Elektronipresipitaation tutkimuksia epäkoherentin sironnan tutkalla

Ionosfääri on Maan yläilmakehän osittain ionisoitunut osa 60–1000 km korkeudella. Ionosfäärin tilaa voidaan kuvata plasmaparametrien ajallisten ja paikallisten vaihtelujen avulla. Plasmaparametreja ovat esimerkiksi elektronitiheys, elektronien ja ionien lämpötilat, sekä plasman virtausnopeus. Korkeilla leveysasteilla Maan magneettikenttä kytkee ionosfäärin sitä ympäröivään magnetosfääriin. Kytkentä mahdollistaa elektronipresipitaation (elektronisateen) magnetosfääristä ionosfääriin, missä elektronien törmäykset neutraalien hiukkasten kanssa synnyttävät revontulia sekä ionisoivat ja kuumentavat neutraali-ilmakehää. Elektronipresipitaation ominaisuuksia voidaan kuvata elektronien kokonaisenergiavuon, lukumäärävuon, sekä keskimääräisen energian avulla.

Epäkoherentin sironnan tutkat (incoherent scatter radar, ISR) kuuluvat tehokkaimpiin maan pinnalla toimiviin ionosfäärin mittalaitteisiin. Toisin kuin nopeasti liikkuvat satelliitit, maan pinnalla olevat tutkat voivat havainnoida tutkan kohdalla tapahtuvan elektronipresipitaation kehittymistä pitkiä aikoja. Kansainvälinen EISCAT järjestö, jonka perustajajäseniin Suomi kuuluu, operoi epäkoherentin sironnan tutkia napapiirin pohjoispuolella Suomessa, Norjassa ja Ruotsissa. EISCAT myös rakentaa parhaillaan seuraavan sukupolven EISCAT3D tutkajärjestelmää.

Tässä väitöskirjatyössä olemme kehittäneet uuden epäkoherentin sironnan tutkan data-analyysityökalun nimeltä Bayesian Filtering Module (BAFIM), joka mahdollistaa plasmaparametrien määrittämisen tutkadatasta paljon paremmilla aika- ja paikkaresoluutioilla kuin EISCATin vakioanalyysi. Hyödyntämällä lisäksi ELSPEC-ohjelmistoa, määritämme BAFIMin avulla lasketusta korkean resoluution elektronitiheysdatasta ionosfääriin satavien elektronien kokonaisenergiavuon, lukumäärävuon, sekä energiaspektrin maksikohdan 4 sekunnin aikaresoluutiolla. Aiemmin vastaaviin resoluutioihin on päästy vain käyttämällä niin kutsuttua raakaelektronitiheyttä, jonka osoitamme olevan ajoittain virheellinen elektronipresipitaation aikana. BAFIM-ELSPEC analyysin tulokset sopivat erittäin hyvin yhteen samaan aikaan samassa paikassa tehdyn riippumattoman optisen mittauksen kanssa.

Tutkimme elektronipresipitaation tilastollisia ominaisuuksia hyödyntämällä yli 20 vuoden aikana EISCATin Tromssassa sijaitsevalla UHF-tutkalla kerättyä dataa. Tutkadatan avulla voimme tutkia paitsi jo aiemmin satelliiteilla tutkittuja 1–30 keV:n elektroneja, myös energeettisempiä 30–100 keV:n elektroneja, joiden tutkimiseen olemassa olevat satelliitti-instrumentit sopivat huonommin. Havaitsimme elektronipresipitaation olevan Tromssassa yleisintä aamulla kello 5–6 magneettista paikallisaikaa, sekä syys- ja kevätpäiväntasauksien lähellä. Lisäksi elektronipresipitaatio on tavallisinta välittömästi auringonpilkkumaksimia seuraavina vuosina, energeettinen elektronipresipitaatio on tavallisempaa aamuyöstä kuin illalla, ja suuret elektronien lukumäärävuot ovat tavallisempia illalla ja ennen keskiyötä kuin keskiyön jälkeen.

Työssä kehitettyjä ja käytettyjä analyysityökaluja voidaan hyödyntää myös seuraavan sukupolven EISCAT3D-tutkan data-analyysissä, mikä mahdollistaa elektronipresipitaation ja revontulien tutkimisen ennennäkemättömillä resoluutioilla. Työssä määritetyt elektronipresipitaation todennäköisyydet Tromssassa auttavat myös suunniteltaessa tulevia tutkahavaintoja EISCAT ja EISCAT3D tutkilla.