Forcing the TIE-GCM model with Birkeland currents from the AMPERE mission

Abstract

Donat que la nostra societat és cada cop més dependent de la tecnologia, i perquè la tecnologia és vulnerable als processos de l’alta atmosfera que tenen el seu origen en el Sol, la nostra mirada es dirigeix progressivament vers la comprensió dels mecanismes concrets que possibiliten la connexió Sol - Terra, tractant-se avui dia d’una disciplina on la recerca va clarament en augment. L’acoblament de l’alta atmosfera amb la magnetosfera és, doncs, important per tal d’entendre processos que afecten el nostre planeta a escala global. Aquesta darrera baula en la complexa cadena d’esdeveniments que comencen en la nostra estrella té com a principal destinatària la ionosfera d’altes latituds, on es dipositen quantitats considerables d’energia i moment del vent solar. El camp magnètic terrestre juga un paper clau en aquesta interacció, on els corrents elèctrics que circulen al llarg de les línies de camp magnètic, altament conductores, es poden assimilar als cables d’un circuit que es tanca a través de la càrrega elèctrica (en terminologia de circuits) que constitueix la ionosfera d’altes latituds. La missió satel•litària Active Magnetosphere and Planetary Electrodynamics Response Experiment (AMPERE) ha proporcionat, per primera vegada, instantànies dels corrents alineats al camp amb una resolució espaial i temporal sense precedents, oferint així una oportunitat per alimentar un reconegut model físic de l’alta atmosfera de la Terra com el National Center for Atmospheric Research Thermosphere-Ionosphere-Electrodynamics General Circulation Model (NCAR TIE-GCM). En un primer pas, hem utilitzat les dades d’AMPERE en l’equació de continuïtat del corrent entre la magnetosfera i la ionosfera per tal de forçar l’electrodinàmica del TIE-GCM, i hem validat els resultats tot comparant l’output corresponent a les variacions magnètiques en superfície amb dades geomagnètiques d’observatoris a diferents latituds i per a diferents condicions geofísiques. En una segona fase, hem introduït conductivitats ionosfèriques compatibles amb sectors de corrents alineats ascendents elevats, corresponents a electrons que es desplomen com a resultat d’una acceleració descendent deguda a camps elèctrics paral•lels que s’acumulen al llarg de les línies de camp magnètic, tot fent ús de diferents models per a validar les nostres conductàncies de sortida. Els resultats mostren una millora general de la capacitat del model per explicar les variacions magnètiques observades, tot i que amb una major contribució arran de la nostra primera aproximació. Les distribucions de conductància obtingudes, d’altra banda, són prou consistents amb models independents que han intentat quantificar l’efecte ionitzant de partícules que precipiten sobre la ionosfera auroral. En conclusió, hem fet una contribució modesta, però tanmateix constructiva, a la modelització de l’alta atmosfera i la seva connexió amb l’entorn espacial; principalment perquè tenim entre mans un model físic, que en últim terme ha de servir per avaluar el nostre coneixement de la realitat, més que no pas per proveir un resultat purament funcional.

Dado que nuestra sociedad es cada vez más dependiente de la tecnología, y porque la tecnología es vulnerable a los procesos de la alta atmósfera que tienen su origen en el Sol, nuestra mirada se dirige progresivamente hacia la comprensión de los mecanismos precisos que posibilitan la conexión Sol - Tierra, tratándose hoy en día de una disciplina en claro avance en cuanto a investigación. El acoplamiento de la alta atmósfera con la magnetosfera es, pues, importante para la comprensión de procesos que afectan a nuestro planeta a escala global. Este último eslabón en la compleja cadena de sucesos que comienzan en nuestra estrella tiene como principal destinatario la ionosfera de altas latitudes, donde se depositan cantidades considerables de energía y momento del viento solar. El campo magnético terrestre juega un papel clave en esta interacción, donde las corrientes eléctricas que circulan a lo largo de las líneas de campo magnético, altamente conductoras, pueden asimilarse a los cables de un circuito que se cierra a través de la carga eléctrica (en terminología de circuitos) que constituye la ionosfera de altas latitudes. La misión satelital Active Magnetosphere and Planetary Electrodynamics Response Experiment (AMPERE) ha proporcionado, por vez primera, instantáneas de las corrientes alineadas al campo con una resolución espacial y temporal sin precedentes, ofreciendo así una oportunidad para alimentar un reconocido modelo físico de la alta atmósfera de la Tierra como el National Center for Atmospheric Research Thermosphere-Ionosphere-Electrodynamics General Circulation Model (NCAR TIE-GCM). En un primer paso, hemos utilizado los datos de AMPERE en la ecuación de continuidad de corriente entre la magnetosfera y la ionosfera a fin de forzar la electrodinámica del TIE-GCM, validando los resultados a través de la comparación del output correspondiente a las variaciones magnéticas en superficie con datos geomagnéticos de observatorios a distintas latitudes y para diferentes condiciones geofísicas. En una segunda fase, hemos introducido conductividades ionosféricas compatibles con sectores de corrientes alineadas ascendentes elevadas, correspondientes a electrones que se desploman como resultado de una aceleración descendiente debida a campos eléctricos paralelos que se acumulan a lo largo de las líneas de campo magnético, haciendo uso de diferentes modelos para validar nuestras conductancias de salida. Los resultados muestran una mejora general de la capacidad del modelo para explicar las variaciones magnéticas observadas, aunque con una mayor contribución a raíz de nuestra primera aproximación. Las distribuciones de conductancia obtenidas, por otro lado, son razonablemente consistentes con modelos independientes que han intentado cuantificar el efecto ionizante de partículas que precipitan sobre la ionosfera auroral. En conclusión, hemos contribuido modesta, aunque constructivamente, a la modelización de la alta atmósfera y a su conexión con el entorno espacial; principalmente porque estamos tratando con un modelo físico, que en último término debe servir para evaluar nuestro conocimiento de la realidad, antes que proveer un resultado puramente funcional.

Because our society is ever more dependent on technology, and because technology is vulnerable to upper atmospheric processes having their origin in the Sun, our gaze is progressively turning towards the understanding of the exact mechanisms that enable the Sun-Earth connection, being today a matter of increasingly intensive research. Coupling of the upper atmosphere system with the magnetosphere is thus important for understanding processes that affect our planet in a global scale. This last link in the complex chain of events starting in our star has the high-latitude ionosphere as a main target, where considerable amounts of solar wind energy and momentum are deposited. The magnetic field of the Earth plays a key role in this interaction, with electric currents flowing along the highly conducting geomagnetic field lines that can be thought of as the wires in a circuit that is closed by the electrical load of the high-latitude ionosphere. The Active Magnetosphere and Planetary Electrodynamics Response Experiment (AMPERE) satellite mission has offered for the first time snapshots of the geomagnetic field-aligned currents with unprecedented space and time resolution, thus providing an opportunity to feed an acknowledged first-principles model of the Earth’s upper atmosphere such as the National Center for Atmospheric Research Thermosphere-Ionosphere-Electrodynamics General Circulation Model (NCAR TIE-GCM). In a first step, we have made use of AMPERE data in the current continuity equation between the magnetosphere and the ionosphere to drive the TIE-GCM electrodynamics, and we have validated our results by comparing the output ground magnetic variations with geomagnetic observatory data at different latitudes and for different geophysical conditions. In a second stage, we have made ionospheric conductivities consistent with enhanced upward field-aligned current sectors corresponding to electrons plunging as a result of downward acceleration by parallel electric fields built up along the magnetic field lines, whereby we have used different models to validate our output conductances. Results show an overall improvement of the model ability to explain the observed magnetic variations, though with a greater contribution coming from our first approach. Our conductance distribution, on the other hand, is reasonably commensurate with independent models that have tried to quantify the ionizing effect of precipitating particles onto the auroral ionosphere. In conclusion, we have made a modest but constructive contribution to the modeling of the upper atmosphere and its connection with the space environment; especially because we are dealing with a physical model, which is ultimately meant to assess our knowledge of reality, rather than providing a purely functional result.