The interaction of geomagnetic pulsations with electrons and the implications of this wave-particle interaction on the energy and flow of relativistic electrons in the Van Allen radiation belts

Abstract

Over the past decades, major efforts have been devoted to observe, model and explain the underlying physics of the dynamics of trapped particle populations and their interactions with plasma waves as well as other magnetospheric phenomena in order to improve software tools to predict enhancements of relativistic electron fluxes in the outer Van Allen radiation belt. These variations over orders of magnitude occur outside of the flux dropout and recovery associated with the large scale changes in the geomagnetic field during magnetic storms, that is known as “Dst effect”. A broad variety of physical processes have been proposed which are capable of affecting the outer radiation belt electron population through transport, heating, and loss of particles. The outcome of any substantial geomagnetic activity seems to be a result of the complex interplay among multiple active processes. In this dissertation, radial diffusion is explored through a comparative study of the response of the outer radiation belt electron population to the most intense magnetic storms of solar cycle 23 against concurrent observations of ULF waves. The generation and propagation of Pc5 ULF waves in the Earth's magnetosphere, named for their frequencies in the range of a few millihertz (mHz), is also studied. One limitation of similar efforts in the past has been the limited observations of wave activity originating from the outskirts of the magnetosphere and penetrating in the inner magnetosphere with continuity in time. We have developed a multi-year database of ULF wave power based on the virtual combination of magnetic field data from multiple ground magnetometer arrays into a global network by the SuperMAG initiative, which provided global coverage in terms of both L-shell and MLT. Observations of ULF Pc5 waves were examined against the response of relativistic electrons to four intense magnetic storms that occurred in March, April and August 2001. Results extend previous investigations by revealing a remarkable association between earthward propagation of waves and outer radiation belt enhancements. Since the inner edge of the outer electron radiation zone corresponds to the plasmapause location when the latter gets forced inwards during periods of intense geomagnetic activity, we also investigate how the plasmasphere erosion favours migration of energetic electrons in the slot region that is usually devoid of charged particles as well as earthward penetration of Pc5 waves to lowL-shells. The next step in the same line of research was to statistically study possible relationships between the spatial and temporal profiles of Pc5 waves with those of trapped electron populations in the outer radiation belt. The superposed epoch analysis method was used to determine the response (if any) of the outer radiation belt electron population to Pc5 wave activity resulting from solar wind forcing following ICMEs. This study has been carried out for magnetic storms that had occurred between January 1998 and April 2004. Applying a series of selection criteria, a total of 40 isolated geospace storms were selected. The imprint of concerted interactions of electrons with narrow-band and broadband Pc5 waves was seen during these storms and offered an explanation for the radiation belt relativistic electron variations. Specifically, a number of solar wind and solar windmagnetosphere coupling parameters were investigated for four sets of intense and moderate storms with and without relativistic electron flux enhancements across the outer radiation belt in the recovery phase. In particular, sustained southward IMF was the only external indicator of subsequentappearance of relativistic electrons. The response of the magnetosphere to the external driving by the solar wind was in general not proportional to the input. Within the magnetosphere, changes in the electron population of the outer radiation belt as well as in ULF Pc5 wave activity varied remarkably in both magnitude and duration between stormsthat produced or did not produce relativistic electrons. ULF Pc5 wave power was more than an order of magnitude higher in storms followed by an at least two-fold increase in electron fluxes than in storms leading to sustained electron flux decreases, starting in most cases as early as 24 hours before the storm SYM-H index minimum. Pc5 wave power peaked near the SYM-H index minimum and remained at high levels for approximately 48 hours in the recovery phase, suggesting that ULF waves had a key role to play in electron acceleration and contributed to the reformation of the outer radiation belt. This distinct behaviour supports indirectly the scenario of diffusive radial transport. On the other hand, the presence of narrowband, sinusoidal Pc5 waves could accelerate electrons through drift resonance. The duration of enhanced Pc5 wave activity depended on the strength of each magnetic storm and was sustained the longest during the most intense storms. It was also during the most intense storms that the peak of Pc5 wave power was observed the deepest into the magnetosphere. The gradual decay of power with decreasing L-shell suggests an external source of Pc5 waves in the solar wind rather than an internal one. However, in the extensive data set assembled for comparing storms that did and did not produce relativistic electrons across the outer radiation belt, solar wind and IMF conditions did not differ. Pc5 wave activity has been suggested as an intermediary between the solar wind and radiation belt relativistic electrons, and appears to be in turn controlled by magnetospheric conditions, including the level of geomagnetic activity and erosion of the plasmasphere.

Οι φυσικές διεργασίες που συνεισφέρουν στην επιτάχυνση ηλεκτρονίων και την τροφοδοσία των ζωνών ακτινοβολίας Van Allen με υψηλής ενέργειας ηλεκτρόνια ή αντίθετα στην απώλεια σχετικιστικών ηλεκτρονίων συνοδεύονται από την παραβίαση των τριών αδιαβατικών αναλλοίωτων της κίνησής τους. Όταν, μαγνητικά και ηλεκτρικά πεδία στο εσωτερικό της γήινης μαγνητόσφαιρας μεταβάλλονται μέσα σε χρονικές κλίμακες πολύ μεγαλύτερες από την περίοδο της κίνησης των ηλεκτρονίων γύρω και κατά μήκος των μαγνητικών γραμμών, η πρώτη και η δεύτερη αδιαβατική αναλλοίωτη μεταβλητή παραμένουν σταθερές. Αντίθετα, η τρίτη αδιαβατική αναλλοίωτη της κίνησής τους παραβιάζεται, καθώς ηλεκτρόνια διαχέονται κατά την ακτινική διεύθυνση. Κύματα ultra-low frequency (ULF) Pc5 που μεταφέρονται από τον ηλιακό άνεμο μέχρι το εσωτερικό της μαγνητόσφαιρας ή ακόμα αναπτύσσονται στο εσωτερικό της διαμορφώνουν διακυμάνσεις ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων, των οποίων οι χαρακτηριστικοί χρόνοι προσεγγίζουν την περίοδο ολίσθησης των ηλεκτρονίων γύρω από τη Γη. Οι διακυμάνσεις των πεδίων που περιορίζουν την κίνηση των ηλεκτρονίων στο εσωτερικό των ζωνών ακτινοβολίας συμβάλλουν στην μετατόπιση της τροχιάς τους άλλοτε προς εξωτερικές περιοχές της μαγνητόσφαιρας και άλλοτε προς το εσωτερικό της χωρίς συνοχή (stochastically). Επιπλέον, η διάχυση των ηλεκτρονίων πραγματοποιείται με ρυθμό ανάλογο της ισχύος που έχει συγκεντρωθεί στην περιοχή συχνοτήτων μεταξύ 2 και 7 mHz των κυμάτων ULF Pc5. Αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η μελέτη της χρονικής όσο και χωρικής κατανομή της ισχύος κυμάτων Pc5 στη διάρκεια των ισχυρότερων μαγνητικών καταιγίδων που εκδηλώθηκαν στη διάρκεια του προηγούμενου ηλιακού κύκλου 23 όσο και ασθενέστερων καταιγίδων. Αρχικά, η απόκριση του πληθυσμού σχετικιστικών ηλεκτρονίων που αποτελεί την εξωτερική ζώνη ακτινοβολίας Van Allen σε τέσσερις ισχυρές καταιγίδες που εκδηλώθηκαν το 2001, στη διάρκεια των οποίων ο δείκτης Dst (Disturbance storm time index) έλαβε τιμές από -105 μέχρι -387 nT, διερευνήθηκε σε σχέση με ταυτόχρονες παρατηρήσεις κυμάτων Pc5 από το διεθνές δίκτυο μαγνητομέτρων International Monitor for Auroral Geomagnetic Effects (IMAGE), το οποίο είναι εγκατεστημένο στην Σκανδιναβική χερσόνησο, και από έναν μεγάλο αριθμό μαγνητικών σταθμών με μετρήσεις διαθέσιμες μέσα από τη βάση δεδομένων της διεθνούς κοινοπραξίας SuperMAG. Η κατανομή της ισχύς των κυμάτων εξετάστηκε με σκοπό να διασαφηνιστεί το βάθος μέσα στη μαγνητόσφαιρα στο οποίο εισχωρούν κύματα που έχουν την πηγή τους κυρίως στην μαγνητόπαυση καθώς και ο ρόλος που διαδραματίζει η χωρικά και χρονικά εκτεταμένη κυματική δραστηριότητα στις επιμέρους φάσεις κάθε καταιγίδας. Για την ανάλυση επίγειων μετρήσεων του μαγνητικού πεδίου της Γης χρησιμοποιήθηκαν οι συνεχείς μετασχηματισμοί wavelet με τη συνάρτηση Morlet σαν βάση. Ακολουθώντας τη μεθοδολογία που έχουν αναπτύξει οι Balasis et al. [2012 & 2013], υπολογίστηκε το φάσμα της κατανομής της πυκνότητας ισχύος στην περιοχή συχνοτήτων από 2 μέχρι 7 mHz που αντιστοιχεί στα κύματα Pc5. Mε βάση τα επιμέρους φάσματα από 24 σταθμούς του δικτύου IMAGE και περισσότερους από 180 σταθμούς με δεδομένα διαθέσιμα στα αρχεία τουSuperMAG, προσδιορίστηκε στη συνέχεια η κατανομή της πυκνότητας ισχύος που καταγράφηκε ταυτόχρονα σε μαγνητοκελύφη 1 < L-shells < 10 σαν συνάρτηση του παγκόσμιου χρόνου (Universal Time, UT) καθώς και του τοπικού μαγνητικού χρόνου (Magnetic Local Time, MLT) που καθορίζεται από τη θέση κάθε σταθμού ως προς την ευθεία Γης – Ηλίου. Οι μαγνητικές συντεταγμένες του κάθε σταθμού και η παράμετρος McIlwain L υπολογίστηκαν με τη βοήθεια του μοντέλου του International Geomagnetic Reference Field (IGRF) κατά αντιστοιχία με τις μαγνητικές συντεταγμένες που είναι διαθέσιμες για μετρήσεις από το δορυφόρο Solar Anomalous and Magnetospheric Particle Explorer (SAMPEX).Το επόμενο βήμα ήταν να μελετηθεί η απόκριση του πληθυσμού σχετικιστών ηλεκτρονίων με τη βοήθεια μετρήσεων από τους Geostationary Operational Environmental Satellites (GOES) [Onsager et al., 1996]. Για την απομόνωση των χρονικών μεταβολών της ροής ηλεκτρονίων με ενέργεια μεγαλύτερη από 0.6 MeV και μεγαλύτερη από 2 MeV που συγκεντρώνει ο Energetic Particle Sensor (EPS) από διακυμάνσεις που οφείλονται στην κίνηση των δορυφόρων χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος Statistical Asynchronous Regression (SAR) [O’ Brien et al., 2001] και οι μετρήσεις της ροής σχετικιστικών ηλεκτρονίων ανακατασκευάστηκαν. Επιπλέον, αναζητήθηκαν και επεξεργάστηκαν μετρήσεις της ροής σχετικιστικών ηλεκτρονίων από το δορυφόρο SAMPEX, του οποίου η σχεδόν πολική τροχιά με περίοδο ~96 min καλύπτει όλο το εύρος των μαγνητοκέλυφων (L-shells) όπου εντοπίζεται η εξωτερική ζώνη ακτινοβολίας (μεταξύ L-shells 4 και 7 περίπου) στην διάρκεια των 15 πλήρων περιστροφών γύρω από τη Γη που πραγματοποιούσε ο δορυφόρος κάθε ημέρα. Οι μετρήσεις της ροής ηλεκτρονίων με ενέργειες μεταξύ 1.5 και 6 MeV από το Proton/Electron Telescope (PET) [Cook et al., 1993] διαχωρίστηκαν ανάλογα με τη θέση του δορυφόρου όπου καταγράφηκαν και ομαδοποιήθηκαν ανάλογα με την παράμετρο L. Με τον τρόπο αυτό, αναπαράχθηκε η κατανομή της ροής ηλεκτρονίων στην περιοχή 1 < L-shell < 10. Η εικόνα της χωρικής κατανομής των ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας της εξωτερικής ζώνης ακτινοβολίας και της ισχύς κυμάτων Pc5 συμπληρώθηκε με τον υπολογισμό της θέσης της πλασμόπαυσης που πραγματοποιήθηκε με χρήση του εμπειρικού μοντέλου που έχουν προτείνει οι O'Brien & Moldwin [2003] όσο και με παρατηρήσεις της πλασμόπαυσης από τον Imager for Magnetopause-to-Aurora Global Exploration (IMAGE) [Sandel et al.,2001]. Ο δορυφόρος IMAGE έχει συγκεντρώσει εικόνες της πλασμόσφαιρας στην περιοχή του μακρινού υπεριώδους (extreme ultraviolet, EUV) που αποτυπώνουν λεπτομέρειες του εξωτερικού ορίου της κατά τη διάρκεια των μαγνητικών καταιγίδων του Μαρτίου και του Απριλίου 2001 οπότε βρισκόταν σε τροχιά γύρω από τη Γη. Η ανάλυση των εικόνων έχει πραγματοποιηθεί σύμφωνα με τη μεθοδολογία που ανέπτυξαν οι Goldstein et al. [2003].Μέσα από τη συγκριτική μελέτη των συνθηκών στο μεσοπλανητικό χώρο που οδήγησαν στην εκδήλωση των τεσσάρων μαγνητικών καταιγίδων όσο και στο εσωτερικό της μαγνητόσφαιρας με την άφιξη κάθε στεμματικής εκτίναξης μάζας (Coronal Mass Ejection, CME), η μετατόπιση του μεγίστου της κατανομής της ισχύς κυμάτων ULF Pc5 προς ασυνήθιστα μικρά γεωμαγνητικά πλάτη φαίνεται να είναι χαρακτηριστικό μαγνητικών καταιγίδων στη διάρκεια των οποίων η ροή ηλεκτρονίων ενισχύεται στη φάση ύφεσης της καταιγίδας. Με την έναρξη κάθε καταιγίδας, η κυματική δραστηριότητα που αναπτύσσεται συνεχώς αυξάνεται λαμβάνοντας το μέγιστό της στη διάρκεια της κύριας φάσης της καταιγίδας, οπότε και έχει διεισδύσει βαθύτερα στο εσωτερικό της μαγνητόσφαιρας μέχρι L-shell μικρότερο του 2. Στο παρελθόν, κυματική δραστηριότητα στην περιοχή συχνοτήτων από 1 μέχρι 10 mHz είχε παρατηρηθεί σε ασυνήθιστα μικρά L-shells στη διάρκεια περιόδων ακραίας γεωμαγνητικής δραστηριότητας, όπως για παράδειγμα η καταιγίδα που εκδηλώθηκε στις 14 Μαρτίου 1991 όποτε ο δείκτης Dst έλαβε ελάχιστη τιμή ίση με -298 nT [Lee et al., 2007] και στις 29 Οκτωβρίου 2003 οπότε ο δείκτης Dst έλαβε ελάχιστη τιμή -383 nT [Marin et al., 2014]. Κύματα Pc5 στην εσώτερη μαγνητόσφαιρα, ωστόσο, δεν είναι χαρακτηριστικό μονάχα των ισχυρότερων μαγνητικών καταιγίδων. Στη διάρκεια της κύριας φάσης κάθε καταιγίδας που μελετήθηκε στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής, παρατηρήθηκε σημαντική διάβρωση της πλασμόσφαιρα. Η μετατόπιση του εξωτερικού ορίου της στο εσωτερικό της slot region μεταξύ της εσωτερικής και εξωτερικής ζώνης φαίνεται να δημιούργησε ευνοϊκές συνθήκες για τη διάδοση των κυμάτων Pc5 προς την εσώτερη μαγνητόσφαιρα [Georgiou et al., 2015]. Με βάση τις παρατηρήσεις αυτές, στη συνέχεια, ξεκίνησε μία εκτεταμένη στατιστική μελέτη που καλύπτει τις καταιγίδες που εκδηλώθηκαν στην περίοδο 1998 - 2004 στο σύνολό τους. Το πλήθος των παρατηρησιακών δεδομένων που συγκεντρώθηκαν διαχωρίστηκαν με γνώμονα την απόκριση του πληθυσμού σχετικιστικών ηλεκτρονίων στην εξωτερική ζώνη ακτινοβολίας. Για την επαλήθευση της ύπαρξης ειδοποιούς διαφοράς ανάμεσα σε μαγνητικές καταιγίδες που χαρακτηρίστηκαν από ενίσχυση του πληθυσμού σχετικιστικών ηλεκτρονίων και καταιγίδων που συνοδεύτηκαν από απώλειες στη φάση ύφεσης που σχετίζονται με κυματική δραστηριότητα χαμηλής συχνότητας υιοθετήθηκε η μεθοδολογία της superposed epoch analysis. Πρώτα, προσδιορίστηκαν οι συνθήκες στο μεσοπλανητικό χώρο που οδηγούν στην εκδήλωση κάθε καταιγίδας και στη συνέχεια οι συνθήκες στο εσωτερικό της μαγνητόσφαιρας που είναι κοινές για κάθε ομάδα καταιγίδων. Ειδικότερα, υπολογίστηκε η ισχύς ταλαντώσεων του μαγνητικού πεδίου της Γης με συχνότητα μεγαλύτερη από 0.2 mHz προκειμένου να προσδιοριστεί ένας δείκτης κυματικής δραστηριότητας ανάλογος με εκείνον των Engebretson et al. [1998]. Ο νέος δείκτης υπολογίστηκε ως ο λόγος της ισχύς που συγκεντρώθηκε σε συχνότητες μεταξύ 2 και 7 mHz και της ισχύς που παρατηρήθηκε σε συχνότητες μεγαλύτερες από 0.2 mHz και επέτρεψε να προσδιοριστεί πότε παρατηρείται ενίσχυση της ισχύς στην περιοχή συχνοτήτων των κυμάτων Pc5 σε σύγκριση με ένα μεγάλο εύρος συχνοτήτων, χαρακτηριστικό θορύβου που μπορεί να έχει την πηγή του σε υποκαταιγίδες ή ακόμα σε ακανόνιστες διακυμάνσεις του μαγνητικού πεδίου. Το συγκεκριμένο βήμα ήταν κρίσιμο για την διερεύνηση της ενισχυμένης κυματικής δραστηριότητας στο νυχτερινό τμήμα της μαγνητόσφαιρας και συγκεκριμένα στο τμήμα προς τη δύση (dusk) στη διάρκεια μαγνητικών καταιγίδων που χαρακτηρίστηκαν από ενίσχυση του πληθυσμού σχετικιστικών ηλεκτρονίων της εξωτερικής ζώνης ακτινοβολίας. Στη διάρκεια μαγνητικών καταιγίδων που συνοδεύονται από ενίσχυση του πληθυσμού σχετικιστικών ηλεκτρονίων που αποτελεί την εξωτερική ζώνη ακτινοβολίας, μεγάλης κλίμακας μεταβολές του μαγνητικού πεδίου της Γης καθώς ενισχύεται το δακτυλιοειδές ρεύμα και εκδηλώνονται υποκαταιγίδες αναμένεται να δημιουργήσουν τις απαραίτητες συνθήκες καθώς και τον αρχικό πληθυσμό που στη συνέχεια θα επιταχυνθεί σε σχετικιστικές ενέργειες. Υπάρχει, ωστόσο, ένας αριθμός μαγνητικών καταιγίδων που δεν συνοδεύεται από ενίσχυση του πληθυσμού σχετικιστικών ηλεκτρονίων, αλλά από σημαντικές απώλειες και χαρακτηρίζεται επίσης από μειωμένη κυματική δραστηριότητα.