Ανάπτυξη και εξασθένηση μαγνητικών καταιγίδων στο γεωδιάστημα
Authors: Μεταλληνού Φιόρη-Αναστασία 
Published: August 2021

Οι μαγνητικές καταιγίδες και μαγνητοσφαιρικές υποκαταιγίδες αποτελούν μερικές από τις σημαντικότερες εκφάνσεις γεωμαγνητικής δραστηριότητας. Το θέμα της σχέσης μεταξύ των δύο φαινομένων εξακολουθεί να διχάζει την επιστημονική κοινότητα, η οποία δεν έχει καταλήξει ακόμα σε γενικώς αποδεκτά συμπεράσματα. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματευόμαστε το εν λόγω θέμα ακολουθώντας τις ακόλουθες προσεγγίσεις: Αρχικά προσεγγίζουμε το πρόβλημα μέσω της μελέτης των γεωμαγνητικών δεικτών, μέθοδος ευρέως χρησιμοποιούμενη για την ερμηνεία και περιγραφή των μαγνητοσφαιρικών διαταραχών. Οι γεωμαγνητικοί δείκτες SYM-H και AL αποτελούν μέτρο της έντασης των μαγνητικών καταιγίδων και μαγνητοσφαιρικών υποκαταιγίδων αντίστοιχα. Κατά την μελέτη αυτή επέλεξα περιόδους έντονης γεωμαγνητικής δραστηριότητας και χρησιμοποίησα τις χρονοσειρές των γεωμαγνητικών δεικτών που περιγράφουν τα δύο φαινόμενα, όπως παρέχονται από το Παγκόσμιο Κέντρο Γεωμαγνητικών Δεδομένων του Κυότο (World Data Center for Geomagnetism, Kyoto). Καταλήξαμε στο συμπέρασμα ότι η ενεργειακή πυκνότητα που αντιστοιχεί στις μαγνητικές καταιγίδες συσχετίζεται ισχυρά με την ενεργειακή πυκνότητα που αντιστοιχεί στις μαγνητοσφαιρικές υποκαταιγίδες που λαμβάνουν χώρα την ίδια χρονική περίοδο. Οι μαγνητοσφαιρικές υποκαταιγίδες επομένως διαθέτουν δυναμικό ικανό να επηρεάσει την εξέλιξη μιας μαγνητικής καταιγίδας. Έναν επιπλέον τρόπο προσέγγισης του εν λόγω προβλήματος αποτελεί η μελέτη της επιτάχυνσης και ενεργοποίησης φορτισμένων σωματιδίων εντός του γεωμαγνητικού πεδίου με τη χρήση κατάλληλων προτύπων. Βασικό χαρακτηριστικό των μαγνητοσφαιρικών υποκαταιγίδων αποτελεί η ενεργοποίηση και μεταφορά ιόντων από το φύλλο πλάσματος προς την εσωτερική μαγνητόσφαιρα. Δορυφόροι έχουν παρατηρήσει εγχύσεις φορτισμένων σωματιδίων στη διάρκεια υποκαταιγίδων. Έχει παρατηρηθεί ότι ένα από τα βασικά χαρακτηριστικά των μαγνητικών καταιγίδων, αποτελεί η ισχυροποίηση του δακτυλιοειδούς ρεύματος, καθώς φορτισμένα ιόντα συμβάλλουν στην ανάπτυξή του. Μελετάμε λοιπόν την ανάπτυξη του δακτυλιοειδούς ρεύματος ακολουθώντας τα εξής σενάρια διαταραχής στη μαγνητόσφαιρα: Στην πρώτη περίπτωση θέτουμε συνθήκες που ευνοούν την μεγάλης κλίμακας μεταφορά στη μαγνητόσφαιρα, κατάσταση που έχει παρατηρηθεί στη διάρκεια των μαγνητικών καταιγίδων. Ένας μεγάλος αριθμός ιόντων ξεκινά την πορεία του από το φύλλο πλάσματος διαγράφοντας διαφορετικές τροχιές, αναλόγως των αρχικών συνθηκών κάθε σωματιδίου. Κατά τη δεύτερη περίπτωση προσθέτουμε στην παραπάνω συνθήκη μια διαταραχή στην μαγνητόσφαιρα με τρόπο που να προσομοιάζει μια μαγνητοσφαιρική υποκαταιγίδα. Ακολουθούμε ξανά την ενεργοποίηση και μεταφορά του πληθυσμού των φορτισμένων σωματιδίων που και προηγουμένως ακολουθήσαμε. Σκοπός μας είναι η συγκριτική συμβολή του ανωτέρω πληθυσμού στην ενεργειακή πυκνότητα του δακτυλιοειδούς ρεύματος στις δύο περιπτώσεις. Συμπεραίνουμε ότι η δημιουργία υποκαταιγίδας στη μαγνητόσφαιρα δημιουργεί επαγόμενα ρεύματα που παίζουν βασικό ρόλο στην επιτάχυνση φορτισμένων σωματιδίων, αυξάνοντας την ενεργειακή πυκνότητα του δακτυλιοειδούς ρεύματος, σε τιμές που η μεγάλης κλίμακας μεταφορά από μόνη της δεν μπορεί να επιτύχει. Η εργασία έρχεται σε συμφωνία και με προηγούμενες εργασίες (Ganushkina et al. 2005, Fok et al., 2006) οι οποίες χρησιμοποίησαν διαφορετικά μοντέλα προσέγγισης του ιδίου προβλήματος. Ο κώδικας με τον οποίο ξεκίνησα να εργάζομαι στην διατριβή μου σε συνεργασία με τον D. Delcourt (Centre d’ Etude des Environnements Terrestre et Planétaires, Paris), ο οποίος και τον ανέπτυξε, υπολογίζει την τροχιά ενός φορτισμένου σωματιδίου υπό μεταβολή του γεωμαγνητικού πεδίου μεταξύ δύο καταστάσεων μαγνητοσφαιρικής διαταραχής. Αρχικά βελτιώσαμε τον κώδικα έτσι ώστε να προσομοιώνει μια μαγνητική υποκαταιγίδα. Στην συνέχεια τον εφαρμόσαμε σε σειριακή μορφή σε ένα πληθυσμό σωματιδίων της μαγνητόσφαιρας και όχι σε μεμονωμένα σωματίδια. Το πλήθος των σωματιδίων που κάθε φορά εξετάζαμε καθορίζονταν από το πλήθος των βημάτων που θέταμε στις αρχικές συνθήκες (όπως ενέργεια, συντεταγμένες). Στην διάρκεια επίσκεψης μου στο Edinburgh Parallel Computing Centre (στα πλαίσια του HPCEuropa Transnational Access programme) παραλληλοποίησα τον κώδικα, ώστε να εφαρμόζεται σε δίκτυο υπολογιστών. Κατόπιν, σε συνεργασία με την Ομάδα Υπολογιστικών Συστημάτων, Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών του ΕΜΠ, εφαρμόσαμε μεθόδους δρομολόγησης του κώδικα με σκοπό την επιλογή εκείνης που οδηγεί σε γρηγορότερα αποτελέσματα. Οι δε αρχικές τιμές των παραμέτρων που χαρακτηρίζουν κάθε ιόν, φρόντισα να παίρνουν τυχαίες τιμές, εντός ορισμένων διαστημάτων, τα οποία και καθορίζουν την περιοχή της μαγνητόσφαιρας από όπου τα ιόντα προέρχονται. Η τροποποίηση αυτή προσδίδει το πλεονέκτημα της πιο ρεαλιστικής περιγραφής του φυσικού φαινομένου. Σημαντική επίσης βελτίωση που αφορά στην πιο ρεαλιστική περιγραφή των μαγνητοσφαιρικών υποκαταιγίδων αποτελεί η εισαγωγή περιοδικών υποκαταιγίδων στον κώδικα, καθώς οι περισσότερες από τις υποκαταιγίδες που έχουν παρατηρηθεί εμφανίζονται περιοδικά (και όχι μεμονωμένες). Το μέρος αυτό της εργασίας πραγματοποιήθηκε σε συνεργασία με το Geospace Physics Laboratory, Heliophysics Science Division, NASA/Goddard Space Flight Center, στη διάρκεια εργασίας μου στο ινστιτούτο. Καταλήξαμε ότι η εισαγωγή διαδοχικών διαταραχών που προσομοιάζουν μαγνητοσφαιρικές υποκαταιγίδες με συγκεκριμένη περίοδο, ότι δρα στην πιο αποτελεσματική ενεργοποίηση των ιόντων στην εσώτερη μαγνητόσφαιρα. Η συνέργια επομένως και των δύο μηχανισμών (μεγάλης κλίμακας μεταφορά και επιτάχυνση λόγω των επαγόμενων πεδίων που αναπτύσσονται στη διάρκεια των υποκαταιγίδων) συμβάλλουν στην ανάπτυξη του δακτυλιοειδούς ρεύματος στην διάρκεια των μαγνητικών καταιγίδων, καθιστώντας το ρόλο των επαγόμενων πεδίων κρίσιμο στην διαδικασία αυτή.