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
Authors: Γεωργίου Μαρίνα 
Published: September 2021

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.