Dynamisch model van de plasmasfeer vergeleken met satellietwaarnemingen

Ruimtefysica
Het dynamisch 3D-model van de plasmasfeer ontwikkeld door het BIRA staat nu ter beschikking op de SSA (Space Situational Awareness)-website van ESA. Vergelijkingen met CLUSTER-, CRRES- en THEMIS-waarnemingen bevestigen dat de plasmapauze (de buitengrens van de plasmasfeer) zich aan de nachtzijde vormt tijdens geomagnetische stormen, wat de veronderstellingen van het model rechtvaardigt. Een statistische studie van de geobserveerde positie van de plasmapauze als functie van de Magnetic Local Time-sector bevestigt de uitstekende overeenkomst met modelresultaten. MAGION-5 satellietgegevens worden gebruikt om de dikte van de plasmapauze te bepalen.

Het plasmasfeermodel

Het 3-dimensionale model van de plasmasfeer gekoppeld aan de ionosfeer dat ontwikkeld is door Pierrard en Voiculescu (2011) bij het BIRA is nu beschikbaar op de SSA-website (ruimtestraling, SPM-model). Het toont in reëele tijd of voor een gekozen datum:

  • het equatoriale en meridiaanzicht van de aantalsdichtheid
  • de temperaturen van de deeltjes in de plasmasfeer
  • de positie van de plasmapauze, .

De resultaten werden vergeleken met verschillende satellietobservaties om de fysieke processen die in het model geïntegreerd zijn te valideren, en in het bijzonder het quasi-uitwisseling-instabiliteitsmechanisme van de plasmapauzevorming.

Satellietobservaties

Naast Cluster- en CRRES-satellietgegevens hebben we THEMIS-plasmapauzeobservaties geanalyseerd (6840 metingen van 2008-2012) om hun relatie met indexcijfers voor zonnewind- en geomagnetische activiteit te bepalen. We hebben aangetoond dat de tijdsvertraging (in uren) van plasmapauzevorming een functie is van de MLT-sector en een regelmatige toename vertoont, wat bewijst dat de plasmapauze gegenereerd wordt in de periode net na middernacht en vervolgens wordt overgedragen aan een andere MLT-sector via co-rotatie (Bandic et al., 2017).

Dit werkt voor alle geomagnetische activiteitsindexcijfers zoals AE (Auroral Electrojet) of Dst (Disturbed Storm Time), en voor zonnewindparameters zoals snelheid van de zonnewind V of de intensiteit van het interplanetair magnetisch veld Bs.

MAGION-5 satellietobservaties werden ook gebruikt om de breedte van de plasmasfeer-grenslaag te bestuderen en diens vormingsmechanisme te testen.

Ten laatse werd het model ook gebruikt om de effecten van de zonsverduistering van 20 maart 2015 en daaropvolgende geomagnetische storm te bestuderen (Stankov et al., 2017).

Referenties

  • Bandić, M., Verbanac, G., Pierrard, V., Cho, J. (2017). Evidence of MLT propagation of the plasmapause inferred from THEMIS data. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 161, 55–63. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2017.05.005
  • Kotova, G., Verigin, M., Lemaire, J., Pierrard, V., Bezrukikh, V., Smilauer, J. (2018). Experimental Study of the Plasmasphere Boundary Layer Using MAGION 5 Data. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 123(2), 1251–1259. https://doi.org/10.1002/2017JA024590
  • Stankov, S.M., Bergeot, N., Berghmans, D., Bolsée, D., Bruyninx, C., Chevalier, J.-M., Clette, F., De Backer, H., De Keyser, J., D’Huys, E., Dominique, M., Lemaire, J.F., Magdalenić, J., Marqué, C., Pereira, N., Pierrard, V., Sapundjiev, D., Seaton, D.B., Stegen, K., Van der Linden, R., Verhulst, T.G.W., West, M.J. (2017). Multi-instrument observations of the solar eclipse on 20 March 2015 and its effects on the ionosphere over Belgium and Europe. Journal of Space Weather and Space Climate, 7, A19. https://doi.org/10.1051/swsc/2017017  Open Access
  • Verbanac, G., Bandić, M., Pierrard, V., Cho, J. (2018). MLT Plasmapause Characteristics: Comparison Between THEMIS Observations and Numerical Simulations. Journal of Geophysical Research: Space Physics. https://doi.org/10.1002/2017JA024573
Tijdsvertraging (in uren) van de plasmapauzevorming
Figuur 2: Tijdsvertraging (in uren) van de plasmapauzevorming als functie van de MLT-sector voor THEMIS plasmapauzeobservaties. (Credit: Bandic et al., 2017)
Voorbeelden van koude plasma-dichtheidsverdelingen
Figuur 3: Voorbeelden van koude plasma-dichtheidsverdelingen langs de baan van MAGION 5 als een functie van McIlwain parameter L in stralen van de Aarde.Zwarte lijnen in c en d tonen de exponentiële relatie N(L)= NPP.exp((LPP-L)/WB). Pijlen geven de positievan de plasmapauze (Credit: Kotova et al., 2018).
Driedimensionaal model van de plasmasfeer ontwikkeld door het BIRA.
Figuur 4: Driedimensionaal model van de plasmasfeer ontwikkeld door het BIRA.