Upload
others
View
0
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Recent Auroral ResearchA little something for everyone
Bjorn Gustavsson,
Department of Physics, University of Tromsø
Recent Auroral Research – p. 1/15
Flickering aurora
Recent Auroral Research – p. 2/15
Under 2008 har vi slutfort ett par studier om sa kallat flick-
ering aurora, som ar intensitetsvariationer snabbare an 5 Hz. I
den ena delrapporten [1] sa lyckades vi visa att sadana roterande
och virvlande monster som vi observerat, direkt foljer fran en av
de tva foreslagna teorierna (En modell (“Temerin-Sakanoi”) dar
intensitetsvariationerna orsakas av interfererande Alfvenvagor),
medans den andra teorin, som forklarar modulationen med en
tidsvarierande accelerationspotential, inte kan astadkomma nagra
liknande forutsagelser. Detta tar vi som en falsifikation av ac-
celerationspotentialteorin, atminstonne tills nagon kan visa att
den teorin ocksa medfor liknande virvelstrukturer. I den an-
dra delrapporten [2] sa anvande vi variationerna i ljusintensitet
till att synkronisera data fran EISCAT Svalbard Radar. Genom
att integrera radarpulser som mottas i samma fas av den op-
tiska intensitetsvariationen kan man na en tidsupplosning pa
10-20 ms med radar. Detta gjorde det mojligt att undersoka
hur jonosfaren paverkas av sa snabba variationer (≈ 0.01 s)i elektronnederbord. Det har tidigare inte gjorts for snabbare
variationer an ca 1 s.
2-1
Black Aurora
DA
SI@
EIS
CA
T T
19:54:17
0 20 40
105
e flu
x (c
m−
2 s−
1 eV
−1 )
105
80
100
120
140
160
altit
ude
(km
)
20:01:30
106
0 20 40
20:24:19
106
ne (cm−3)
0 20 40 energy (keV)
21:24:19
106
0 20 40
21:28:56
106
0 20 40
21:42:30
106
0 20 40
Recent Auroral Research – p. 3/15
Under aret har vi ocksa slutfort en studie [3] om “svart
norrsken”, dvs smala morkare strukturer i diffust norrsken, som
ofta upptrader efter kraftiga magnetosfariska stormar. I ett in-
ternationellt samarbetsprojekt mellan Norge, Sverige och Storbri-
tannien, lyckades vi kombinera matningar, med radar (EISCAT),
video (Odin (N), DASI (Uk)), och spektrala optiska matningar
(ALIS (S)) sa lyckades vi visa att den “traditionella” teorin, som
havdar att de morkare omradena orsakas av nedatriktade E-
falt ovanfor jonosfaren som hindrar elektroner fran att tranga
ner och excitera norrsken, inte stammer for det stabila svarta
norrskenet vi observerade. Under Februari-Mars 2009 sa deltar
vi i en kombinerad raket/radar/optisk kampanj kring Poker Flat,
Alaska for att studera skillnader mellan olika typer av svart
norrsken.
3-1
Black Aurora21:33:28
4278
50
100
150
200
250
21:33:32
8446
50
100
150
200
250
21:33:36
4278
50 100 150 200 250
50
100
150
200
250
50 100 150 200 2500
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
Ray
leig
hs50 100 150 200 250
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
Ray
leig
hs
50 100 150 200 2500
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
Ray
leig
hs
Recent Auroral Research – p. 4/15
Heating experiment
Genom att sanda ut radiostralar med hog effekt ar det mojligt att
utfora repeterbara och kontrollerade experiment pa norrsken-
sjonosfaren. Det har lett till en allt mer detaljerad fenomenologi
over vilka signaturer som jonosfaren ger ifran sig nar man sander
ut olika typer av radiopulser och under vilka omstandigheter.
Den teoretiska forstaelsen for vad som hander har ocksa tagit
stora steg framat. Men en karnfarga aterstar: Hur accelereras
elektronerna till energier hoga nog for att jonisera atomer och
molekyler i termosfaren.
Under de senaste aren har en serie experiment utforts i
Tromsø vid EISCAT, och i Alaska vid HIPAS och HAARP.
EISCAT, HAARP och HIPAS ar forskningsanlaggningar med
radiosandare med hog effekt som kan anvandas for att sanda
radiostralar med frekvens fran 2.6 till 8 MHz for jonosfarsexperiment
4-1
Heating Experiment
9
9.5
10
10.5
11
11.5
12
1800 1810 1820 1830 1840 1850 1900 1910 1920 1930 1940100
200
300
400
500
log10
electron concentration (m−3)al
titud
e (k
m)
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
1800 1810 1820 1830 1840 1850 1900 1910 1920 1930 1940100
200
300
400
500electron temperature (K)
altit
ude
(km
)
Time (UT)
Recent Auroral Research – p. 5/15
Heating experiment
Under aret har vi lyckats ta ett ordentligt steg framat genom att
gora de basta uppskattningarna [4] hittills av hur radiovagorna
accelererar jonosfarselektronerna i omradet runt reflektionshojden.
Det gjordes genom att kombinera matningar av elektrontathet
och temperatur gjorda med EISCAT UHF radar och optiska
matningar av konstgjort norrsken i fyra norrskensemissioner i
en avancerad modell som tar hansyn till elektronacceleration
och transport.
5-1
Heating Experiment
1800 1810 1820 1830 1840 1850 1900 1910 1920 19300
10
20
30
40
50
60
70
Time (UT)
Col
umn
emis
sion
rat
es (
R)
Steady state enhancements
4278
5577
6300
8446
Recent Auroral Research – p. 6/15
Dessa resultat ger uppskattningar av det radio-pumpaccelererade
elektronspektrat. Schematiskt kan electronspectrat beskrivas
som termiskt upp till 2 eV (Te 3500 vilket motsvarar en ter-
misk energi pa 0.35 eV) fran 2 till ca 3-4 eV ar electronflodet
reducerat, framforallt pa grund av energiforluster i kollisioner
med N2, och fran 4 eV ar det en accelererad svans upp till mer
an 100 eV.
6-1
Heating Experiment
200
250
300
350
18:04
flux (/eVm
2s)
6
8
10
12
14
200
250
300
350
18:16
flux (/eVm
2s)
6
8
10
12
14
200
250
300
350
altit
ude
(km
)
18:28
flux (/eVm
2s)
6
8
10
12
14
200
250
300
350
18:40flux (/eV
m2s)
6
8
10
12
14
101
102
200
250
300
350
Energy (eV)
19:10
flux (/eVm
2s)
6
8
10
12
14
1010
1015
1010
1015
1010
1015
1010
1015
101
102
1010
1015
Energy (eV)
Recent Auroral Research – p. 7/15
Dessa uppskattningar kan anvandas till att rakna ut inten-
sitetsforhallanden mellan olika emissioner, och deras hojdfordelning.
De forutsagelser av hojdvariationen konstgjort norrsken vi kun-
nat test (6300 och 5577 A), visade sig stamma rimligt bra med
observationer som vi gjort under en experimentkampanj un-
der Mars 2007 vid HIPAS, Alaska [5]. Dar gjorde vi optiska
matningar av konstgjort norrsken fran tva stationer, vilket gjorde
det mojligt att bestamma det konstgjorda norrskenets hojdvariation
i de tva ljusstarkaste emissionerna (gront vid 5577 A och rott
vid 6300 A).
7-1
Heating Experiment
Volum
e emission rate (m
−3s
−1)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
x 105
Volum
e emission rate (m
−3s
−1)
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
x 106
200
250
300RIOE at 5577 A
x = −21.005:33;
RIOE at 6300 A
x = −24.0
200
250
300
x = −24.005:39;A
ltitu
de (
km)
x = −18.0
200
250
300
x = −21.005:45; x = −21.0
−100 −50 0 50
200
250
300
x = −18.005:51;
−100 −50 0 50
x = −15.0
North of HIPAS (km)
Recent Auroral Research – p. 8/15
Heating Experiment
0 1 2 3
x 106
160
170
180
190
200
210
220
230
240
250
260
270A
ltitu
de (
km)
Pulse 05:32−05:34
Volume emission rate (m−3s−1)
0 1 2 3
x 106
Pulse 05:44−05:46
Recent Auroral Research – p. 9/15
Vi har ocksa lyckats visa att elektronaccelerationen vari-
era beroende pa om den utsanda radiofrekvensen ar under, pa
eller just over en dubbelresonans, dar pumpfrekvensen ar iden-
tisk med bade en multipel av elektrongyrofrekvensen och ovre
hybridfrekvensen pa samma hojd. Det vi sag var att emission-
erna fran atomart oxygen med forhallandevis laga excitation-
strosklar var ungefar lika starka over och under, medans emis-
sionen fran N+
2 med hogre excitationstroskel bara var tydlig
nar pumpfrekvensen var just over dubbelresonansfrekvenser
[6].
9-1
Heating Experiment
Recent Auroral Research – p. 10/15
Dessutom har vi deltagit i en serie experiment vid HAARP,
Alaska. De mest framtradande resultaten fran de experimenten
ar: observationer av jonosfarens respons pa en radiostrale med
spinn [7], observationer som visar att plasmaturbulens som
drivs av radiovagor med cirkularpolarisation (vanster) kan un-
dertryckas av hogerpolariserade radiovagor [8].
10-1
Heating Experiment
0405 0408 0410 0413 0415 0418 0420−10
0
10
20
30
40
50
60
70
time (UT)
I 6300
(co
unts
)
Photometer measurement of I6300
enhancements
I6300
X+OO
Recent Auroral Research – p. 11/15
Heating Experiment
0405 0408 0410 0413 0415 0418 0420−10
0
10
20
30
40
50
60
70
time (UT)
I 6300
(co
unts
)
Photometer measurement of I6300
enhancements
I6300
X+OO
04:14:45
HA
AR
P04
3
04:15:00 04:15:15 04:15:30 04:15:45 04:16:00 04:16:15 04:16:30 04:16:45 04:17:00 04:17:15 04:17:30 04:17:45 04:18:00
−0.04
−0.02
0
0.02
0.04
0.06
0415 0416 0417 0418 04190
50
100
Time (UT)
Inte
nsity
(co
unts
) Total enhanced red line intensity
Recent Auroral Research – p. 12/15
Heating Experiment
100
150
200
250
300
350
400
log10
electron density
(/m3)
108
109
1010
1011
100
150
200
250
300
350
400
Alti
tude
(km
)
Electron temperature
(K)
500
1000
1500
2000
2500
3000
1300 1315 1330 1345 1400 1415 1430 1445 1500100
150
200
250
300
350
400Ion temperature
Time (UT)
(K)
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
Recent Auroral Research – p. 13/15
Dessutom har ett antal experiment med EISCAT Heating
genomforts som visar att reflektion av radiovagorna inte kravs
for att elektrontemperaturen tillfalligt ska kunna hojas med 700-
800 grader over bakgrundstemperaturen. Enligt vara preliminara
berakningar sa Detta kommer att utnyttjas for att undersoka
hur energi overfors fran jonosfarens elektroner till atomer och
molekyler i den yttersta atmosfaren.
13-1
Heating Experiment
1300 1315 1330 1345 1400 1415 1430 1445 1500
3
4
5
6
7
8
fO
F2 and pump frequencyF
requ
ency
(M
Hz) O
O
O
1300 1315 1330 1345 1400 1415 1430 1445 15000
1
2
3
4
5
Time (UT)
∆Fre
quen
cy (
MH
z)
Frequency difference
Recent Auroral Research – p. 14/15
Heating Experiment
200
250
300
Observed Te (K)
altit
ude
(km
)K
500
1000
1500
2000
2500
3000
150
200
250
300
altit
ude
(km
)
Modeled Te (K)
O O O
5.423 6.2 6.77 6.96 7.17.953
K
500
1000
1500
2000
2500
3000
1300 1315 1330 1345 1400 1415 1430 1445 15001500
2000
2500
3000
time (UT)
Tem
pera
ture
(K
)
Te at 230 km
O O O
Recent Auroral Research – p. 15/15
Publications
[1] Gustavsson, B., J. Lunde, and E. M. Blixt, Optical observations
of flickering aurora and its spatio-temporal characteristics, J.
Geophys. Res., 113, December, 2008,
doi:10.1029/2008JA013515,
http://www.agu.org/pubs/crossref/2008/2008JA013515.shtml.
[2] Grydeland, T., B. Gustavsson, L. Baddeley, J. Lunde, and E. M.
Blixt, Conditional integration of incoherent scattering in relation
to flickering aurora, J. Geophys. Res., 113, A08,305, 2008,
doi:10.1029/2008JA013039,
http://www.agu.org/pubs/crossref/2008/2008JA013039.shtml.
[3] Gustavsson, B., M. J. Kosch, A. Senior, A. J. Kavanagh, B. U. E.
Brandstrom, and E. M. Blixt, Combined EISCAT radar and op-
tical multispectral and tomographic observations of black au-
rora, Journal of Geophysical Research (Space Physics), 113,
A06,308, 2008,
doi:10.1029/2007JA012999,
http://www.agu.org/pubs/crossref/2008/2007JA012999.shtml.
[4] Gustavsson, B., and B. Eliasson, Hf radio wave acceleration of
ionospheric electrons: Analysis of hf-induced optical enhance-
ments, J. Geophys. Res., 113, 2008,
doi:10.1029/2007JA012913,
http://www.agu.org/pubs/crossref/2008/2007JA012913.shtml.
15-1
[5] Gustavsson, B., M. Kosch, A. Wong, T. Pedersen, C. Heinsel-
man, C. Mutiso, B. Bristow, J. Hughes, and W. Wang, First esti-
mates of volume distribution of hf-pump enhanced emissions at
6300 and 5577 A: a comparison between observations and the-
ory, Annales Geophysicae, 26, 3999–4012, ISSN 0992-7689,
2008,
doi:10.1029/2008GL034563,
http://www.ann-geophys.net/26/3999/2008/angeo-26-3999-2008.html.
[6] Gustavsson, B., T. B. Leyser, M. Kosch, M. T. Rietveld, A.
Steen, B. U. E. Brandstrom, T. Aso, Electron Gyroharmonic Ef-
fects in Ionization and Electron Acceleration during High-Frequency
Pumping in the Ionosphere, Phys. Rev. Lett., 97 , 195002, 2006,
http://link.aps.org/abstract/PRL/v97/e195002.
[7] Leyser, T. B., L. Norin, M. McCarrick, T. R. Pedersen, and
B. Gustavsson, Radio pumping of ionospheric plasma with or-
bital angular momentum, Phys. Rev. Lett., 102, 065,004, 2009,
http://link.aps.org/abstract/PRL/v102/e065004.
[8] Gustavsson, B., R. Newsome, T. B. Leyser, M. Kosch, L. Norin,
M. McCarrick, T. Pedersen, B. J. Watkins, First Observations of
X-mode Suppression of O-mode HF Enhancements at 6300 A,
Inskickad till Geoph. Res. Lett .
15-2