Ionosfäärivirtojen tutkimuksia Swarm-satelliitteja hyödyntäen

Väitöstyössä tutkittiin korkeiden leveysasteiden ionosfäärin virtajärjestelmiä pohjoisella ja eteläisellä pallonpuoliskolla. Tärkein tavoite oli tutkia tilastollisesti geomagneettisen aktiivisuuden, vuodenaikojen ja aurinkotuulen magneettikentän (IMF) vaikutusta virtoihin sekä erityisesti pallonpuoliskojen väliseen epäsymmetriaan. Väitöskirjassa hyödynnettiin Euroopan avaruusjärjestö ESAN Swarm-A- ja Swarm-C -satelliittien tekemiä magneettisia mittauksia. Ionosfäärin virrat laskettiin magneettisista mittauksista käyttämällä elementaarivirta-analyysiä (SECS). Pallonpuoliskojen väliset erot datajakaumassa pyrittiin minimoimaan käyttämällä tilastollista bootstrap-menetelmää. Tärkeimmät tulokset ovat seuraavat.

Keskimäärin pohjoisella pallonpuoliskolla on voimakkaampia virtoja kuin eteläisellä. Pallonpuoliskojen välinen epäsymmetria on suurempaa matalan geomagneettisen aktiivisuuden aikana (Kp<2) kuin korkean aktiivisuuden aikana (Kp≥2). Matalan aktiivisuuden aikana kentänsuuntaisten virtojen (FAC) suhde pohjoisen ja eteläisen pallonpuoliskon välillä on 1.12, kun korkealla aktiivisuudella se on 1.02. Epäsymmetria on myös suurempaa paikallisen talven ja syksyn aikana kuin kesän tai kevään aikana. Myös tällöin pohjoisen pallonpuoliskon virrat ovat voimakkaampia kuin etelässä.

Sähkönjohtavuuden roolia virtojen epäsymmetrian selittäjänä tutkittiin, mutta auringonvalosta aiheutuvassa taustajohtavuudessa ei esiinny samanlaista epäsymmetriaa kuin virroissa. Johtavuuksia laskettaessa käytetyt IRI- ja MSIS-mallit eivät kuitenkaan tuota näkyvää revontuliovaalia, joten revontuliin liittyvän hiukkaspresipitaation aiheuttaman sähkönjohtavuuden roolia ei pystytty arvioimaan.

Tutkimuksessa huomattiin, että IMF:n suunnalla on voimakas vaikutus ionosfäärivirtojen epäsymmetriaan pallonpuoliskojen välillä, mutta tämä vaikutus riippuu vuodenajasta. Pallonpuoliskojen epäsymmetria on voimakkaampaa, kun IMF By on positiivinen pohjoisella pallonpuoliskolla ja negatiivinen eteläisellä kuin päinvastoin. Tämä on voimassa riippumatta IMF: z-komponentin suunnasta. Suurin epäsymmetria havaittiin paikallisen talven ja syksyn aikana, kun IMF By on positiivinen pohjoisessa ja negatiivinen etelässä. Tällöin pohjoisella ja eteläisellä pallonpuoliskolla mitattujen kentänsuuntaisen virtojen suhde on noin 1.18.

Ionosfäärin sähkökentän roolia pallonpuoliskojen välisessä epäsymmetriassa tutkittiin laskemalla napakalotin potentiaalieroa (CPCP) kokeellisen SuperDARN (Super Dual Auroral Radar Network) -dataan perustuvalla mallilla. Tulokset osoittavat, ettei sähkökenttä selitä virtojen epäsymmetriaa pallonpuoliskojen välillä. Tulokset kuitenkin osoittavat, että IMF By-komponentin aiheuttama virtojen vaihtelu, eli niin sanottu eksplisiittinen By-efekti, on kummallakin pallonpuoliskolla erikseen sopusoinnussa CPCP:n vaihteluiden kanssa, kun IMF:n Bz-komponentti on positiivinen, lukuun ottamatta eteläisen pallonpuoliskon päiväntasauksia ja pohjoisen kesää. Keskimäärin By+ pohjoisella pallonpuoliskolla ja By- eteläisellä aiheuttaa suuremmat virrat kuin päinvastainen tilanne.

Niiden tekijöiden ja fysikaalisten mekanismien selvittäminen, jotka saavat aikaan havaitun pallonpuoliskojen välisen epäsymmetrian korkeiden leveysasteiden ionosfäärivirroissa, tarvitsee lisää tutkimusta. Erityisesti revontuliin liittyvän hiukkaspresipitaation synnyttämän sähkönjohtavuuden rooli virtojen epäsymmetriassa eri vuodenaikoina kaipaa tarkempaa selvitystä. Tähän tarvitaan sekä mittauksia että mallinnusta.