Ringstrom-Modellierung

(GFZ Potsdam)

Der Ringstrom ist ein elektrischer Strom, der die Erde in den Abständen zwischen ~3 und ~5 Erdradien vom Erdmittelpunkt in der Äquatorebene umgibt. Der Ringstrom bewegt sich, vom Nordpol der Erde aus gesehen, im Uhrzeigersinn und wird von gegenläufig driftenden Elektronen und Ionen mit Ladungen zwischen 1 und 200keV getragen. Die Ringstromteilchen stammen aus der Plasmaschicht der Erde, wo sie sich unter der Wirkung des elektrischen Feldes der Morgen- und Abenddämmerung und des Magnetfeldes unseres Planeten erdwärts bewegen. Während geomagnetischer Stürme verstärkt der Ringstrom das Erdmagnetfeld und verringert es, was in der Hauptphase des Sturms zum sogenannten Dst-Effekt führt. In der Erholungsphase des Sturms klingt der Ringstrom aufgrund von Streuung der geladenen Teilchen durch Feldänderungen, Plasmawellen (z.B. elektromagnetische Ionen-Zyklotron-Wellen) oder Ladungsaustausch mit neutralen Atomen ab. Der Ringstrom ist eine entscheidende Komponente für unser Verständnis der Magnetosphärendynamik und geomagnetischer Stürme. Er kann auch menschliche Infrastrukturen wie Stromnetze in hohen Breitengraden oder aktuell betriebene Kommunikations- oder Navigationssatelliten beeinflussen.

Wir verwenden den vierdimensionalen Versatile Electron Radiation Belt (VERB-4D) Code, um die Dynamik des Ringstroms zu modellieren. Der Code löst die dreidimensionale Diffusionsgleichung, die den Teilchenverlust und die Beschleunigung aufgrund von Welle-Teilchen-Wechselwirkungen beschreibt, sowie die zweidimensionale Konvektionsgleichung, die die Modellierung der Teilchendrift in externen elektrischen und magnetischen Feldern ermöglicht. Der VERB-4D-Code wurde ursprünglich für Ringstrom und Strahlungsgürtel-Elektronen entwickelt, getestet und validiert [Aseev et al., 2016] und erfolgreich auf die Modellierung des Sturms vom 17. März 2013 angewendet [Shprits et al., 2015].

In diesem Projekt wenden wir den Code für die Ringstrom-Ionenarten an, was möglich ist, da die Ionendynamik durch die gleichen Gleichungen wie die Elektronendynamik bestimmt wird. Wir testen und validieren den Programm-Code, indem wir ihn für bestimmte Stürme und Langzeitperioden laufen lassen und die Ergebnisse mit Satellitenbeobachtungen vergleichen. Wir untersuchen die Sensitivität des Codes auf vorgegebene empirische Modelle der elektrischen und magnetischen Felder und verschiedene Parameter wie Diffusionskoeffizienten oder Ladungsaustauschverlustraten. Wir modellieren die Entwicklung des Ringstroms während der Anfangs-, Haupt- und Erholungsphase des Sturms. Schließlich untersuchen wir die Möglichkeit, den Ringstrom selbstkonsistent zu modellieren, indem wir den Code mit Codes zur Modellierung elektrischer und magnetischer Felder koppeln. Als Endprodukt werden wir ein Vorhersagesystem erstellen, das im Internet öffentlich zugänglich sein wird.

Referenzen:

Aseev, N. A., Y. Y. Shprits, A. Y. Drozdov, and A. C. Kellerman (2016), Numerical Applications of the Advective-Diffusive Codes for the Inner Magnetosphere, Space Weather, 14, doi:10.1002/2016SW001484.

Shprits, Y. Y., A. C. Kellerman, A. Y. Drozdov, H. E. Spence, G. D. Reeves, and D. N. Baker (2015), Combined convective and diffusive simulations: VERB-4D comparison with 17 March 2013 Van Allen Probes observations, Geophys. Res.Lett., 42, doi:10.1002/2015GL065230.

Yuri Shprits
Leitung
Prof. Dr. Yuri Shprits
Weltraumphysik und Weltraumwetter
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