EISCAT_3D-Based Reconstruction of Ionosphere-Thermosphere Electrodynamics

Prosjektet E3D-BRITE tar for seg en av de mest spennende utfordringer innen ionosfærefysikk: Å forstå ionosfæren og atmosfæren på ~80–200 km høyde som et tredimensjonalt system. Vår nåværende forståelse består i hovedsak av konseptuelle modeller som beskriver ionosfæren som et uendelig tynt, todimensjonalt, elektrisk ledende kuleskall. Ionosfæren er i virkeligheten like tredimensjonal som resten av verden, så hvorfor skulle man bruke en modell hvor den er todimensjonal? Fordi vi ennå ikke har den målingene vi trenger for å gjøre noe annet: Instrumentene som har blitt brukt frem til nå for å måle ionosfærens egenskaper – for eksempel satellitter, raketter, ballonger og radarer – egner seg ikke til å skape et 3D-bilde av ionosfæren: På disse høydene er luften for tynn til å holde ballonger flytende og for tett for å ha satellitter i stabil bane. Man kan gjøre målinger med raketter, men disse beveger seg bare kortvarig gjennom ionosfæren under flyvningen. Denne situasjonen er i ferd med å endre seg. Med stasjoner i Norge, Sverige og Finland vil EISCAT_3D, verdens mest avanserte inkoherent spredningsradar, muliggjøre 3D målinger av tettheten, temperaturen og plasmakonveksjon i ionosfæren. EISCAT_3D-målinger utgjør imidlertid bare en del av løsningen. I tillegg trenger vi en verktøykasse for å kombinere EISCAT_3D-målinger til et enhetlig, 3D-bilde av ionosfæriske og atmosfæriske dynamikker som er i tråd med grunnleggende fysiske lover. E3D-BRITE-teamet er godt rustet til å designe og publisere en slik verktøykasse: teamet består av eksperter innen radarteknologi og -teori, fysikk-basert modellering, statistikk, inverse problemer, og andre områder innen avansert matematikk. E3D-BRITE-prosjektet vil skape og bruke disse verktøyene for å hjelpe oss med å bevege oss bort fra en todimensjonal paradigm, og mot en tredimensjonal forståelse av det overlappende ionosfære-atmosfære-systemet.

The EISCAT3D-Based Reconstruction of Ionosphere-Thermosphere Electrodynamics (E3D-BRITE) project addresses a grand challenge in space physics: How do electric currents in Earth's ionosphere evolve in time within a three-dimensional volume and on spatial scales smaller than 100 km? This question has been impossible to answer because of a lack of truly 3D measurements of the coupled ionosphere-thermosphere system. Using the trailblazing EISCAT_3D facility, I propose to address three fundamental questions directly related to this challenge: Q1: What is the role of small-scale (10s of km), 3D ionospheric currents in the development of meso- and large-scale auroral ionospheric current systems? Q2: How are the 3D properties of the ionosphere and thermosphere modified in the presence of an auroral arc? Q3: How does the neutral wind impact energy dissipation and ionospheric conductivities? Answering these questions, however, requires tools and techniques that do not currently exist. Drawing on our expertise on ionosphere-thermosphere (IT) physics, data assimilation techniques, empirical modeling, and radar systems, my team and I will (i) Create and disseminate an open-source reconstruction technique that uses EISCAT_3D measurements to reconstruct a coherent picture of 3D IT electrodynamics on scale sizes of several kilometers, far beyond the current state of the art; (ii) Design and implement an EISCAT_3D experiment that is optimized for investigating 3D small-scale structures on the shortest timescales achievable with EISCAT_3D over the altitude range ~90–150 km. I will use this technique to carry out the following scientific studies that answer Q1, Q2, and Q3 above: •"Comparison and validation of 3D volumetric current estimation methods" •"Generation and dissipation of kilometer-scale 3D ionospheric currents" •"Auroral current closure in the presence of 3D conductivity gradients" •"Neutral wind modification of plasma instabilities in the 3D auroral ionosphere"