Unravelling the Drivers of Energetic Electron Precipitation - Revealing the Imprint of Space on Earth (DEEP - RISE)

Sola slyngjer stadig ut ein vind av lada partiklar. Nokre gongar kjem desse med ekstra høg fart mot jorda, medan andre gongar under eksplosjonsliknande tilhøve, kjem ekstra mange partiklar i vår retning. Magnetfeltet i solvinden vekselverkar med magnetfeltet til jorda. Dette driv ei rekkje prosessar som aukar energien til elektron og proton som er fanga i magnetfelt til jorda. Ein del av desse partiklane vil kollidera med gassane i atmosfæren og kan nå så djupt som 50 km over bakken. Kollisjonane fører til auka produksjon av NOx og HOx gassar som i sin tur kan bryta ned ozon. Ozon er viktig for energibudsjettet ved desse høgdene, så dersom ein endrar mengda ozon ved om lag 50 km, kan ein forandra temperatur og vindar i dette området. Desse vindane har koplingar til versystemet vårt. Det er såleis avgjerande å vita kor mykje og ved kva høgd partiklane avset energien sin for å forstå kva rolle dei spelar i atmosfæren. DEEP-RISE prosjektet har hatt ei leiande rolle i det internasjonale «HEPPA III intercomparison»-studiet. Det avdekka kor usikre dei tilgjengelege parametriseringane av energetisk elektronnedbør er og kva det inneber for den påfølgande effekten i klimamodellar. Ionisasjonsgraden varierte med ein storleiksorden både under geomagnetisk rolege og aktive periodar. Studiet viste også forskjellar i kvar elektrona trefte atmosfæren geografisk. Me har difor utvikla ein modell som bestemmer kor langt mot ekvator elektronnedbøren når. Saman med DEEP-RISE fluks estimata, utvikla tidlegare i dette prosjektet, vil denne modellen verta brukt i framtidige studie for å avdekkja effekten av energirik elektronnedbør i atmosfæren. Ved å nytta ein klimamodell, har DEEP-RISE prosjektet har også vist at dersom dynamikken i atmosfæren er ustabil, kan til og med små mengder elektronnedbør påverka temperatur og vindar ned til 50 km. Resultatet er eit første steg i eit paradigmeskifte for vår forståing av korleis energirik partikkelnedbør direkte kan påverka atmosfæren.

-

Energetic electrons precipitating from plasma sheet and the radiation belts surrounding the Earth, can collide with gases in the atmosphere and deposit their energy here. The depth to which they penetrate into the atmosphere depends on their initial energy. The collisions with atmospheric gasses initiate a number of chemical reactions leading to the production of odd nitrogen (NOX: N, NO, NO2) and odd hydrogen gasses (HOX: H, OH, HO2), which in turn can reduce the ozone concentration. Ozone is critically important in the energy budget in the middle atmosphere (50-80 km). Hence changing the concentration of ozone might impact temperature and winds at these altitudes, both of which links to our weather system. A reliable estimate of the electron energy input and its altitude distribution is therefore crucial for determining its effects on the atmosphere. Accurate quantification of energetic electron precipitation, however, remains to be obtained due to instrumental challenges. This imposes limitations of the associated EEP parameterisation into climate models. A solution to this problem is a better understanding of the driver processes of energetic electron acceleration and precipitation. Further, the radiation belts represent a hard environment for satellites, hence quantification of electron precipitation is also important for understanding the radiation belt variability due to loss to the atmosphere. These different perspectives are two sides of the same coin. Nonetheless, most researchers tend to focus on just one aspect, leaving out the potential added values for the other perspective. The motivation of the project is as follows: To achieve a holistic view on the causes of energetic electron precipitation and its dependence on solar wind structures and magnetospheric processes, to better estimate the occurrence, duration and strength of the energetic electron precipitation and the subsequent imprint on the atmosphere.