Tez Arşivi

Tez aramanızı kolaylaştıracak arama motoru. Yazar, danışman, başlık ve özetlere göre tezleri arayabilirsiniz.


İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Meteoroloji Mühendisliği Anabilim Dalı / Atmosfer Bilimleri Bilim Dalı

2018

A study on upper atmospheric joule heating using observations and coupled models and a space weather consequence: Geomagnetically induced currents

Yukarı atmosfer joule ısınmasının gözlem ve uzay havası modelleri kullanarak kapsamlı incelenmesi ve bir uzay havası uygulaması: Jeomanyetik akımlar

Bu tez, YÖK tez merkezinde bulunmaktadır. Teze erişmek için tıklayın. Eğer tez bulunamazsa, YÖK Tez Merkezi'ndeki tarama bölümünde tez numarasını arayabilirsiniz. Tez numarası: 540000

Tezi Bul
Özet:

Uzay havasının yer ve uzay konuşlu günümüz teknolojik altyapısı üzerine doğrudan etkileri vardır. Uzun vadede, uçaklardaki kabin ekibi ve uzaydaki astronotların da sağlıklarını etkilemektedir. Bu nedenle, uzay havasının Dünya yüzeyine ve yere yakın Uzay ortamına olabilecek etkilerinin ve bu etkilerin sınırlarının belirlenmesi büyük önem taşımaktadır. Bu çalışmada, uzay havasının yukarı atmosfere ve yer seviyesinde jeomanyetik olarak üretilmiş (geomagnetically induced currents-GICs) akımlara etkisi çalışılmıştır. Takriben, bu tez çalışması üç ana bölümden oluşmaktadır: 1) Joule ısınması için literatürdeki daha önce yapılmış çalışmalarda kullanılmış yöntemlerin araştırılması ve birbirleriyle karşılaştırılması 2) jeomanyetik fırtınalar ve mikrofırtınalar esnasında yükselen termosferik nötral sıcaklıkların bir sonucu olarak artan termosferik nötral yoğunluk değişimlerinin incelenmesi 3) Bozcaada, Çanakkale'de (coğrafi koordinatlar: 37.5K, 106D) kurduğumuz bir manyetotellürik istasyonun verisini kullanarak aşağı-orta enlemlerde jeomanyetik olarak üretilmiş akımların (JOÜA) tespit edilmesi ve nicelleştirilmesi. Joule ısınması (JI) iyonosferik seviyelerde nötraller ve iyonların çarpışması sonucunda ortaya çıkan sürtünme kaynaklı ısınmadır. JInın tam olarak belirlenebilmesi, anlık olarak elektrik alan, iyonosferik iletkenlik, termosferik nötral rüzgar ve ortamdaki manyetik alanın, ya da ikinci bir yaklaşımla; aynı anda iyonosferik iletkenliğin, nötral ve iyon hızlarının bilinmesini gerektirir. Literatürde, nötral rüzgarın katkısının düşük olduğu varsayılarak yapılan çalışmalar da mevcuttur. Çalışmamızda, JIyı nötral rüzgar etkileri dahil edilmiş ve edilmemiş olarak iki türlü hesaplamaktayız. Nötral rüzgar etkisi içermeyen hesaplarımız için çaprazlama birleştirme yöntemi kullanılmıştır. Elektrik alan için gözlemsel radar datası ve bir manyetohidrodinamik modelin iyonosferik elektrodinamik modülü (MHD-IE) çıktısı; iyonosferik iletkenlikler için ise amprik bir model ve yine MHD-IE modülü verilerini değişimli kullanarak hesaplamaktayız. JI hesaplarında en çok kullanılan indis-bazlı yöntemler de çalışmamızda mercek altına alınmıştır. Amacımız, küresel bir gözlem ağının yokluğunda Joule ısınması için en iyi sonuçları veren alternatif yöntemleri ortaya koymaktır. Gözlemsel elektrik alan verisi Super Dual Auroral Radar Network (SuperDARN) radarlarından ve manyetohidrodinamik model verisi, Space Weather Modeling Framework/Block-Adaptive-Tree-Solarwind-Roe-Upwind-Scheme'den (SWMF / BATSRUS - buradan sonra sadece BATSRUS olarak anılacaktır) gelmektedir. İletkenlikler BATSRUS-IE modülünden ve OVATION Prime + Uluslararası Referans İyonosfer 2012 (International Reference Ionosphere 2012-IRI2012) modelinden alınmıştır. Nötral rüzgar içermeyen hesaplamalarda, Akasofu'nun Epsilon parametresi baz alındığında, Joule ısınması maksimum değeri için bütün yöntemlerin 10 ila 20 dakika arasında değişen gecikmeler ortaya koyduğunu bulduk. Bununla birlikte, AE indisine dayalı olan dolaylı (proxy) yöntem, 20 dk ila 1.5 saat arası değişen en uzun gecikmeleri göstermektedir. Nitelik olarak baktığımızda, tüm yöntemler benzer değişimler göstermiştir. AE proxy yöntemi en yüksek, IRI2012 modeli iletkenliklerini kullanan yöntemler ise en düşük Joule ısınması değerlerini sergilemişlerdir. SuperDARN ve BATSRUS elektrik alanı kullanan yöntemler arasındaki farklar gece sektöründe radar gözlemi olması durumunda birbirine daha yakın sonuçlar vermiştir. Tezin ikinci kısmında, güncel amprik ve fizik bazlı iyonosfer-termosfer modellerinin GEM-CEDAR topluluklarının seçtikleri olaylar için termosferik nötral yoğunluk tahminleri incelenmiştir. CHAMP (Challenging Minisatellite Payload) uydusu gözlemleri kullanılarak modellerin hata farkları nicelleştirilmiştir. Etkileşimli iyonosfer-termosfer modelleri ve amprik modeller farklı nötral yoğunluk klimatolojileri ve manyetik fırtınaya farklı tepkiler vermektedirler. Nötral yoğunluk üzerindeki manyetik fırtına etkilerinin klimatoloji üzerine bindiği gözlenmiştir. Sadece nötral yoğunluk maksimumu üzerine odaklanan bir hata tespit çalışması yanlış yönlendiricidir. Bu tarz bir çalışmada, klimatolojiyi daha yüksek, fakat fırtına etkisini daha az tahmin eden bir model, sonuç olarak başarılı olarak görülme riski taşımaktadır. Uydu sürüklemesinin gerçek zamanlı tahmini, fırtına zamanı etkilerin doğru nicelleştirilmesine ve tahmin edilmesine bağlıdır. Takiben, çalışmamızın bu aşamasında model klimatolojisi ile termosferin manyetik fırtınaya cevabını ayırmak için çeşitli teknikler uyguladık. Hem CHAMP verileri, hem model çıktıları için fırtına öncesinde tespit edilen manyetik aktivitesiz zamanlar göz önüne alınarak referans hatları oluşturulmuştur. Veriler bu referans hatları kullanılarak kaydırılmış ve manyetik fırtına kaynaklı değişimler ortaya çıkartılmıştır. Model performanslarında, sakin dönem klimatolojisinden farkı olan modeller için %113'e varan iyileşmeler kaydedilmiştir. Fizik temelli modellerin düşük KPli olaylar için en kötü, KP yükseldikçe ise daha iyi tahmin yapabildikleri gözlenmiştir. Manyetik fırtınanın kaynağının Koronal kütle atılımı (KKA, coronal mass ejection: CME) ya da eşdönüşlü etkileşim bölgesi (EEB, corotating interaction region: CIR) olması model performansını etkilememektedir. Nötral yoğunluklar yeterli biçimde hesaplanabilmektedir. Amprik modeller klimatolojiyi tahmin etmekte başarılıdırlar. Bu nedenle fırtına-zamanı nötral yoğunlukları referans hattı kaydırmasından fazla etkilenmemektedir. Ancak, nötral yoğunluk maksimumuna yüksek yaklaşıklıklar gösterseler dahi, cevap eğrilerinin gözlemlenen yoğunluk değişimlerinden hayli farklı oldukları görülmektedir. Uydu sürüklemesinin gerçek zamanlı hesaplamaları için, klimatolojinin ayrılması ve ensemble (toplu-model) yaklaşımının beraber kullanımlarını önermekteyiz. İlaveten, Joule ısınması ve nötral yoğunluk değişimleri için doğrusal regresyon kullanarak basit bir model oluşturulmuştur. Fizik bazlı modellerin JI tahminleri ve CHAMP nötral yoğunluk gözlemlerinin arasındaki bağlantıya bakılmıştır. Çalışmamızın son kısmında, jeomanyetik olarak üretilmiş akımların aşağı-orta enlemlerdeki özelliklerini belirlemek amacıyla Türkiye'de kaydedilen elektrik ve manyetik alan ölçümleri incelenmiştir. Bozcaada, Çanakkale (coğrafi koordinatlar: 37.5K, 106D) bölgesinde bir elektrometre ve bir manyetometrenin de dahil olduğu bir manyetotellürik istasyon kurulmuştur. Manyetik hareketlilik esnasında yüksek elektrik alan ve manyetik alan değişimleri gösteren vakalar ileri inceleme için seçilmiştir. Manyetik aktivitenin etkisi manyetik alanın yatay bileşeninin türevlerinin değişimi ve arkaplan manyetik ve elektrik alanlardan sapmasının bulunması yoluyla incelenmiştir. Manyetik alan verisinde Sq akımının etkisi, arkaplan salınımına kübik spline eğrileri oturtularak veriden çıkartılmıştır. KP ve Dst indisleri kullanılarak seçilen kuvvetli manyetik aktivite esnasında, manyetik alan bileşenleri ve türevlerinde ve elektrik alan bileşenlerinde yüksek frekanslı, kuvvetli dalgalanmalar tespit edilmiştir. Bulunan bu dalgalanmalar sakin bir günün manetik alan ve elektrik alan salınımı ile karşılaştırılmıştır. Manyetik ve elektrik alan bileşenlerinin birbirleriyle olan yakın ilişkisi gösterilmitşir. Elektrik ve manyetik alan bileşenlerinde manyetik fırtına fazlarına göre iki farklı tipte değişim gözlenmiştir: başlangıç ve ani başlangıç fazına denk gelen salınımlar ve manyetik fırtına ana fazına denk gelen salınımlar. Başlangıç ve ani başlangıç fazlarında ortaya çıkan salınımların koronal kütle atılımı olayları nedeniyle artan dinamik basınca bağlı olarak meydana geldiği düşünülmüştür. Bütün olaylar, KKA nedeniyle güneşaltı manyetopozun sıkışmasına karşılık olarak yükselen manyetik ve elektrik alan değerleri sergilemiştir. Enlemlerimizde JOÜAların manyetik fırtına başlangıç ve ana fazıyla ilişkili olduğu gösterilmiştir. Sonuç olarak, bu tez çalışmasında, manyetik olarak hareketli zamanlar için termosferik Joule ısınması ve termosferik nötral yoğunluk değişimlerini tahmin etmekteki güncel kapasitemizi analiz ettik. Avrasya bölgesinde ilk defaya mahsus olarak JOÜAları tespit etmek üzere elektrik ve manyetik alan değişimleri incelendi. Çalışmamız uzay havasının termosferik yüksekliklere ve yer seviyesine etkilerinin anlaşılmaları ve modellenmeleri konusundaki araştırmalara katkıda bulunmayı amaçlamıştır.

Summary:

Space weather has immediate consequences on today's space borne and ground-based technological infrastructure. In the long term, it, as well, affects the health of the aircrew on aircraft and astronauts on space missions. Thus, it is essential to quantify the extent and limits of space weather effects on Earth and near-Earth space environment. In this work, we study the space weather effects on the upper atmosphere and ground level during geomagnetically disturbed time intervals. Following, this thesis comprises three main parts: 1) investigation and comparison of different methods and data that were separately used and presented for JH in previous studies in the literature, 2) thermospheric neutral density variations that occur in response to the elevated temperatures during geomagnetic storms and substorms, 3) detection and initial quantification of low to mid-latitude geomagnetically induced currents using a magnetotelluric station located at Bozcaada, Çanakkale (in geographic coordinates: 37.5oN, 106oE). JH is the frictional heating that arises from the collisions between the neutrals and ions in the ionospheric levels. Thus, it is crucial to have exact information on both species to be able to calculate JH precisely. Its exact determination depends on the simultaneous knowledge of the ionospheric electric fields, conductances, thermospheric neutral wind and ambient magnetic fields or in a second approach, conductances, ion drifts and neutral wind at the high latitudes. Previously, some studies were also conducted by assuming that the neutral wind contribution is negligible. In our study, we investigate the JH with and without the neutral wind effects. For the calculations not involving the neutral wind, we get use of combinative methods. Electric field data from radars and an MHD model and conductance data from ionospheric electrodynamics (IE) module of an MHD model and an empirical model are combined interchangeably to calculate the JH. The most used indice-based methods are also investigated. Our aim is to present the alternative methods that give the best estimate for the JH rate in the absence of the global observations of the parameters needed for the calculation. Observational electric field data comes from Super Dual Auroral Radar Network (SuperDARN) radars and MHD model output is from the Space Weather Modeling Framework/Block-Adaptive-Tree-Solarwind-Roe-Upwind-Scheme (SWMF/BATSRUS, hereafter will be referred to as BATSRUS) model, whereas the conductances come from BATSRUS-IE and OVATION Prime + International Reference Ionosphere 2012 (IRI2012) models. For the calculations without the neutral wind, we find that with respect to the variations in Akasofu's Epsilon parameter, all combinative methods show a time lag varying between 10 to 20 minutes for the peak JH. However, the proxy method, which is based on the AE index, shows the maximum time lag, which varies between 20 minutes to 1.5 hour. Qualitatively, all methods exhibit similar variations. AE proxies show the highest rate of JH while the combinations with International Reference Ionosphere 2012 (IRI2012) conductances result in the lowest. The differences between the combinations with SuperDARN and BATSRUS electric fields are the smallest when SuperDARN has data in the midnight sector. In the second part of this thesis, we investigate the neutral density estimations from the empirical and physics-based IT models for GEM-CEDAR challenge events. We quantify the amount of errors using the neutral density observations from the Challenging Minisatellite Payload (CHAMP) satellite. We show that coupled ionosphere-thermosphere models and empirical models of the ionosphere give different neutral density climatologies and responses during geomagnetic storms. The storm effects are found as superimposed on the climatology. A performance assessment solely on the neutral density maxima leads to misleading performance assessments. A model overestimating the climatology but underestimating the storm-time response might well end up with a good performance record. Real time estimation of the atmospheric drag heavily relies on estimating the storm-time responses right. Following, we apply several techniques to separate the model climatology and storm-time response of the thermosphere from each other. Baselines for the thermospheric neutral densities are determined using the quiet periods preceding geomagnetic storms for both the CHAMP observations and the models. The data were shifted to baseline levels and effects due to the magnetic storm could be extracted. We obtain increases in skill scores up to 113% for the models, which differ from the quiet time climatology. Physics-based model neutral density variations show similar tendencies with CHAMP data. Physics-based models perform the worst for the low KP events, whereas they perform better for high KP events. Either CME or CIR induced, physics-based model results capture the variations in neutral densities very sufficiently. Empirical models are good in capturing the climatology and the baseline shifts do not affect the storm-time response considerably. However, despite attaining close values to the neutral density peaks, the shapes of the response curves are substantially different. For real time calculations of the satellite drag, we suggest using ensemble approach and background removal methods together to obtain reliable neutral density estimates. Furthermore, using the baseline shift method, we investigate the relationship between Joule heating and storm-time neutral density variations. A simple model using linear regression method is constructed by relating the JH estimations of the physics-based models of the thermosphere with CHAMP satellite neutral density observations. In the last part of our work, we study the magnetic and electric field characteristics of the GICs at mid-latitudes using electric field and magnetic field observations in Turkey during the geomagnetically active intervals. A magnetotelluric station consisting of an electrometer and a magnetometer were set up in Bozcaada, Çanakkale (37.5N, 106E). Several cases that show large electric and magnetic field fluctuations during geomagnetic disturbances are selected. The effects of geomagnetic activity are studied using the time derivatives of horizontal component of the magnetic field and the deviations in the magnetic and electric field components from the quiet background. In magnetic field data, quiet day Sq variations are removed using cubic spline fits. Similarly, the magnitude of the deviations in the electric field are determined by subtracting the background electric field determined by using cubic spline. Corresponding to the strong geomagnetic activity identified using KP and Dst indices, high frequency, strong fluctuations in the magnetic field, its derivatives, and electric field are observed. These fluctuations in horizontal magnetic and electric field are compared with those seen during a magnetically quiet day. The close association between the fluctuations of the time derivatives of the horizontal magnetic field and electric field components are demonstrated. Two types of variations in the electric and magnetic fields corresponding to the different phases of the geomagnetic activity are identified: those corresponding to the initial phase including the sudden commencement and those to the main phase of the geomagnetic storm. The fluctuations in both magnetic field and electric field corresponding to the sudden commencement and the initial phase indicate the effects of magnetopause currents driven by the large solar wind dynamic pressure as associated with the coronal mass ejection (CME) events. Each event shows increased levels of ground level magnetic and electric field fluctuations corresponding to the CME compression at the subsolar magnetopause. High frequency, large fluctuations continue subsequently during the main phase in the presence of the geomagnetic storms. GIC occurrences in our latitudes are shown to be associated with the sudden commencement and main phase of the geomagnetic storm activity. To conclude, in this thesis, we analyse our current capabilities of estimating the thermospheric Joule heating and neutral density variations during geomagnetically disturbed intervals. For the first time, the magnetic and electric field variations during geomagnetically active intervals are determined in the Eurasia region for the detection of GICs. Our study aims to contribute to the worldwide understanding and modelling efforts on the space weather effects on the thermospheric altitudes and the ground level.