Ionospheric Impact Response Analysis by Regional Information Integration

Rommet rundt jorden er sterkt påvirket av solvinden, en strøm av ladede partikler som kommer fra solen. Selv om jordas magnetfelt beskytter planeten vår mot solvinden, blir noe av energien dens overført til magnetosfæren, hvor den forårsaker blant annet nordlyset. Nordlyset produseres når ladede partikler kommer ned langs magnetfeltlinjer og treffer gass i jordens øvre atmosfære, og får den til å lyse. Det er den mest synlige delen av et komplekst dynamisk system som også inkluderer elektriske strømmer, magnetiske forstyrrelser, plasmavind og nøytralvind, som alle varierer i respons til endringer i solvinden. Forståelsen av den koblede dynamikken i dette systemet er fremdeles mangelfull, selv om det foregår bare 100-500 km over oss, i ionosfæren. Endringer i ionosfæren påvirker livene våre gjennom endringer i friksjonskraft for satellitter, raske variasjoner i magnetfeltforstyrrelser på bakken som kan føre til strømbrudd, og endring av radiobølger som påvirker GPS-nøyaktigheten. I IIRARII-prosjektet utvikler vi teknikker for å kombinere en rekke forskjellige målinger for å lage kart over den ionosfæriske elektrodynamikken i godt instrumenterte områder. Vi har utviklet en teknikk som heter "Local mapping of polar electrodynamics (Lompe)". Lompe-teknikken har utgangspunkt i arbeid vi har gjort i forbindelse med et nytt satellittprosjekt: Electrojet Zeeman Imaging Explorer (EZIE). EZIE ble valgt av NASA i slutten av 2020, og vil etter planen skytes opp i 2024. UiB og IIRARII-prosjektet spiller en sentral rolle i dette satellittprosjektet. Våren 2021 publiserte vi en artikkel som forklarer hvordan vi har tenkt at målinger fra EZIE skal brukes til å lage kart over elektriske strømmer i verdensrommet. I 2023 publiserte vi også en artikkel om hvordan denne teknikken kan optimaliseres, og hvordan man kan regne ut den romlige oppløsningen i kartene. Dette arbeidet ble ledet av PhD-student Michael Madelaire. I tillegg publiserte PhD-student Simon Walker en studie som bruker EZIE-teknikken på bakkemagnetometermålinger fra Norden til å lage en 20 år lang tidsserie av elektriske strømmer i verdensrommet.

The IIRARII project aims to determine how ionospheric conditions affect transient geospace phenomena. We will achieve this aim by developing new regional data assimilation techniques to maximize the output from dense networks of ionospheric measurements. These techniques will be used to derive maps of ionospheric electrodynamics at high time resolution, which will enable us to address the dynamics of magnetosphere-ionosphere-thermosphere coupling in a completely new way. We will apply the regional data assimilation techniques in events characterized by rapid changes in the magnetosphere, specifically substorms and times of rapid increases in the solar wind dynamic pressure. The ionospheric response to such changes is expected to vary significantly between seasons, since sunlight changes the ionization, and therefore the coupling between plasma and the neutral atmosphere. To address this poorly understood fundamental issue in space physics, we will answer the following questions: How does the ionospheric current system develop during substorms, and how does it depend on seasons? How does ionospheric convection develop during substorms, and how does it depend on seasons? How does ionospheric convection and currents develop after a solar wind pressure increase, and how does it depend on seasons? Finally, we will expand the regional data assimilation techniques, which are based on a 2D description of the ionosphere, to 3 dimensions. The 3D regional data assimilation technique will help achieve full science return from the upcoming EISCAT_3D radar, which will provide volumetric imaging of ionospheric parameters in its field of view. All techniques that are developed in the project will be implemented in Python, and made freely available.