Claudia Stolle (GFZ Potsdam)

Lokalzeitliche Veränderungen elektromagnetischer Eigenschaften von äquatorialen Plasmastrukturen

In-situ Beobachtungen durch die Swarm-Satelliten zeigen faszinierende ionosphärische Plasmadichtestrukturen und deren elektromagnetische Eigenschaften. Diese treten bei den sich nach Sonnenuntergang in der F-Region der Ionosphäre (200 bis 1500 km) entwickelnden, äquatorialen Plasmaverarmung (EPDs = equatorial plasma depletion) auf. In der ersten Phase unseres Projektes haben wir mit den Swarm-Satelliten-Beobachtungen Eigenschaften der EPDs entdeckt, die so nicht von physikalischen Modellen vorhergesagt waren. Wir konnten beobachten, dass die mit EPDs verbundenen feldparallelen Ströme nicht, wie aus theoretischen Überlegungen erwartet, symmetrisch zum Äquator hin- bzw. vom Äquator wegfließen, sondern hauptsächlich interhemisphärisch (also von einer Hemisphäre zur anderen). Wir berichteten auch zum ersten Mal über Beobachtungen der Poynting-Flussdichte (der elektromagnetische Energieflussdichte) von EPDs. Auch hier fanden wir überraschenderweise, dass der Poynting-Vektor einen vorher nicht erwarteten interhemisphärischen Energiefluss beschreibt. Außerdem weisen die Richtung der Poynting-Flussdichte und der feldparallelen Ströme signifikante saisonale und Längengrad-abhängige Muster auf, die wir auf saisonale Effekte in der ionosphärischen Leitfähigkeit zurückführen.

In der zweiten Phase unseres Projektes wollen wir das Verständnis der diesen Phänomenen zugrunde liegenden physikalischen Prozesse verbessern, indem wir (1) einen größeren Datensatz mit besserer Lokalzeit- und saisonaler Abdeckung analysieren und daher auch (2) Simulationen mit Physik-basierten Modellen durchführen. Außerdem werden wir Ergebnisse eines am äquatornahen Jicamarca-Observatorium neu installierten Radar-Betriebsmodus (medium incoherent scatter radar (ISR) long runs) mit Swarm-Beobachtungen vergleichen, um EPD-bezogene Abhängigkeiten der Plasmadrift mit den Beobachtungen zu korrelieren. Die ISR long runs geben ein großskaligeres Bild der Dynamik der EPDs und unterstützen damit die Auswertung der In-situ-Messungen von Swarm. Ein weiteres Ziel dieses Projektes ist es, die EPD-Strukturen zu untersuchen, die mit dem Ausfall von GPS-Navigationssignalen auf den Swarm-Satelliten einhergehen. Dazu werden wir eine Frequenzbereichs-Analyse der hochfrequenten Elektronendichte sowie des magnetischen Feldes von Swarm-Messungen durchführen und mit den GPS-Messungen vergleichen, um die Streuungsbedingungen zu identifizieren, die Szintillationen hervorrufen. Damit nutzen wir die Multi-Instrument-Eigenschaften der Swarm-Mission voll aus. Indem die oben genannten Fragestellungen nun mit Multi-Parameter-Datensets untersucht werden können, erwarten wir neue, grundlegende Erkenntnisse zu den elekromagnetischen Mechanismen in der oberen Atmosphäre. Gleichzeitig erwarten wir deutliche Fortschritte in der Beschreibung und Vorhersage von EPDs sowie daraus letzten Endes Erkenntnisse zur Auswirkung auf Radiowellen-basierte technologische Infrastrukturen wie GPS. Die genaue Kenntnis der EPDs ist auch für präzise Magnetfeldmodelle des Erdkerns und der Lithosphäre wichtig, da durch EPDs beeinflusste ionosphärische Stromsysteme systematische Fehler verursachen.