Sektion 2.7: Weltraumphysik und Weltraumwetter
Modellierung des Strahlungsgürtels
Die Strahlungsgürtel der Erde bestehen aus hochenergetischen Protonen und Elektronen, die vom Erdmagnetfeld im Bereich von 1,2~8 Re (Erdradien) vom Erdmittelpunkt entfernt eingefangen werden, was für Satellitenanlagen gefährlich sein kann. Unsere Gruppe verwendet Modellierungsansätze, um die dynamische Entwicklung der äußeren Strahlungsgürtel besser zu verstehen. Dazu entwickeln wir 3D- und 4D-Algorithmen für den "Versatile Electron Radiation Belt" (VERB), die uns helfen, wichtige Mechanismen zu verstehen, die die dynamische Entwicklung der Strahlungsgürtel steuern, wie z. B. radiale Diffusion, lokale Beschleunigung, lokaler Verlust, Abschattung der Magnetopause und elektrische Konvektion.
Daten-Assimilation
Die Analyse der Beobachtung des Strahlungsgürtels stellt eine große Herausforderung dar, da Satellitenmessungen oft unvollständig und ungenau sind und nur eine begrenzte räumliche Abdeckung haben. Nichtsdestotrotz können durch Daten-Assimilation Beobachtungen mit Informationen aus physikalisch basierten Modellen angereichert werden, um Lücken zu füllen und zu einem besseren Verständnis der zugrunde liegenden dynamischen Prozesse zu führen. Wir haben ein Verfahren entwickelt, das eine effiziente Daten-Assimilation von mehreren Satellitenmissionen in das hochmoderne, auf partiellen Differentialgleichungen basierende Modell des "Versatile Electron Radiation Belt" der inneren Magnetosphäre ermöglicht (VERB-3D).
Ringstrom-Modellierung
Der Ringstrom ist ein elektrischer Strom, der die Erde in den Abständen zwischen ~3 und ~5 Erdradien vom Erdmittelpunkt in der Äquatorebene umgibt. Er spielt eine wesentliche Komponente für unser Verständnis der Magnetosphärendynamik und geomagnetischer Stürme. Außerdem kann er menschliche Infrastrukturen wie Stromnetze in hohen Breitengraden oder Kommunikations- oder Navigationssatelliten beeinflussen. In unserer Arbeutsgruppe verwenden wir den "4D Versatile Electron Radiation Belt" Code (VERB-4D), um die Dynamik des Ringstroms zu modellieren.
IMPTAM-VERB Echtzeit Vorhersage
Low energy electrons (up to a few 100s of keV) in the plasma sheet and in the ring current can be accelerated to higher energies by various processes and become the drivers of the radiation belts dynamics. Therefore, it is important to account for the dynamics of this so called low energy seed population in the simulations of radiation belt electrons. While low energy electrons in the magnetotail are transported towards the Earth due to magnetospheric convection, the dynamics of energetic electrons inside geosynchronous orbit are largely determined by diffusive processes. Most available physics-based models only compute the evolution of one of these electron populations. However, in order to better understand the particle interactions in the inner magnetosphere a link between these models is necesary. The tool presented here targets this task by combining the two physics-based models IMPTAM and VERB-3D.
The Inner Magnetospheric Particle and Transport Acceleration Model (IMPTAM) (Ganushkina et al. 2001, 2005, 2006) traces electrons from the plasma sheet into the inner magnetospheric region using the guiding center approximation together with time dependent electric and magnetic fields. The model accounts for a number of wave particle interacctions, coulomb colissions and losses to the atmosphere. Electron distributions modeled by IMPTAM provide realistic time dependent boundary conditions to drive radiation belt simulations with the VERB-3D code (Shprits et al. 2009 and Subbotin et al. 2009), which in turn calculates the evolution of energetic electrons due to diffusive processes occuring in the inner L-shells of the magnetosphere. The combination of these two models gives birth to the IMPTAM-VERB coupled model. This 6-day radiation belt nowcast of 0.9 MeV electrons is automatically generated every 1hour using the IMPTAM-VERB coupled model.
References:
- Ganushkina N. Yu., T. I. Pulkkinen, V. F. Bashkirov, D. N. Baker, X. Li, Formation of intense nose structures, Geophysical Research Letters, 28, 491-494, 2001.
- Ganushkina, N. Yu., T. I. Pulkkinen, M. V. Kubyshkina, H. J. Singer, and C. T. Russell, Long-term evolution of magnetospheric current systems during storms, Annales Geophysicae, 22, 1317-1334, 2004.
- Ganushkina, N. Y.; Pulkkinen, T. I.; Milillo, A.; Liemohn, M. Evolution of the proton ring current energy distribution during 21-25 April 2001 storm, Journal of Geophysical Research, 111, A11S08, doi: 10.1029/2006JA011609, 2006.
- Shprits, Y. Y. , D. Subbotin, B. Ni (2009), Evolution of electron fluxes in the outer radiation belt computed with the VERB code, J. Geophys. Res., 114, A11209.
- Subbotin, D. A., Y. Y. Shprits (2009), Three-dimensional modeling of the radiation belts using the Versatile Electron Radiation Belt (VERB) code, Space Weather, 7, S10001.
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