Simulations of spacecraft measurements for the study of joule/ohmic heating and energetic particle precipitation in the upper atmosphere
Authors: Πυρνάρης Παναγιώτης 
Published: September 2024

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.