Lokalzeitliche Veränderungen elektromagnetischer Eigenschaften von äquatorialen Plasmastrukturen

• Antragstellerin: Professorin Dr. Claudia Stolle
• Fachliche Zuordnung: Physik des Erdkörpers ; Physik und Chemie der Atmosphäre
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 273589349

Neue In-situ-Beobachtungen durch die Swarm-Satelliten zeigen faszinierende ionosphärische Plasmadichtestrukturen und deren elektromagnetische Eigenschaften. Diese treten bei den sich nach Sonnenuntergang in der F-Region der Ionosphäre (200 bis 1500 km) entwickelnden, äquatorialen Plasmaverarmung (EDP, von Englisch: equatorial plasma depletion) auf.In der ersten Phase unseres Projektes haben wir mit den Swarm-Satelliten-Beobachtungen Eigenschaften der EPDs entdeckt, die so nicht von physikalischen Modellen vorhergesagt waren. Wir konnten beobachten, dass die mit EPDs verbundenen feld-parallelen Ströme nicht, wie aus theoretischen Überlegungen erwartet, symmetrisch zum Äquator hin bzw. vom Äquator weg fließen, sondern hauptsächlich interhemisphärisch (also von einer Hemisphäre zur anderen). Wir berichteten auch zum ersten mal Beobachtungen der Poynting-Flussdichte (der elektromagnetische Energieflussdichte) von EPDs. Auch hier fanden wir überraschend, dass die Poynting-Flussdichte hauptsächlich interhemisphärisch ist. Außerdem zeigt die Richtung der Poynting-Flussdichte und der feld-parallelen Ströme signifikante saisonale und Längengrad-abhängige Muster, die wir auf saisonalen Effekte in der ionosphärischen Leitfähigkeit zurückführen. In der zweiten Phase unseres Projektes wollen wir das Verständnis der zugrundeliegenden physikalischen Prozesse verbessern, indem wir (1) einen größeren Datensatz mit besserer Lokalzeit- und saisonaler Abdeckung analysieren und (2) Simulationen mit Physik-basierten Modellen durchführen. Außerdem werden wir Ergebnisse eines neuen Radar-Betriebsmodus (medium incoherent scatter radar (ISR) long runs) am Jicamarca Observatorium mit Swarm-Beobachtungen vergleichen, um saisonale Abhängigkeiten der Plasmadrift vor und während des Sonnenuntergangs zu untersuchen.Die ISR long runs geben ein groß-skaligeres Bild der Dynamik der EPDs und unterstützen damit die Auswertung der In-situ-Messungen von Swarm. Ein weiteres Ziel dieses Projektes ist es, die EPD-Strukturen zu untersuchen, die mit dem Ausfall von GPS Navigationssignalen auf den Swarm-Satelliten einhergehen. Dazu werden wir eine Frequenzbereichs-Analyse der hochfrequenten Beobachtungen der Elektronendichte sowie des magnetischen Feldes durchführen und mit den GPS-Messungen auf Swarm vergleichen, um die Brechungsbedingungen zu identifizieren, die Szintillationen hervorrufen. Damit nutzen wir die Multi-Parameter-Eigenschaft der Swarm-Mission voll aus.Indem die oben genannten Fragestellungen nun mit Multi-Parameter-Datensets untersucht werden können, erwarten wir neue, grundlegende Erkenntnisse zur Elektrodynamik in der oberen Atmosphäre. Gleichzeitig erwarten wir deutliche Fortschritte in der Beschreibung und Vorhersage von EDPs, sowie Erkenntnisse zur Auswirkung auf Radiowellen-basierte technologische Infrastrukturen wie GPS. Ein besseres Verständnis der EDPs ist auch für präzise Magnetfeldmodelle des Erdkerns und der Lithosphären wichtig.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1788: Study of Earth system dynamics with a constellation of potential field missions
• Mitverantwortlich: Professor Jorge Chau, Ph.D.