Simulations of spacecraft measurements for the study of joule/ohmic heating and energetic particle precipitation in the upper atmosphere

Abstract

The Lower Thermosphere-Ionosphere (LTI), at altitudes from 100 to 200 km, is the theatre of a multitude of phenomena related to the interaction between ions, electrons and neutrals. At the same time, the LTI is influenced by forcing from above, such as by solar irradiation, by energetic particle precipitation and by the deposition of large amounts of energy in the form of Joule heating, which maximizes within these altitudes. The LTI is also affected by forcing from below, such as by Gravity Waves and tides. However the quantification of these phenomena is largely unknown to this date, as this region has been largely under-sampled: aside from a small number of missions, such as the Atmosphere Explorers (AE) and the Dynamics Explorers (DE) of the 1970s and the 1980s, and sounding rockets, which provide snap-shots of the upper atmosphere, the only source of information is obtained from remote sensing measurements. However, remote sensing instruments can not provide comprehensive measurements of all the parameters needed for many of the processes related to plasma-neutral interactions. This thesis aims to describe the ways of calculating Joule heating with simultaneous in-situ measurements of all the parameters required for its determination and to highlight the variability that comes from the different implementations and assumptions of the approaches used. To achieve this, the Global Ionosphere/Thermosphere Model (GITM) and Thermosphere-Ionosphere-Electrodynamics General Circulation Model (TIE-GCM) General Circulation Models are used. These are physics-based models that provide self-consistently all the plasma and neutral parameters together with the electric fields that enter into the calculation of Joule heating. Results from the GITM and TIE-GCM are inter-compared and are also compared against several empirical methods that are commonly used to estimate Joule heating. It is found that all empirical methods underestimate the heating rates of the LTI region compared to the GCMs. In the framework of the thesis, results from several software tools are presented that have been developed for the calculation of Joule heating and the simulation of in-situ measurements. The simulated measurements are obtained using interpolation methods along the satellite orbit within the grid of GCMs. Error propagation is employed to estimate the dependence of the uncertainty of Joule heating on the individual uncertainties of each measurement and to determine the expected total range of uncertainty of the estimated Joule heating. The software developed in the framework of this thesis has been developed in the form of a set of tools for the analysis of in-situ missions and for the processing of GCMs outputs in the LTI region. In addition, some of the few existing datasets of in-situ simultaneous electron, ion, and neutral temperatures measurements are re-analyzed, as they constitute critical parameters yielding information of the thermal equilibrium in the LTI. These are measurements obtained by the AE-C, AE-D, AE-E, and DE-2 space missions, which took place in the late 1970s and early 1980s. These measurements are compared against the electron and ion temperatures obtained from Incoherent Scatter Radars (ISR). The re-analysis of the measurements of the aforementioned missions is carried out to assess the quality of the existing measurements, which constitute the basis for a number of existing empirical models, and to point out inconsistencies with respect to our current understanding of the thermal equilibrium of the LTI. The analysis revealed many cases where the assumed condition that Ti ≥Tn is not confirmed, where Ti is the ion temperature and Tn the neutral temperature. Possible causes that could explain the existence of such events are listed, including instrument effects, Gravity Waves, Plasma Caves and the Equatorial Fountain effect. As a conclusion, the need for new measurements in the LTI is underlined, with a primary focus on in-situ measurements, in order to shed more light onto the physical processes taking place in the LTI.

Η κατώτερη θερμόσφαιρα-ιονόσφαιρα (Lower Thermoshpere-Ionoshpere - LTI), σε υψόμετρα από 100 έως 200 χλμ, αποτελεί το χώρο εμφάνισης μιας πληθώρας φαινομένων που σχετίζονται με την αλληλεπίδραση μεταξύ ιόντων, ηλεκτρονίων και ουδετέρων σωματιδίων. Ταυτόχρονα, η περιοχή αυτή επηρεάζεται από φαινόμενα όπως η ηλιακή ακτινοβολία, η κατακρήμνιση ενεργητικών σωματιδίων (Energetic Particle Precipitation - EPP) και η απόθεση μεγάλων ποσοτήτων ενέργειας με τη μορφή Ωμικής θέρμανσης, η οποία μεγιστοποιείται σε αυτά τα υψόμετρα. Η LTI επηρεάζεται επίσης από διεργασίες που προκαλούνται από τη Γη, όπως οι βαρυτικοί κυματισμοί και οι παλίρροιες. Ωστόσο, η ποσοτικοποίηση αυτών των φαινομένων παραμένει σε μεγάλο βαθμό άγνωστη μέχρι σήμερα, καθώς είναι ελάχιστες οι αποστολές που έχουν γίνει σε αυτή την περιοχή για τη λήψη επιτόπιων μετρήσεων. Εκτός από έναν μικρό αριθμό αποστολών, όπως οι Atmosphere Explorers (AE) και οι Dynamics Explorers (DE), που πραγματοποιήθηκαν τις δεκαετίες του 1970 και του 1980, και αποστολών με χρήση πυραύλων που παρέχουν στιγμιότυπα της άνω ατμόσφαιρας, η μόνη πηγή πληροφοριών προέρχεται από απομακρυσμένες μετρήσεις με χρήση ραντάρ. Ωστόσο, τα απομακρυσμένα όργανα μέτρησης δεν μπορούν να παρέχουν ολοκληρωμένες μετρήσεις όλων των παραμέτρων που είναι απαραίτητες για πολλές από τις διαδικασίες που σχετίζονται με τις αλληλεπιδράσεις πλάσματος-ουδετέρων. Η κατανόηση των πολύπλοκων διεργασιών μεταξύ της άνω ατμόσφαιρας της Γης και του διαστημικού περιβάλλοντος κοντά στη Γη έχει αποκτήσει ιδιαίτερη σημασία τα τελευταία χρόνια για την κατανόηση της δυναμικής της γήινης ατμόσφαιρας. Ανάμεσα στα διάφορα φαινόμενα που επηρεάζουν αυτό το περίπλοκο σύστημα, η Ωμική θέρμανση και η πρόσπτωση ενεργητικών σωματιδίων έχουν αναδειχθεί σε σημαντικούς παράγοντες που επηρεάζουν τη συμπεριφορά και τα χαρακτηριστικά της κατώτερης θερμόσφαιρας-ιονόσφαιρας (LTI). Η Ωμική θέρμανση επηρεάζει διάφορες παραμετρούς που έχουν να κάνουν με τις εμπορικές διαστημικές εφαρμογές ή με τα δίκτυα διανομής ηλεκτρικής ενέργειας. Για παράδειγμα ο προσδιορισμός της ατμοσφαιρικής αντίστασης και η πρόβλεψη των χρόνων μείωσης της τροχιάς των δορυφόρων και των διαστημικών απορριμμάτων σε αυτή την περιοχή, επηρεάζεται από τις προαναφερθείσες παραμέτρους. Η απώλεια 40 δορυφόρων της Space-X τον Φεβρουάριο του 2022 θεωρείται ότι προκλήθηκε από υποτίμηση της αύξησης της πυκνότητας των ουδέτερων σωματιδίων στη θερμόσφαιρα, η οποία προκλήθηκε από αυξημένη Ωμική θέρμανση κατά τη διάρκεια μιας μέτριας γεωμαγνητικής καταιγίδας. Η παρούσα διατριβή στοχεύει να περιγράψει τους τρόπους υπολογισμού της Ωμικής θέρμανσης με ταυτόχρονες επιτόπιες εκτιμήσεις όλων των παραμέτρων που απαιτούνται για τον προσδιορισμό της και να επισημάνει τη μεταβλητότητα που προκύπτει από τις διαφορετικές μεθόδους υπολογισμού που χρησιμοποιούνται. Για να το επιτύχει αυτό, χρησιμοποιεί τα μοντέλα γενικής κυκλοφορίας Global Ionosphere/Thermosphere Model (GITM) και Thermosphere-Ionosphere-Electrodynamics General Circulation Model (TIE-GCM). Αυτά είναι φυσικά μοντέλα που παρέχουν με συνέπεια όλες τις παραμέτρους του πλάσματος και των ουδετέρων μαζί με το ηλεκτρικό πεδίο που εισέρχονται στον υπολογισμό της Ωμικής θέρμανσης. Τα αποτελέσματα από το GITM και το TIE-GCM συγκρίνονται μεταξύ τους και μεταξύ αρκετών εμπειρικών μεθόδων που χρησιμοποιούνται συνήθως για την εκτίμηση της Ωμικής θέρμανσης. Διαπιστώθηκε ότι όλες οι εμπειρικές μέθοδοι υποτιμούν τα ποσοστά θέρμανσης στην LTI περιοχή σε σύγκριση με τα μοντέλα γενικής κυκλοφορίας. Στο πλαίσιο της διατριβής, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα διαφόρων λογισμικών που έχουν αναπτυχθεί για τον υπολογισμό της θέρμανσης Joule και τη προσομοίωση επιτόπιων μετρήσεων. Οι προσομοιωμένες μετρήσεις λαμβάνονται χρησιμοποιώντας μεθόδους παρεμβολής κατά μήκος της τροχιάς του δορυφόρου εντός του πλέγματος των μοντέλων γενικής κυκλοφορίας. Η διάδοση σφαλμάτων χρησιμοποιείται για την εκτίμηση του σφάλματος της Ωμικής θέρμανσης από τα επιμέρους σφάλματα κάθε μέτρησης και για τον προσδιορισμό του αναμενόμενου συνολικού σφάλματος της Ωμικής θέρμανσης.Τα λογισμικά που αναπτύχθηκαν στο πλαίσιο αυτής της διατριβής έχουν τη μορφή ενός συνόλου εργαλείων για την ανάλυση διαστημικών αποστολών επιτόπιων μετρήσεων και την επεξεργασία των εξόδων των μοντέλων γενικής κυκλοφορίας στην περιοχή LTI. Επιπλέον, αναλύονται εκ νέου τα υπάρχοντα σύνολα δεδομένων ταυτόχρονων και επιτόπιων μετρήσεων θερμοκρασιών ηλεκτρονίων, ιόντων και ουδετέρων, καθώς αποτελούν κρίσιμες παραμέτρους που παρέχουν πληροφορίες για τη θερμική ισορροπία στην περιοχή LTI. Σημειώνεται ότι οι μετρήσεις αυτές λήφθηκαν από τις διαστημικές αποστολές AE-C, AE-D, AE-E και DE-2, οι οποίες πραγματοποιήθηκαν στα τέλη της δεκαετίας του 1970 και στις αρχές της δεκαετίας του 1980. Αυτές οι μετρήσεις συγκρίνονται με τις θερμοκρασίες ηλεκτρονίων και ιόντων που λαμβάνονται από τα Incoherent Scatter Radars (ISR). Η επανεξέταση των μετρήσεων των προαναφερθεισών αποστολών πραγματοποιείται για να εκτιμηθεί η ποιότητα των υπαρχουσών μετρήσεων, οι οποίες αποτελούν τη βάση για τα περισσότερα από τα εμπειρικά μοντέλα, που χρησιμοποιούνται και για να επισημανθούν οι ασυνέπειες σε σχέση με την τρέχουσα κατανόησή μας για τη θερμική ισορροπία της LTI. Η ανάλυση αποκάλυψε πολλές περιπτώσεις όπου η υπόθεση ότι Ti ≥ Tn δεν επιβεβαιώνεται, όπου Ti είναι η θερμοκρασία των ιόντων και Tn η θερμοκρασία των ουδετέρων. Οι πιθανοί λόγοι που θα μπορούσαν να εξηγήσουν την ύπαρξη τέτοιων γεγονότων αναφέρονται, συμπεριλαμβανομένων των επιδράσεων των οργάνων, των βαρυτικών κυμάτων, των σπηλαίων πλάσματος και του φαινομένου της πηγής του ισημερινού (equatorial fountain effect). Συμπερασματικά, υπογραμμίζεται η ανάγκη για νέες μετρήσεις στην περιοχή LTI, με κύρια εστίαση στις επιτόπιες μετρήσεις, προκειμένου να φωτιστούν περισσότερο οι φυσικές διαδικασίες που λαμβάνουν χώρα στην περιοχή LTI. Η παρούσα διατριβή αποσκοπεί στην επίδειξη του τρόπου με τον οποίο οι ολοκληρωμένες μετρήσεις από νέες επιτόπιες αποστολές μπορούν να οδηγήσουν σε σημαντικές βελτιώσεις στην κατανόηση των διαδικασιών και της φυσικής της LTI, με ιδιαίτερη έμφαση στην Ωμική θέρμανση. Αυτά τα νέα δεδομένα θα μπορούσαν να αναπτυχθούν για να εμπλουτίσουν τα υπάρχοντα μοντέλα και να παρέχουν ισχυρότερες προβλέψεις για τη θερμόσφαιρα και τη συμπεριφορά της.