälejä voitaisiin tutkia tällä menetelmällä suoritettujen yksittäisten virtatapausten analyysin ohessa.
The one-dimensional method of characteristics is a forward method for determining ionospheric currents from electric and magnetic field measurements. In this work the applicability of the method was studied with respect to polar electrojet and shear flow events as these are the predominant ionospheric current situations and are often one-dimensional, the fields thus having only dependence on the latitude.
In this work the characteristic equations are derived from Maxwell's equations and Ohm's law. A program was developed with an algorithm applying the one-dimensional method of characteristics to ionospheric electric field measurements by the STARE radars and ground- based magnetic field measurements by the IMAGE magnetometer network. The magnetic field was upward continued to the ionospheric horizontal current altitude (100km).
The applicability of the one-dimensional method of characteristics was shown by analyzing the results from three electric current events. The length of these events varied between 10 and 40 minutes and the study area was limited to STARE and IMAGE measurement area over Scandinavia and part of the Arctic Ocean. The results were accurate and relatively detailed and gave insight to e.g. the origin of the features of the field-aligned currents.
The estimated ratio of the Hall and Pedersen conductances, or the alpha parameter, is needed in the method. It was shown that the alpha dependence follows the theoretical predictions, and thus the Hall conductance and the East-West component of the horizontal currents (the Hall current, that dominated the horizontal currents) have practically no dependence on alpha. Also the general features of the conductance and current profiles were not dependent of alpha.
Field-aligned current (FAC) results obtained during one of the events were compared with concurrent Cluster satellite measurements at a high altitude orbit above the area of study. Two maxima and a minimum of FAC occurred simultaneously in the results with very comparable numerical values after the mapping down of the results from the satellite.
The one-dimensional method of characteristics was found very successful in determining ionospheric conductances and currents in detail from ionospheric electric and magnetic field measurements when the assumption of the one-dimensionality of the event is valid. It seems quite feasible to develop the algorithm for application of the method during longer time periods, where as here only singular events were studied.
|
| Keyword(s): | ionosfäärin elektrodynamiikka yksiulotteinen malli karakteristikamenetelmä ionospheric electrodynamics 1D model method of characteristics |
Files in this item
| Files | Size | Format | View |
|---|---|---|---|
| tiiviste.pdf | 29.69Kb | ||
| abstract.pdf | 29.47Kb | ||
| onedimen.pdf | 2.632Mb |
This item appears in the following Collection(s)
-
Faculty of Science [4002]