Recent Auroral Research

Recent Auroral Research A little something for everyone Björn Gustavsson, Department of Physics, University of Tromsø Recent Auroral Research p. 1/1

Flickering aurora Recent Auroral Research p. 2/1

Under 8 har vi slutfört ett par studier om så kallat flickering aurora, som är intensitetsvariationer snabbare än 5 Hz. I den ena delrapporten [1] så lyckades vi visa att sådana roterande och virvlande mönster som vi observerat, direkt följer från en av de två föreslagna teorierna (En modell ( Temerin-Sakanoi ) där intensitetsvariationerna orsakas av interfererande Alfvénvågor), medans den andra teorin, som förklarar modulationen med en tidsvarierande accelerationspotential, inte kan åstadkomma några liknande förutsägelser. Detta tar vi som en falsifikation av accelerationspotentialteorin, åtminstonne tills någon kan visa att den teorin också medför liknande virvelstrukturer. I den andra delrapporten [2] så använde vi variationerna i ljusintensitet till att synkronisera data från EISCAT Svalbard Radar. Genom att integrera radarpulser som mottas i samma fas av den optiska intensitetsvariationen kan man nå en tidsupplösning på -20 ms med radar. Detta gjorde det möjligt att undersöka hur jonosfären påverkas av så snabba variationer ( 0.01 s) i elektronnederbörd. Det har tidigare inte gjorts för snabbare variationer än ca 1 s. 2-1

Black Aurora DASI@EISCAT T 19:54:17 20:01:30 20:24:19 21:24:19 21:28:56 21:42:30 160 altitude (km) 140 120 0 80 5 6 6 n e (cm 3 ) 6 6 6 e flux (cm 2 s 1 ev 1 ) 5 0 20 40 0 20 40 0 20 40 0 20 40 energy (kev) 0 20 40 0 20 40 Recent Auroral Research p. 3/1

Under året har vi också slutfört en studie [3] om svart norrsken, dvs smala mörkare strukturer i diffust norrsken, som ofta uppträder efter kraftiga magnetosfäriska stormar. I ett internationellt samarbetsprojekt mellan Norge, Sverige och Storbritannien, lyckades vi kombinera mätningar, med radar (EISCAT), video (Odin (N), DASI (Uk)), och spektrala optiska mätningar (ALIS (S)) så lyckades vi visa att den traditionella teorin, som hävdar att de mörkare områdena orsakas av nedåtriktade E- fält ovanför jonosfären som hindrar elektroner från att tränga ner och excitera norrsken, inte stämmer för det stabila svarta norrskenet vi observerade. Under Februari-Mars 9 så deltar vi i en kombinerad raket/radar/optisk kampanj kring Poker Flat, Alaska för att studera skillnader mellan olika typer av svart norrsken. 3-1

Black Aurora 21:33:28 4500 4000 3500 4278 150 0 Rayleighs 0 0 0 1500 50 00 500 21:33:32 0 50 0 150 0 0 8446 150 0 Rayleighs 0 1500 50 00 500 0 50 0 150 3500 4278 150 0 Rayleighs 0 0 0 1500 50 00 500 50 0 150 21:33:36 0 50 0 150 Recent Auroral Research p. 4/1

Heating experiment Genom att sända ut radiostrålar med hög effekt är det möjligt att utföra repeterbara och kontrollerade experiment på norrskensjonosfären. Det har lett till en allt mer detaljerad fenomenologi över vilka signaturer som jonosfären ger ifrån sig när man sänder ut olika typer av radiopulser och under vilka omständigheter. Den teoretiska förståelsen för vad som händer har också tagit stora steg framåt. Men en kärnfårga återstår: Hur accelereras elektronerna till energier höga nog för att jonisera atomer och molekyler i termosfären. Under de senaste åren har en serie experiment utförts i Tromsø vid EISCAT, och i Alaska vid HIPAS och HAARP. EISCAT, HAARP och HIPAS är forskningsanläggningar med radiosändare med hög effekt som kan användas för att sända radiostrålar med frekvens från 2.6 till 8 MHz för jonosfärsexperiment 4-1

Heating Experiment 500 log electron concentration (m 3 ) 12 altitude (km) 400 11.5 11.5 9.5 0 500 1800 18 1820 1830 1840 1850 1900 19 1920 1930 1940 electron temperature (K) 9 3500 altitude (km) 400 0 0 0 1500 00 0 1800 18 1820 1830 1840 1850 1900 19 1920 1930 1940 Time (UT) 500 Recent Auroral Research p. 5/1

Heating experiment Under året har vi lyckats ta ett ordentligt steg framåt genom att göra de bästa uppskattningarna [4] hittills av hur radiovågorna accelererar jonosfärselektronerna i området runt reflektionshöjden. Det gjordes genom att kombinera mätningar av elektrontäthet och temperatur gjorda med EISCAT UHF radar och optiska mätningar av konstgjort norrsken i fyra norrskensemissioner i en avancerad modell som tar hänsyn till elektronacceleration och transport. 5-1

Heating Experiment 70 Steady state enhancements Column emission rates (R) 60 50 40 30 20 4278 5577 6 8446 0 1800 18 1820 1830 1840 1850 1900 19 1920 1930 Time (UT) Recent Auroral Research p. 6/1

Dessa resultat ger uppskattningar av det radio-pumpaccelererade elektronspektrat. Schematiskt kan electronspectrat beskrivas som termiskt upp till 2 ev (Te 3500 vilket motsvarar en termisk energi på 0.35 ev) från 2 till ca 3-4 ev är electronflödet reducerat, framförallt på grund av energiförluster i kollisioner med N 2, och från 4 ev är det en accelererad svans upp till mer än 0 ev. 6-1

Heating Experiment 18:04 15 14 12 8 6 flux (/evm2s) 350 18:16 15 14 12 8 6 flux (/evm2s) 350 15 14 350 12 8 6 flux (/evm2s) altitude (km) 18:28 18:40 15 14 12 8 6 flux (/evm2s) 350 19: 15 14 350 8 6 1 Energy (ev) 2 flux (/evm2s) 12 1 2 Energy (ev) Recent Auroral Research p. 7/1

Dessa uppskattningar kan användas till att räkna ut intensitetsförhållanden mellan olika emissioner, och deras höjdfördelning. De förutsägelser av höjdvariationen konstgjort norrsken vi kunnat test (6 och 5577 Å), visade sig stämma rimligt bra med observationer som vi gjort under en experimentkampanj under Mars 7 vid HIPAS, Alaska [5]. Där gjorde vi optiska mätningar av konstgjort norrsken från två stationer, vilket gjorde det möjligt att bestämma det konstgjorda norrskenets höjdvariation i de två ljusstarkaste emissionerna (grönt vid 5577 Å och rött vid 6 Å). 7-1

Heating Experiment RIOE at 5577 A x 5 RIOE at 6 A x 6 05:33; x = 21.0 x = 24.0 3.5 18 16 3 Altitude (km) 05:39; x = 24.0 14 12 8 Volume emission rate (m 3 s 1 ) x = 18.0 05:45; x = 21.0 x = 21.0 2.5 2 1.5 Volume emission rate (m 3 s 1 ) 6 1 4 05:51; x = 18.0 2 x = 15.0 0.5 0 0 50 0 50 0 50 0 50 North of HIPAS (km) 0 Recent Auroral Research p. 8/1

Heating Experiment 270 Pulse 05:32 05:34 Pulse 05:44 05:46 260 240 Altitude (km) 230 220 2 190 180 170 160 0 1 2 3 0 1 2 3 x 6 x 6 Volume emission rate (m 3 s 1 ) Recent Auroral Research p. 9/1

Vi har också lyckats visa att elektronaccelerationen variera beroende på om den utsända radiofrekvensen är under, på eller just över en dubbelresonans, där pumpfrekvensen är identisk med både en multipel av elektrongyrofrekvensen och övre hybridfrekvensen på samma höjd. Det vi såg var att emissionerna från atomärt oxygen med förhållandevis låga excitationströsklar var ungefär lika starka över och under, medans emissionen från N 2 + med högre excitationströskel bara var tydlig när pumpfrekvensen var just över dubbelresonansfrekvenser [6]. 9-1

Heating Experiment Recent Auroral Research p. /1

Dessutom har vi deltagit i en serie experiment vid HAARP, Alaska. De mest framträdande resultaten från de experimenten är: observationer av jonosfärens respons på en radiostråle med spinn [7], observationer som visar att plasmaturbulens som drivs av radiovågor med cirkulärpolarisation (vänster) kan undertryckas av högerpolariserade radiovågor [8]. -1

Heating Experiment 70 60 Photometer measurement of I 6 enhancements I 6 X+O O 50 I 6 (counts) 40 30 20 0 0405 0408 04 0413 0415 0418 0420 time (UT) Recent Auroral Research p. 11/1

Heating Experiment 70 60 Photometer measurement of I 6 enhancements I 6 X+O O 50 I 6 (counts) 40 30 20 0 0405 0408 04 0413 0415 0418 0420 time (UT) 04:14:45 04:15:00 04:15:15 04:15:30 04:15:45 04:16:00 04:16:15 04:16:30 04:16:45 04:17:00 04:17:15 04:17:30 04:17:45 04:18:00 HAARP043 0.06 0.04 0.02 0 0.02 0.04 Intensity (counts) 0 50 0 Total enhanced red line intensity 0415 0416 0417 0418 0419 Time (UT) Recent Auroral Research p. 12/1

Heating Experiment 400 log electron density 350 150 0 11 9 8 (/m 3 ) Altitude (km) 400 350 150 0 Electron temperature 0 0 0 1500 00 500 (K) 400 350 150 Ion temperature 1 10 00 900 800 700 600 (K) 0 1 1315 1330 1345 1400 1415 1430 1445 1500 Time (UT) 500 Recent Auroral Research p. 13/1

Dessutom har ett antal experiment med EISCAT Heating genomförts som visar att reflektion av radiovågorna inte krävs för att elektrontemperaturen tillfälligt ska kunna höjas med 700-800 grader över bakgrundstemperaturen. Enligt våra preliminära beräkningar så Detta kommer att utnyttjas för att undersöka hur energi överförs från jonosfärens elektroner till atomer och molekyler i den yttersta atmosfären. 13-1

Heating Experiment Frequency (MHz) 8 7 6 5 4 3 f O F2 and pump frequency O O O Frequency (MHz) 1 1315 1330 1345 1400 1415 1430 1445 1500 5 4 3 2 1 Frequency difference 0 1 1315 1330 1345 1400 1415 1430 1445 1500 Time (UT) Recent Auroral Research p. 14/1

Heating Experiment Observed T e (K) altitude (km) 0 0 0 1500 00 K 500 Modeled T e (K) altitude (km) 150 O O O 5.423 6.2 6.77 6.96 7.1 7.953 0 0 0 1500 00 500 K T e at 230 km Temperature (K) 0 0 0 O O O 1500 1 1315 1330 1345 1400 1415 1430 1445 1500 time (UT) Recent Auroral Research p. 15/1

Publications [1] Gustavsson, B., J. Lunde, and E. M. Blixt, Optical observations of flickering aurora and its spatio-temporal characteristics, J. Geophys. Res., 113, December, 8, doi:.29/8ja013515, http://www.agu.org/pubs/crossref/8/8ja013515.shtml. [2] Grydeland, T., B. Gustavsson, L. Baddeley, J. Lunde, and E. M. Blixt, Conditional integration of incoherent scattering in relation to flickering aurora, J. Geophys. Res., 113, A08,305, 8, doi:.29/8ja013039, http://www.agu.org/pubs/crossref/8/8ja013039.shtml. [3] Gustavsson, B., M. J. Kosch, A. Senior, A. J. Kavanagh, B. U. E. Brändström, and E. M. Blixt, Combined EISCAT radar and optical multispectral and tomographic observations of black aurora, Journal of Geophysical Research (Space Physics), 113, A06,308, 8, doi:.29/7ja012999, http://www.agu.org/pubs/crossref/8/7ja012999.shtml. [4] Gustavsson, B., and B. Eliasson, Hf radio wave acceleration of ionospheric electrons: Analysis of hf-induced optical enhancements, J. Geophys. Res., 113, 8, doi:.29/7ja012913, http://www.agu.org/pubs/crossref/8/7ja012913.shtml. 15-1

[5] Gustavsson, B., M. Kosch, A. Wong, T. Pedersen, C. Heinselman, C. Mutiso, B. Bristow, J. Hughes, and W. Wang, First estimates of volume distribution of hf-pump enhanced emissions at 6 and 5577 Å: a comparison between observations and theory, Annales Geophysicae, 26, 3999 4012, ISSN 0992-7689, 8, doi:.29/8gl034563, http://www.ann-geophys.net/26/3999/8/angeo-26-3999-8.ht [6] Gustavsson, B., T. B. Leyser, M. Kosch, M. T. Rietveld, Å. Steen, B. U. E. Brändström, T. Aso, Electron Gyroharmonic Effects in Ionization and Electron Acceleration during High-Frequency Pumping in the Ionosphere, Phys. Rev. Lett., 97, 195002, 6, http://link.aps.org/abstract/prl/v97/e195002. [7] Leyser, T. B., L. Norin, M. McCarrick, T. R. Pedersen, and B. Gustavsson, Radio pumping of ionospheric plasma with orbital angular momentum, Phys. Rev. Lett., 2, 065,004, 9, http://link.aps.org/abstract/prl/v2/e065004. [8] Gustavsson, B., R. Newsome, T. B. Leyser, M. Kosch, L. Norin, M. McCarrick, T. Pedersen, B. J. Watkins, First Observations of X-mode Suppression of O-mode HF Enhancements at 6 Å, Inskickad till Geoph. Res. Lett. 15-2