Météorologie de l’Espace: Le système Ionosphère-Thermosphère

Chantal Lathuillère – Janvier 2009 -Paris

Contexte

Etudes au PNST

- la thermosphère

Dudok de Wit- 2001

Freinage satellites

Communications

Localisations

La thermosphère est un lieu priviligié de la dissipation de l’énergie d’un évènement solaire

Daily Average Power Values for Solar Cycles 21-23

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004

Year

Po

wer

(G

W)

Jul 14 Mar 13 Oct 21 Jun 6 Jul 13 May 10 Jul 14 Mar 31 Nov 6 & 24 1982 1989 1989 1991 1991 1992 2000 2001 2001

Solar PowerTotal Power

Joule Power

Particle Power

Knipp et al. 2004

Les processus physiques sont relativement bien connus et décrits :

- modélisation physique de l’ionosphère

- modèle de circulation générale (GCM) du système ionosphère-thermosphère

Mais les entrées d’énergie et de quantité de mouvement dans le système ne le sont pas (résolution spatiale et temporelle)

- Utilisation de proxis, de modèles empiriques

Le système Ionosphère - Thermosphère

• Modélisation Ionosphérique TRANSCAR

CESR / LPG / LPCE

modèle global de convection magnétosphérique

IMM

• Modélisation semi-empirique de la Thermosphère

mg

kTH

iii H

dz

T

Tnn exp0

0

Développement en harmonique sphérique

Variables: Lat, Long

Date et LT: variations annuelles à ter-diurnes

Flux solaire: F10.7 et l'activité magnétique: Ap ou Kp.

)(exp)()( 00 zzsTTTzT

120 km

Modèles récents: NRLMSISE-00, DTM2000, JB2006 et JB2008Utilisation de nouveaux indices pour le flux solaire et l’activité magnétique.JB2008 doit être inclut dans les modèles standards de référence et normes ISO sans aucune validation par la communauté internationale.

• Activités au sein du PNST:

- Groupe GMI: du Soleil à la TerreOrage de mai 2003

recherche de paramètres pertinents pour décrire et comparer les évènements

- Modélisation du flux solaire EUV

- Modélisation physique de l’ionosphère et confrontation avec des données en particulier celles des radars EISCAT

- Participation au Groupe de travail Thermosphère (initiative du GRGS/CNES)

but: un nouveau modèle thermosphérique DTMamélioration de la description de la phase et de l’amplitude des orages

moyen: La mesure du freinage atmosphérique du satellite géodésique CHAMP

par l’accéléromètre STAR donne accès à la densité totale.

CME of 14 August 2003 Storm of 18 August : DST=-148 (Zhang et al. 2007)speed : 378 km/s

CHAMP: Density along the orbit at about 400 km altitude

3 days in August 2003

Observations de la densité totale vers 400km d’altitude

TOTAL MASS DENSITY at the satellite altitude (10-12 kg/m3) and its projection on the first component of the SVD analysis

10 LT

Reference model: NRLMSISE-00with MgII and Ap=4

Projection on the first component :large scale spatial variations are captured by the first principal component

time variations are captured by the associated projection coefficient: C1.

- Variations avec le flux solaire

Le cycle de 27 jours n’est pas correctement modélisé

- Variations avec l’activité magnétique

Disturbance coefficient =Observed thermospheric coefficient

Reference thermospheric coefficient

Comparaison avec les modèles: résultats statistiques

NRLMSISE-00 JB2006

High solar flux Day-time 0.99 0.51

Night-time 1.10 0.78

Low solar flux Day-time 1.41 0.72

Night-time 1.50 0.88

Assuming a linear fit between CHAMP disturbances and predicted ones, it is possible to assess the

underestimation (or overestimation) of the disturbances by the models, for activity levels up to kp = 6

Low

Sol

ar f

lux

Hig

h S

olar

flu

x

Day time:10h <LT<18h

Night time:22h< LT< 6h

DataModel

NRLMSISE-00 JB2006NRLMSISE-00 JB2006

Champ day time data

Champ night time data

NRLMSISE-00 prediction

JB2006 prediction

LT

Comparaison avec les modèles: évènements importants

Problèmes d’amplitude et de phase de la perturbation

Phase of the thermosphere disturbancesDay-time Night-time

Disturbances occurs often slightly later on the night side than on the day side of the Earth. They may also occur later in the evening sector than in the morning sector.

These phase differences can not be described using 3-hour indices.

Nouveaux indices géomagnétiques5 4 3 2 1

1

- Meilleure résolution spatiale:

“Longitude sector indices”

- Meilleure résolution temporelle:

Indices alpha basés sur la moyenne quadratique de l’activité magnétique irrégulière sur 15 minutes à 3 heures.

Des indices préliminaires seront calculés avec un délai minimum (24heures) par le services des indices (du LATMOS).

What do geomagnetic indices monitor ?

Polar Cap (PC) index (1-minute basis):Network: one near-pole observatory in each hemisphere

representative for the magnitude of the transpolar potentiel.

Dst (1-h basis) and SYM-H (1-minute basis) indices: network: low and mid latitude observatories evenly distributed

in longitudemonitors the axi-symmetric part of the magnetospheric

currents, including mainly the ring current, but also the magnetopause Chapman-Ferraro current.

am and ap planetary indices (3-hour basis):network: subauroral latitude observatories. The am network s

evenly distributed in longitude in both hemispheres.

representative for the overall average energetic state of the magnetosphere.

Longitude sector indices (3-hour basis):subsets of the am network.

representative for the magnetic activity in given longitude sector at given LT.

am

ap

SYM-H

Sorties de TRANSCAR

• densité électronique• températures electroniques et ioniques• vitesse ionique• composition ionique• TEC, hmF2, NmF2• Rayonnement Oxygène Atomique

Directement comparable avec les données EISCAT/ESR

(After Blelly et al. 2005)

Exemple: 16-17 February 1997

EISCAT UHF (//B) TRANSCAR + AMIE