University of Oulu

Multi-instrument and modelling studies of the ionospheres at Earth and Mars

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Author: Grandin, Maxime1,2,3
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Science, Physics
3University of Oulu, Sodankylä Geophysical Observatory
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 5.1 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526216157
Language: English
Published: 2017
Publish Date: 2018-01-24
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented, with the assent of the Doctoral Training Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu and of the Sciences de l’Univers, de l’Environnement et de l’Espace (SDU2E) Doctoral School of the Université Toulouse iii Paul Sabatier, for public discussion in the Polaria lecture hall of Sodankylä Geophysical Observatory on 26 October 2017 at 12 o’clock noon.
Tutor: Doctor Alexander Kozlovsky
Doctor Aurélie Marchaudon
Professor Anita Aikio
Doctor Thomas Ulich
Reviewer: Doctor Ronan Modolo
Professor Kathryn McWilliams
Opponent: Doctor Ronan Modolo
Doctor Mervyn Freeman
Description:

Abstract

This thesis studies the ionospheres of the Earth and Mars by combining the observations of versatile instruments providing information on various aspects of the planetary environments. The work on the terrestrial ionosphere focuses particularly on solar wind–magnetosphere–ionosphere coupling, while the work on the Martian ionosphere is based on the development of a new approach to analyse radio-occultation data to retrieve the atmospheric and ionospheric profiles.

In the Earth's ionosphere, two papers study the effects of solar wind high-speed streams on the ionospheric F-region peak electron density and on cosmic noise absorption resulting from the precipitation of energetic (>30 keV) electrons into the D region. For the first paper, a modified version of the superposed epoch analysis method, called phase-locked superposed epoch analysis method, was developed. The main finding is that a depletion near the F-region peak takes place in the afternoon and evening sectors during high-speed stream events. This could be explained by an increase in the electron loss rate as a consequence of ion-neutral frictional heating, which enhances the ion temperature and leads to neutral atmosphere expansion. In addition, dayside and post-midnight F-peak electron density increases are observed, probably related to soft particle precipitation. The second study reveals that cosmic noise absorption occurs during up to 4 days after the arrival of a high-speed stream, as substorm-injected energetic electrons precipitate in the midnight to early-afternoon ionosphere, principally at auroral latitudes. A third study reports for the first time observations of a modulation of cosmic noise absorption at periods near 10 s, associated with pulsating aurora. This suggests that the energetic component of the precipitating ux is modulated consistently with the auroral (1–10 keV) energies.

At Mars, radio-occultation experiments have been performed by the Mars Express spacecraft since 2004. In this thesis, a new data analysis approach is developed, based on the numerical simulation of radio wave propagation through modelled Martian atmosphere and ionosphere. This approach enables one to overcome limitations inherent in the classical inversion method which has been in use so far. It also gives access to new parameters such as ion density profiles. The new method is tested by analysing the data from two radio-occultation experiments.

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Tiivistelmä

Tämä väitöskirja tutkii Maapallon ja Marsin ionosfäärejä yhdistämällä useiden eri instrumenttien havaintoja, joilla saadaan tietoa planeettojen ympäristöistä. Maapallon ionosfääriä koskeva työ tutkii aurinkotuuli–magnetosfääri–ionosfäärikytkentää, kun taas Marsin ionosfääriä koskevan työn tavoite on uuden radio-okkultaatiomittauksen data-analyysimenetelmän kehittäminen, joka tuottaa ilmakehän ja ionosfäärin profiileja.

Maan ionosfäärin tapauksessa yhdessä julkaisussa tutkitaan nopeiden aurinkotuulivirtausten vaikutuksia F-kerroksen elektronitiheyteen ja toisessa julkaisussa tutkitaan energeettisten (>30 keV) elektronien sateesta johtuvaa kosmisen radiokohinan absorptiota D-kerroksessa. Ensimmäisessä julkaisussa on kehitetty uusi versio data-analyysimenetelmästä, jota kutsutaan vaihelukituksi epookkien superpositiomenetelmäksi. Julkaisun päätulos on, että nopeiden aurinkotuulivirtausten aikana F-kerroksen maksimielektronitiheys pienenee iltapäivän ja illan sektoreilla. Tämä voidaan selittää johtuvan siitä, että ioni-neutraalitörmäysten synnyttämä kitkalämpö kasvattaa ionilämpötilaa ja aiheuttaa lisäksi ilmakehän laajenemisen. Molemmat prosessit kasvattavat elektronien häviönopeutta. F-kerroksen elektronitiheysmaksimi puolestaan kasvaa sektorilla, joka ulottuu keskiyöstä aamun kautta keskipäivään, ja tämä johtuu matalaenergeettisestä elektronisateesta. Toisessa julkaisussa havaitaan, että lisääntynyt kosmisen radiokohinan absorptio kestää jopa neljä päivää nopean aurinkotuulivirtauksen saavuttua Maan kohdalle. Tämä johtuu siitä, että alimyrskyitse injektoidut energeettiset elektronit satavat keskiyön ja aamun ionosfääriin, pääasiassa revontuliovaalin alueella. Kolmas julkaisu raportoi ensimmäistä kertaa havainnon sykkiviin revontuliin liittyvästä kosmisen radiokohinan absorptiosta n. 10 s jaksollisuudella. Tämä osoittaa, että elektronivuon energeettinen komponentti on moduloitu samalla jaksollisuudella kuin revontulielektronien energiat (1–10 keV).

Marsissa on tehty radio-okkultaatiomittauksia vuodesta 2004 saakka Mars Express -luotaimen avulla. Vaitoskirjassa on kehitetty uusi datan analyysimenetelmä, joka perustuu numeeriseen simulointiin radioaaltojen etenemisestä Marsin ilmakehässä ja ionosfäärissä. Tämän lähestymistavan avulla vältetään tähän asti käytetyn klassisen inversiomenetelmän rajoitukset. Lisäksi menetelmä tuottaa uusia parametrejä kuten ionitiheysprofiileja. Uutta menetelmää testattiin tulkiten kahden radio-okkultaatiomittauksen aineistoa.

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Résumé

Le travail présenté dans ce manuscrit de thèse s'articule autour de l'étude des ionosphères terrestre et martienne. Une approche multi-instrumentale est adoptée afin de combiner des observations permettant de mettre en perspective des manifestations de phénomènes physiques de natures différentes mais intervenant dans un même contexte global. Le travail doctoral comporte également un volet modélisation. Le manuscrit de thèse consiste en une partie introductrice à laquelle sont adossées cinq publications dans des revues scientifiques à comité de lecture.

La partie introductrice de ce manuscrit de thèse a pour objectif de présenter le contexte scientifique sur lequel est basé le travail doctoral. Un premier chapitre passe en revue les principaux aspects théoriques dans lesquels s'inscrivent les études dont les résultats sont publiés dans les cinq articles. Les atmosphères et ionosphères de la Terre et de Mars y sont succinctement décrites, de même que les interactions entre ces planètes et le vent solaire, comprenant notamment la formation de magnétosphères. Les deux chapitres suivants présentent les instruments dont sont issues les données utilisées dans ce travail doctoral ainsi que les méthodes d'analyse des données. Le quatrième chapitre résume les principaux résultats obtenus autour des trois grandes thématiques abordées au cours de cette thèse. Enfin, des pistes quant à la continuation potentielle du travail présenté dans ce manuscrit de thèse sont évoquées en conclusion.

Le premier article porte sur une étude statistique des effets des courants de vent solaire rapide sur la région F de l'ionosphère aurorale. Il s'appuie sur des données mesurées par l'ionosonde de Sodankylä entre 2006 et 2008. Au cours de cette période, 95 événements associés à des courants de vent solaire rapide ont été sélectionnés, et la réponse de l'ionosphère au-dessus de Sodankylä a été étudiée à partir des fréquences critiques des régions E et F de l'ionosphère, qui donnent la valeur du pic de concentration électronique dans ces deux régions. Pour cela, une version modifiée de la méthode des époques superposées a été développée, appelée “méthode des époques superposées avec verrouillage de phase”. Une augmentation du pic de concentration des régions E et F est observée du côté nuit et le matin, en lien avec une activité aurorale accrue, tandis qu'une déplétion de la région F est révélée aux temps magnétiques locaux situés entre 12 h et 23 h. Une estimation des effets d'une possible modification de l'équilibre photo-chimique résultant d'un accroissement du chauffage issu de la friction entre les ions et les éléments neutres est proposée.

Le deuxième article s'intéresse aux précipitations énergétiques dans l'ionosphère aurorale durant ces mêmes 95 événements, en étudiant l'absorption du bruit cosmique qui en résulte. Il apparaît que les événements au cours desquels le vent solaire demeure rapide pendant plusieurs jours produisent davantage de précipitations énergétiques, qui peuvent atteindre les latitudes subaurorales. Par ailleurs, trois types de précipitations énergétiques sont étudiés séparément, selon qu'elles sont associées avec des signatures de sous-orage magnétique, avec des pulsations géomagnétiques, ou ni l'un ni l'autre. Les deux premiers types de précipitations semblent liés. En effet, l'analyse des données suggère que les électrons énergétiques sont injectés dans la magnétosphère interne durant les sous-orages. Tandis qu'une partie d'entre eux précipitent immédiatement du côté nuit, d'autres dérivent vers le côté matin, où ils subissent des interactions avec des ondes électromagnétiques de type siffleur (whistler en anglais), qui peuvent être modulées par des pulsations géomagnétiques, menant à leur précipitation.

Le troisième article présente pour la première fois l'observation de signatures d'aurore pulsante dans des données d'absorption du bruit cosmique. Ces signatures sont consistantes avec les pulsations observables dans l'émission aurorale, et semblent indiquer une modulation cohérente des composantes aurorale (1–10 keV) et énergétique (> 30 keV) du spectre des précipitations électroniques au cours d'une aurore pulsante.

Le quatrième article introduit une nouvelle méthode proposée pour analyser les données de radio-occultation mesurées par la sonde Mars Express. Cette approche vise à contourner des difficultés posées par les hypothèses fortes nécessaires à la mise en œuvre de la méthode classique d'inversion, notamment celle d'un environnement martien à symétrie sphérique — qui n'est pas acceptable lors de sondages proches du terminateur jour-nuit. La nouvelle méthode est basée sur la modélisation de l'atmosphère et de l'ionosphère de Mars, et sur la simulation de la propagation des ondes radio entre la station sol sur Terre et Mars Express lors d'une expérience de radio-occultation. Les paramètres libres contrôlant les profils atmosphériques et ionosphériques sont ajustés afin que la simulation reproduise le plus fidèlement possible les mesures.

Le cinquième article est une réponse à un commentaire sur l'article précédent. Il vise d'une part à répondre aux critiques émises sur la méthode développée, montrant que celles-ci n'en remettent en cause ni la validité ni la pertinence, et d'autre part à y apporter quelques améliorations.

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Series: Sodankylä geophysical observatory publications
ISSN: 1456-3673
ISSN-L: 1456-3673
ISBN: 978-952-62-1615-7
ISBN Print: 978-952-62-1614-0
Issue: 113
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