Abstract

The Earth-ionosphere system behaves as a waveguide for the propagation of very low frequency (VLF) radio waves. If in this system the electrical conductivity of its boundaries is disturbed, the propagation of VLF waves is also disrupted, which is observed as phase and amplitude variations of VLF waves with respect to their quiescent levels. There is a diversity of physical phenomena that are able to alter significantly the conductivity of the upper boundary. These phenomena can have their origin at the Earth (e.g., lightning), in the solar system (e.g., solar flares) or even much farther away (e.g., galactic gamma-ray bursts). The aim of this thesis is to study short- and long-term VLF variations measured in Northern Finland (at the Sodankylä Geophysical Observatory) and their associations to different phenomena. The main results are as follows: [i] The minimum energy a solar flare should have in order to produce ionospheric disturbances depends on the solar cycle. This energy is understood as the ionospheric sensitivity and for daytime conditions its value lies in the range (1–12) × 10⁻⁷ J/m². [ii] The semiannual oscillation that appears in VLF measurements was determined to be related to geomagnetic activity variations. At the same time, it was found that the 27-day solar rotation oscillation is dominant during the declining phase of the solar cycle. [iii] The main characteristics of the observed VLF sunrise phase perturbation are derived from the shadowing of short wavelength solar UV radiation due to stratospheric ozone absorption when the Sun rises. [iv] VLF emissions with banded structure were observed in the 16–39 kHz frequency range, which are frequencies not usually used for the study of whistler mode VLF emissions coming from the magnetosphere. All these results are important since the VLF signals are related to variations of electron density in the ionospheric D-region, and thus have been used to identify the processes that influence the behavior of the upper atmosphere. The mentioned results can provide useful constraints on the long-term and short-term variability in coupled ion-neutral atmospheric models, thereby adding to our understanding of the response of the chemistry, dynamics and electrodynamics of the Earth’s ionosphere to solar and atmospheric forcing.

Tiivistelmä

Maa-ionosfäärijärjestelmä toimii aaltoputkena erittäin matalataajuisille (VLF) radioaalloille. Jos tässä järjestelmässä sen rajojen sähkönjohtavuus häiriintyy, myös VLF-aaltojen eteneminen häiriintyy, mikä havaitaan VLF-aaltojen vaihe- ja amplitudivaihteluina suhteessa niiden tasoon hiljaisina aikoina. On olemassa useita erilaisia fysikaalisia ilmiöitä, jotka pystyvät muuttamaan merkittävästi ylärajan johtavuutta. Nämä ilmiöt voivat olla peräisin maapallolta (esim. planetaariset aallot), aurinkokunnastamme (esim. auringon roihupurkaukset) tai jopa paljon kauempaa (esim. galaktiset gammapurkaukset). Tässä väitöskirjassa tutkijaan Pohjois-Suomessa (Sodankylän geofysiikan observatoriossa) mitattuja lyhyen ja pitkän aikavälin VLF-vaihteluita ja niiden yhteyksiä eri ilmiöihin. Tärkeimmät tulokset ovat seuraavat: [i] määritettiin, miten ionosfäärin päiväajan herkkyys ulkoisille häiriötekijöille riippuu auringon aktiivisuuden vaiheesta. Tämä tutkimus ymmärretään vähimmäisenergian suhteen, joka ulkoisella tapahtumalla, kuten auringon roihupurkauksella, tulisi olla, jotta se aiheuttaisi signaalin leviämiseen vaikuttavia ionosfäärisiä häiriöitä. [ii] VLF-mittauksissa esiintyvän vuotuisen vaihtelun havaittiin liittyvän mesofäärin lämpötilaan ja auringon Lyman-α-vuohon päivä- ja yöolosuhteissa. Puolivuosittaisen vaihtelun havaittiin liittyvän geomagneettisen aktiivisuuden muutoksiin. Samalla todettiin, että auringon 27 päivän pyörimisjaksoa vastaava värähtely on hallitseva auringon aktiivisuuden laskuvaiheessa. [iii] Auringonnousuvaiheen VLF-häiriöiden pääominaisuuksien havaittiin johtuvan lyhyen aallonpituuden auringon UV-vuon varjostumisesta D-alueen ionosfäärissä johtuen stratosfäärin otsonin absorptiosta auringon noustessa. [iv] VLF-aaltoja, joissa oli raitamainen rakenne, havaittiin taajuusalueella 16–39 kHz. Näitä taajuuksia ei yleensä käytetä magnetosfääristä tulevien vihellysmoodin VLF-aaltojen tutkimiseen. Tuloksemme ovat tärkeitä, koska VLF-signaalit liittyvät elektronitiheyden muutoksiin ionosfäärin D-alueella, ja siten niitä on käytetty tunnistamaan prosessit, jotka vaikuttavat ylemmän ilmakehän käyttäytymiseen. Mainitut tulokset voivat tarjota hyödyllisiä rajoja pitkä- ja lyhytaikaiseen vaihteluun ilmakehän yhdistettyissä ionineutraalimalleissa, mikä lisää ymmärrystämme Maan ionosfäärin kemiallisesta, dynaamisesta ja sähködynaamisesta vasteesta auringon ja ilmakehän pakotukseen.

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

1. Macotela, E. L., Raulin, J.-P., Manninen, J., Correia, E., Turunen, T., & Magalhães, A. (2017). Lower Ionosphere Sensitivity to Solar X-ray Flares Over a Complete Solar Cycle Evaluated From VLF Signal Measurements. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 122(12), 12,370-12,377. https://doi.org/10.1002/2017ja024493

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

2. Macotela, E. L., Clilverd, M., Manninen, J., Moffat-Griffin, T., Newnham, D. A., Raita, T., & Rodger, C. J. (2019). D-Region High-Latitude Forcing Factors. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 124(1), 765–781. https://doi.org/10.1029/2018ja026049

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

3. Macotela, E. L., Clilverd, M. A., Manninen, J., Thomson, N. R., Newnham, D. A., & Raita, T. (2019). The Effect of Ozone Shadowing on the D Region Ionosphere During Sunrise. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 124(5), 3729–3742. https://doi.org/10.1029/2018ja026415

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

4. Macotela, E. L., Němec, F., Manninen, J., Santolík, O., Kolmašová, I., & Turunen, T. (2019). VLF Emissions With Banded Structure in the 16- to 39-kHz Frequency Range Measured by a High-Latitude Ground-Based Receiver. Geophysical Research Letters, 46(24), 14214–14222. https://doi.org/10.1029/2019gl086127

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version