The mesospheric sodium layer as a remotely, optically pumped magnetometer for investigation of Birkeland currents

I dette prosjektet ønsker vi for første gang å studere nordlyset ved å gjøre kontinuerlige in situ målinger av det geomagnetiske feltet 90 km over bakken. Geomagnetiske observasjoner utføres for å studere jordens kjerne og jordskorpen, men også for å utforske prosesser knyttet til nordlyset og hvordan disse er knyttet til solen via solvinden og jordens magnetfelt. Slike magnetfeltmålinger blir typisk utført på bakkenivå eller fra satellitter. Derfor, med unntak av korte punktmålinger vha. raketter, mangler vi magnetiske måledata fra bakken og opp til 300 km. Den øvre mesosfæren, rundt 90 km, er et svært interessant område å måle i pga. nærheten til nordlyset og dets tilstøtende prosesser. I denne høyden finnes det et lag bestående av natrium som stammer fra meteorer som kommer inn i og fordamper i atmosfæren. Ved å belyse dette laget med laser med en bestemt bølgelengde, spres lyset, bl.a. tilbake til bakken. Natriumlidarer bruker denne mekanismen til å måle temperatur og vindhastighet mellom 80 og 100 km. I prosjektet har vi etablert et lignende system på ALOMAR i Nord-Norge, og, for første gang, gjort magnetfeltmålinger i den øvre atmosfæren nært nordlyset. Ved å pulse laserlyset og variere pulsfrekvensen er det mulig å styre hvor mye lys som spres av natriumatomene. Frekvensen som gir sterkest spredt lys, er direkte knyttet til magnetfeltstyrken i natriumlaget. Derfor er det mulig å måle magnetfeltet i mesosfæren fra bakken. Vi har benyttet denne teknikken som også har vært brukt tidligere ved lave og midlere breddegrader, til å åpne opp for en helt ny type målinger av magnefelter dannet av strømmer i magnetosfære-ionosfæresystemet. Vi regner også med at små, horisontale strømsystemer som ikke er synlig ellers, vil være målbare når magnetfelt måles i mesosfæren. I løpet av prosjektet har det blitt utført dedikerte målekampanjer hvor vi har fokusert på å gjøre målesystemet operativt samt å samle mest mulig magnetfeltmålinger som vil kunne analyseres sammen med data fra den øvrige og omfattende forskningsinfrastrukturen for studier av den øvre atmosfæren som finnes i Nord-Norge. I prosjektet har to masterstudenter gjort sine hovedoppgaver på temaet med avhandlingene "Laser diagnostics of the mesospheric magnetic field - Understanding remote laser magnetometry in Northern Norway" og "An Investigation of Magnetic Field Disturbances on the Ground and in the Mesosphere". Den første oppgaven går i dybden for å forstå teknikken som blir anvendt for å måle magnetfeltet i mesosfæren, samt gjør modelleringer av hva vi kan forvente oss av slike målinger ved høye breddegrader. Studiet gjør også rede for hvilke hardware-oppgraderinger som trengs. Den andre oppgaven bruker ulike modelleringsteknikker til å evaluere hvilke magnetfeltvariasjoner vi kan forvente å måle i mesosfæren. Lasersystemet som ble brukt er et toårig lån fra University of Arizona. I løpet av høsten 2018 var vi ved Kuiperobservatoriet på Mt. Biggelow utenfor Tucson, Arizona, og pakket ned lasersystemet. Det ble deretter sendt i kasser til Andøya og ankom i november. I desember samme år ble lasersystemet pakket ut og etablert på laboratoriet på ALOMAR. Samarbeidspartnere fra USA har vært på i Andøya i fire 2-3 ukers perioder i 2019 og en 3 ukers periode i 2020, for å bistå i montering, tilpassing, forbedring og forberedelser av lasersystemet, samt utføringen av magnetfeltmålinger. Laseren hadde ikke vært i drift siden 2016, og det var derfor mye kallibrering, feilsøking og justeringsarbeid. Laseren var operativ i laboratoriet noen timer helt på slutten av oppholdet i mars 2019, og vi fikk dermed demonstrert at systemet er tilnærmet klart til magnetfeltmålinger. I september-oktober 2019 ble systemet helt klart og laserstrålen pekt mot himmelen. Teleskopene som brukes til å detektere lyset som kommer tilbake fra meosfæren har svært smalt synsfelt og laserstrålen må styres inn i dette. Å finne igjen signalet ved å styre strålen er en tidkrevende oppgave, men i desember 2019 mestret vi dette og gjorde de første magnetfeltmålingene som også fortsatte i Januar-februar 2020. Vi har dermed lyktes i å gjøre de første mesofæriske magnetfeltmålingene i nordlyssonen vha. laser noen sinne. Vinteren 2019/2020 har vært under gjennomsnittlig god mhp. værforhold, skydekke og klare netter på Andøya, vi har derfor i løpet av vinteren kun fått målt i 13 netter og kun 3 timer av disse var helt skyfrie. Dataene vi har samlet inn er derfor noe begrenset og vi har ikke hatt anledning til å utforske ulike måletilnærmelser og optimaliseringer i den grad vi skulle ønske. Likevel har vi bevist at magnetfeltmålingene er mulige, og vi har et dataset som i skrivende stund er under analyse og resultater som vi etter prosjektets slutt planlegger å publisere i vitenskapelig tidsskrift. Resultatene viser allerede nå at prosjektet har hatt vitenskapelig utbytte og at en fortsettelse av denne typen målinger har livets rett.

Although not generating a wealth of geophysical data to make large advances in the understanding of the upper atmosphere, the project has contributed significantly towards this aim. We have proved that it is possible to make measurements of the magnetic field in the mesosphere remotely in the auroral zone, and made great steps towards doing this with the necessary high temporal resolution. Therefore, we are now among three groups, worldwide, with expertice and experience of doing remote mesospheric magnetometry. We are already communicating with one of the other groups on how we can join efforts to continue mesospheric magnetometry and establish routine measurements in the auroral zone. We conclude that our project and acquired knowhow lays the foundation for establishing an observation program including a more advanced and autonomous system to obtain a large data-set, which will be to the benefit of science and the general public through improved understanding of ionospheric dynamics.

By means of optical pumping, it is possible to use the naturally occurring sodium layer in the mesosphere to measure Earth's scalar magnetic field at ~90 km above ground. This is an altitude not accessible by other means than rockets which will provide point measurements of very short time scales. We are proposing to modify the ALOMAR sodium lidar to be able, for the first time, to measure and monitor the magnetic field in the high latitude mesosphere over longer time scales. In addition to proving a new method for monitoring Earth's magnetic field, which will attract great interest from the geomagnetic community, we will combine the efforts from different communities (astronomy, mesosphere/atmosphere, optics and geomagnetism) into a common science goal. Furthermore, new science applications will be added to lidar measurements. The technique, which has been proposed earlier for measurements at low or mid latitudes for studies of Earth's internal magnetic field, will in our project be applied to high latitudes in the auroral zone. This opens for a completely new domain of measurements of externally generated geomagnetic variations related to currents in the magnetosphere-ionosphere system. In particular, we aim to measure the magnetic field variations in close vicinity to Birkeland currents associated with particle precipitation events penetrating to altitudes below 90 km and small-scale, discrete auroral arcs. It is, furthermore, anticipated that small, horizontal current structures, whose signature is not apparent from ground based measurements, will be easier discernible when measurements are performed closer. During the project we plan to run 4 campaigns, and we will take advantage of the rich scientific infrastructure located in northern Norway, including EISCAT and the Tromsø Geophysical Observatory magnetometer network. Furthermore, during the campaigns, if possible we aim to make measurements in conjunction with overpasses of one or more SWARM satellites