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The radiation belts and ring current are regions of trapped charged particles around Earth, impacting satellite functionality, communication systems, and posing risks to spacecraft and astronauts due to increased radiation levels. The Earth's ring current is a system of charged particles, drifting around the Earth in the equatorial plane: electrons drift eastwards, while ions drift westwards. Being a part of the inner magnetosphere, it is affected by geomagnetic storm injections. The flow of particles can alter the magnetic field and produce charging on the surface of spacecrafts. Therefore, study and prediction of geomagnetically active periods is of high importance for both industrial and scientific community.
The dynamics of the ring current electrons is guided by diffusion and convection processes. The major importance in the mechanism of particles precipitation stems from the local loss responsible for scattering of particles into the atmosphere. The magnetospheric waves interact with particles differently, causing precipitation of particles within a certain range of energies and at the specific locations. Precipitated electrons can significantly impact the atmosphere by causing ionization in the upper mesosphere and thermosphere, leading to ozone depletion and influencing temperature and wind patterns. This process can also enhance auroral activity and affect communication systems by altering the ionospheric properties. In this dissertation, the mechanism of precipitation from the ring current and assess its effect on the upper atmosphere is studied in details by means of the numerical modeling.
The upper mesosphere and the lower thermosphere are regions that are mostly affected by the energetic particles’ precipitation. Energetic electrons can penetrate deep to the upper mesosphere and lower thermosphere above 70 km, causing ionization of molecules with a following ozone depletion. The process is potentially able to cause variations in temperatures and wind fields. Accordingly, geomagnetic parameters are an essential part of the atmospheric climate models and it is important to treat electron fluxes as a driver of the near-Earth processes in the analysis. In this study, a two-system modeling approach is used to connect the magnetosphere and the upper atmosphere systems.
In the numerical modeling part of this study, the four-dimensional Versatile Electron Radiation Belt (VERB-4D) code is applied to model the particle precipitation from the magnetosphere during several geomagnetic storms. An up-to-date version of the diffusion coefficients is utilized to account for the loss process, and investigation of which type of waves is mostly responsible for the electron scattering. The sensitivity tests are conducted to evaluate the parameters for a better model performance. Modeling results for the 17th March, 2013 storm are validated against observations made by an equatorial satellite Van Allen Probes and low-Earth orbiting meteorological satellite POES. The precipitating flux is calculated and projected onto the Earth's surface to see the dynamics of the precipitated electrons in time. Then ionization rates are calculated using a common approach to quantitatively assess the effect of particles with energies from 10 keV to 1 MeV on the inner atmospheric layers up to 100 km. Atmospheric ionization rates are validated against two datasets of the meteorological satellites observations. The outcomes provided significant estimates for the contribution of the ring current electrons to auroral precipitation.
The parameters that affect electron precipitation and are important for ring current modeling were checked through sensitivity tests, such as wave-particle interaction models, magnetic field configuration, geomagnetic activity, and their dependence on the electron energy of precipitated particles. The results of this study proved the code validity for the radiation belts modeling and for the ring current energies and demonstrated which parameters affect the process of precipitation. The approach allows to connect magnetosphere and atmosphere space domains and study the influence of geomagnetic storms of different types more closely. Produced datasets could be further used in the chemistry-climate modeling. And beyond that, knowledge gained about the mechanism of particle precipitation will also enable us to describe the temporal variation of magnetospheric electron precipitation better, and thus provide better parameterizations of electron precipitation for chemistry-climate models in the future.
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Die Strahlungsgürtel und der Ringstrom sind Regionen, in denen geladene Teilchen um die Erde herum eingeschlossen sind. Sie beeinträchtigen die Funktionsfähigkeit von Satelliten und Kommunikationssystemen und stellen aufgrund erhöhter Strahlungswerte eine Gefahr für Raumfahrzeuge und Astronauten dar. Der Ringstrom der Erde ist ein System geladener Teilchen, das in der Äquatorebene im Uhrzeigersinn um die Erde driftet. Als Teil der inneren Magnetosphäre wird er von geomagnetischen Sturminjektionen beeinflusst. Der Teilchenstrom kann nicht nur Weltraum- und bodengestützte Systeme stören, sondern auch Polarlicht auslösen. Daher ist die Untersuchung und Vorhersage geomagnetisch aktiver Perioden sowohl für die Industrie als auch für die Wissenschaft von großer Bedeutung.
Die Dynamik der Ringstromelektronen wird durch Diffusions- und Konvektionsprozesse gesteuert. Die größte Bedeutung für den Mechanismus der Partikelniederschläge ergibt sich aus der lokalen Beschleunigung und dem Verlust, der für die Streuung der Partikel verantwortlich ist. Die Wellen der Magnetosphäre interagieren auf unterschiedliche Weise mit den Teilchen, was zu einer Ausscheidung von Teilchen innerhalb eines bestimmten Energiebereichs und an bestimmten Orten führt. In dieser Dissertation wird der Mechanismus des Niederschlags durch den Ringstrom und seine Auswirkungen auf die obere Atmosphäre mit Hilfe der numerischen Modellierung im Detail untersucht.
Die obere Mesosphäre und die untere Thermosphäre sind die Regionen, die am stärksten vom Niederschlag der energetischen Teilchen betroffen sind. Energetische Elektronen können tief in die obere Mesosphäre und die untere Thermosphäre oberhalb von 70 km eindringen und eine Ionisierung von Molekülen mit anschließendem Ozonabbau verursachen. Dieser Prozess kann potenziell zu Schwankungen der Temperaturen und Windfelder führen. Dementsprechend sind geomagnetische Parameter ein wesentlicher Bestandteil der atmosphärischen Klimamodelle, und es ist wichtig, Elektronenflüsse als Treiber der erdnahen Prozesse in der Analyse zu behandeln. In dieser Studie wird ein Zwei-System-Modellierungsansatz verwendet, um die Systeme der Magnetosphäre und der oberen Atmosphäre zu verbinden.
Im numerischen Modellierungsteil dieser Studie wird der vierdimensionale Versatile Electron Radiation Belt (VERB-4D) Code verwendet, um die Teilchenbewegung in der Magnetosphäre während mehrerer geomagnetischer Stürme zu modellieren. Eine aktuelle Version der Diffusionskoeffizienten wird verwendet, um den Verlustprozess zu berücksichtigen und zu untersuchen, welche Art von Wellen am meisten für die Elektronenstreuung verantwortlich ist. Die Empfindlichkeitstests werden durchgeführt, um die Parameter für eine bessere Modellleistung zu bewerten. Die Ergebnisse der Modellierung des Sturms vom 17. März 2013 werden anhand von Beobachtungen des äquatorialen Satelliten Van Allen Probes und des erdnahen meteorologischen Satelliten POES validiert. Der in die Atmosphäre gerichtete Fluss wird berechnet und auf die Erdoberfläche projiziert, um die Dynamik der niedergeschlagenen Elektronen in der Zeit zu sehen. Anschließend werden die Ionisierungsraten nach einem gemeinsamen Ansatz berechnet, um die Auswirkungen von Teilchen mit Energien von 10 keV bis 1 MeV auf die inneren Atmosphärenschichten bis zu 100 km quantitativ zu bewerten. Die atmosphärischen Ionisierungsraten werden anhand von zwei Datensätzen der meteorologischen Satellitenbeobachtungen validiert. Die Ergebnisse lieferten aussagekräftige Schätzungen ür den Beitrag der Ringstromelektronen zum gesamten in die Atmosphäre gerichteten Elektronen-Niederschlag.
Die Ergebnisse dieser Studie belegen die Gültigkeit des Codes nicht nur für die Modellierung der Strahlungsgürtel, sondern auch für die Ringstromenergien und zeigen, welche Parameter den Niederschlagsprozess beeinflussen. Der Ansatz ermöglicht es, die Raumdomänen Magnetosphäre und Atmosphäre zu verbinden und den Einfluss geomagnetischer Stürme verschiedener Typen genauer zu untersuchen. Die gewonnenen Datensätze könnten in der Chemie-Klima-Modellierung weiter verwendet werden. Darüber hinaus werden uns die gewonnenen Erkenntnisse über den Mechanismus der Partikelniederschlagung auch ermöglichen, die zeitliche Variation der magnetosphärischen Elektronenniederschlagung besser zu beschreiben und so in Zukunft bessere Parametrisierungen der Elektronenniederschlagung für Chemie-Klima-Modelle bereitzustellen.
