Recent Auroral ResearchA little something for everyone

Bjorn Gustavsson,

Department of Physics, University of Tromsø

Recent Auroral Research – p. 1/15

Flickering aurora

Recent Auroral Research – p. 2/15

Under 2008 har vi slutfort ett par studier om sa kallat flick-

ering aurora, som ar intensitetsvariationer snabbare an 5 Hz. I

den ena delrapporten [1] sa lyckades vi visa att sadana roterande

och virvlande monster som vi observerat, direkt foljer fran en av

de tva foreslagna teorierna (En modell (“Temerin-Sakanoi”) dar

intensitetsvariationerna orsakas av interfererande Alfvenvagor),

medans den andra teorin, som forklarar modulationen med en

tidsvarierande accelerationspotential, inte kan astadkomma nagra

liknande forutsagelser. Detta tar vi som en falsifikation av ac-

celerationspotentialteorin, atminstonne tills nagon kan visa att

den teorin ocksa medfor liknande virvelstrukturer. I den an-

dra delrapporten [2] sa anvande vi variationerna i ljusintensitet

till att synkronisera data fran EISCAT Svalbard Radar. Genom

att integrera radarpulser som mottas i samma fas av den op-

tiska intensitetsvariationen kan man na en tidsupplosning pa

10-20 ms med radar. Detta gjorde det mojligt att undersoka

hur jonosfaren paverkas av sa snabba variationer (≈ 0.01 s)i elektronnederbord. Det har tidigare inte gjorts for snabbare

variationer an ca 1 s.

2-1

Black Aurora

DA

SI@

EIS

CA

T T

19:54:17

0 20 40

105

e flu

x (c

m−

2 s−

1 eV

−1 )

105

80

100

120

140

160

altit

ude

(km

)

20:01:30

106

0 20 40

20:24:19

106

ne (cm−3)

0 20 40 energy (keV)

21:24:19

106

0 20 40

21:28:56

106

0 20 40

21:42:30

106

0 20 40

Recent Auroral Research – p. 3/15

Under aret har vi ocksa slutfort en studie [3] om “svart

norrsken”, dvs smala morkare strukturer i diffust norrsken, som

ofta upptrader efter kraftiga magnetosfariska stormar. I ett in-

ternationellt samarbetsprojekt mellan Norge, Sverige och Storbri-

tannien, lyckades vi kombinera matningar, med radar (EISCAT),

video (Odin (N), DASI (Uk)), och spektrala optiska matningar

(ALIS (S)) sa lyckades vi visa att den “traditionella” teorin, som

havdar att de morkare omradena orsakas av nedatriktade E-

falt ovanfor jonosfaren som hindrar elektroner fran att tranga

ner och excitera norrsken, inte stammer for det stabila svarta

norrskenet vi observerade. Under Februari-Mars 2009 sa deltar

vi i en kombinerad raket/radar/optisk kampanj kring Poker Flat,

Alaska for att studera skillnader mellan olika typer av svart

norrsken.

3-1

Black Aurora21:33:28

4278

50

100

150

200

250

21:33:32

8446

50

100

150

200

250

21:33:36

4278

50 100 150 200 250

50

100

150

200

250

50 100 150 200 2500

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Ray

leig

hs50 100 150 200 250

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Ray

leig

hs

50 100 150 200 2500

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

Ray

leig

hs

Recent Auroral Research – p. 4/15

Heating experiment

Genom att sanda ut radiostralar med hog effekt ar det mojligt att

utfora repeterbara och kontrollerade experiment pa norrsken-

sjonosfaren. Det har lett till en allt mer detaljerad fenomenologi

over vilka signaturer som jonosfaren ger ifran sig nar man sander

ut olika typer av radiopulser och under vilka omstandigheter.

Den teoretiska forstaelsen for vad som hander har ocksa tagit

stora steg framat. Men en karnfarga aterstar: Hur accelereras

elektronerna till energier hoga nog for att jonisera atomer och

molekyler i termosfaren.

Under de senaste aren har en serie experiment utforts i

Tromsø vid EISCAT, och i Alaska vid HIPAS och HAARP.

EISCAT, HAARP och HIPAS ar forskningsanlaggningar med

radiosandare med hog effekt som kan anvandas for att sanda

radiostralar med frekvens fran 2.6 till 8 MHz for jonosfarsexperiment

4-1

Heating Experiment

9

9.5

10

10.5

11

11.5

12

1800 1810 1820 1830 1840 1850 1900 1910 1920 1930 1940100

200

300

400

500

log10

electron concentration (m−3)al

titud

e (k

m)

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

1800 1810 1820 1830 1840 1850 1900 1910 1920 1930 1940100

200

300

400

500electron temperature (K)

altit

ude

(km

)

Time (UT)

Recent Auroral Research – p. 5/15

Heating experiment

Under aret har vi lyckats ta ett ordentligt steg framat genom att

gora de basta uppskattningarna [4] hittills av hur radiovagorna

accelererar jonosfarselektronerna i omradet runt reflektionshojden.

Det gjordes genom att kombinera matningar av elektrontathet

och temperatur gjorda med EISCAT UHF radar och optiska

matningar av konstgjort norrsken i fyra norrskensemissioner i

en avancerad modell som tar hansyn till elektronacceleration

och transport.

5-1

Heating Experiment

1800 1810 1820 1830 1840 1850 1900 1910 1920 19300

10

20

30

40

50

60

70

Time (UT)

Col

umn

emis

sion

rat

es (

R)

Steady state enhancements

4278

5577

6300

8446

Recent Auroral Research – p. 6/15

Dessa resultat ger uppskattningar av det radio-pumpaccelererade

elektronspektrat. Schematiskt kan electronspectrat beskrivas

som termiskt upp till 2 eV (Te 3500 vilket motsvarar en ter-

misk energi pa 0.35 eV) fran 2 till ca 3-4 eV ar electronflodet

reducerat, framforallt pa grund av energiforluster i kollisioner

med N2, och fran 4 eV ar det en accelererad svans upp till mer

an 100 eV.

6-1

Heating Experiment

200

250

300

350

18:04

flux (/eVm

2s)

6

8

10

12

14

200

250

300

350

18:16

flux (/eVm

2s)

6

8

10

12

14

200

250

300

350

altit

ude

(km

)

18:28

flux (/eVm

2s)

6

8

10

12

14

200

250

300

350

18:40flux (/eV

m2s)

6

8

10

12

14

101

102

200

250

300

350

Energy (eV)

19:10

flux (/eVm

2s)

6

8

10

12

14

1010

1015

1010

1015

1010

1015

1010

1015

101

102

1010

1015

Energy (eV)

Recent Auroral Research – p. 7/15

Dessa uppskattningar kan anvandas till att rakna ut inten-

sitetsforhallanden mellan olika emissioner, och deras hojdfordelning.

De forutsagelser av hojdvariationen konstgjort norrsken vi kun-

nat test (6300 och 5577 A), visade sig stamma rimligt bra med

observationer som vi gjort under en experimentkampanj un-

der Mars 2007 vid HIPAS, Alaska [5]. Dar gjorde vi optiska

matningar av konstgjort norrsken fran tva stationer, vilket gjorde

det mojligt att bestamma det konstgjorda norrskenets hojdvariation

i de tva ljusstarkaste emissionerna (gront vid 5577 A och rott

vid 6300 A).

7-1

Heating Experiment

Volum

e emission rate (m

−3s

−1)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

x 105

Volum

e emission rate (m

−3s

−1)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

x 106

200

250

300RIOE at 5577 A

x = −21.005:33;

RIOE at 6300 A

x = −24.0

200

250

300

x = −24.005:39;A

ltitu

de (

km)

x = −18.0

200

250

300

x = −21.005:45; x = −21.0

−100 −50 0 50

200

250

300

x = −18.005:51;

−100 −50 0 50

x = −15.0

North of HIPAS (km)

Recent Auroral Research – p. 8/15

Heating Experiment

0 1 2 3

x 106

160

170

180

190

200

210

220

230

240

250

260

270A

ltitu

de (

km)

Pulse 05:32−05:34

Volume emission rate (m−3s−1)

0 1 2 3

x 106

Pulse 05:44−05:46

Recent Auroral Research – p. 9/15

Vi har ocksa lyckats visa att elektronaccelerationen vari-

era beroende pa om den utsanda radiofrekvensen ar under, pa

eller just over en dubbelresonans, dar pumpfrekvensen ar iden-

tisk med bade en multipel av elektrongyrofrekvensen och ovre

hybridfrekvensen pa samma hojd. Det vi sag var att emission-

erna fran atomart oxygen med forhallandevis laga excitation-

strosklar var ungefar lika starka over och under, medans emis-

sionen fran N+

2 med hogre excitationstroskel bara var tydlig

nar pumpfrekvensen var just over dubbelresonansfrekvenser

[6].

9-1

Heating Experiment

Recent Auroral Research – p. 10/15

Dessutom har vi deltagit i en serie experiment vid HAARP,

Alaska. De mest framtradande resultaten fran de experimenten

ar: observationer av jonosfarens respons pa en radiostrale med

spinn [7], observationer som visar att plasmaturbulens som

drivs av radiovagor med cirkularpolarisation (vanster) kan un-

dertryckas av hogerpolariserade radiovagor [8].

10-1

Heating Experiment

0405 0408 0410 0413 0415 0418 0420−10

0

10

20

30

40

50

60

70

time (UT)

I 6300

(co

unts

)

Photometer measurement of I6300

enhancements

I6300

X+OO

Recent Auroral Research – p. 11/15

Heating Experiment

0405 0408 0410 0413 0415 0418 0420−10

0

10

20

30

40

50

60

70

time (UT)

I 6300

(co

unts

)

Photometer measurement of I6300

enhancements

I6300

X+OO

04:14:45

HA

AR

P04

3

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

−0.04

−0.02

0

0.02

0.04

0.06

0415 0416 0417 0418 04190

50

100

Time (UT)

Inte

nsity

(co

unts

) Total enhanced red line intensity

Recent Auroral Research – p. 12/15

Heating Experiment

100

150

200

250

300

350

400

log10

electron density

(/m3)

108

109

1010

1011

100

150

200

250

300

350

400

Alti

tude

(km

)

Electron temperature

(K)

500

1000

1500

2000

2500

3000

1300 1315 1330 1345 1400 1415 1430 1445 1500100

150

200

250

300

350

400Ion temperature

Time (UT)

(K)

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

Recent Auroral Research – p. 13/15

Dessutom har ett antal experiment med EISCAT Heating

genomforts som visar att reflektion av radiovagorna inte kravs

for att elektrontemperaturen tillfalligt ska kunna hojas med 700-

800 grader over bakgrundstemperaturen. Enligt vara preliminara

berakningar sa Detta kommer att utnyttjas for att undersoka

hur energi overfors fran jonosfarens elektroner till atomer och

molekyler i den yttersta atmosfaren.

13-1

Heating Experiment

1300 1315 1330 1345 1400 1415 1430 1445 1500

3

4

5

6

7

8

fO

F2 and pump frequencyF

requ

ency

(M

Hz) O

O

O

1300 1315 1330 1345 1400 1415 1430 1445 15000

1

2

3

4

5

Time (UT)

∆Fre

quen

cy (

MH

z)

Frequency difference

Recent Auroral Research – p. 14/15

Heating Experiment

200

250

300

Observed Te (K)

altit

ude

(km

)K

500

1000

1500

2000

2500

3000

150

200

250

300

altit

ude

(km

)

Modeled Te (K)

O O O

5.423 6.2 6.77 6.96 7.17.953

K

500

1000

1500

2000

2500

3000

1300 1315 1330 1345 1400 1415 1430 1445 15001500

2000

2500

3000

time (UT)

Tem

pera

ture

(K

)

Te at 230 km

O O O

Recent Auroral Research – p. 15/15

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, 2008,

doi:10.1029/2008JA013515,

http://www.agu.org/pubs/crossref/2008/2008JA013515.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, 2008,

doi:10.1029/2008JA013039,

http://www.agu.org/pubs/crossref/2008/2008JA013039.shtml.

[3] Gustavsson, B., M. J. Kosch, A. Senior, A. J. Kavanagh, B. U. E.

Brandstrom, and E. M. Blixt, Combined EISCAT radar and op-

tical multispectral and tomographic observations of black au-

rora, Journal of Geophysical Research (Space Physics), 113,

A06,308, 2008,

doi:10.1029/2007JA012999,

http://www.agu.org/pubs/crossref/2008/2007JA012999.shtml.

[4] Gustavsson, B., and B. Eliasson, Hf radio wave acceleration of

ionospheric electrons: Analysis of hf-induced optical enhance-

ments, J. Geophys. Res., 113, 2008,

doi:10.1029/2007JA012913,

http://www.agu.org/pubs/crossref/2008/2007JA012913.shtml.

15-1

[5] Gustavsson, B., M. Kosch, A. Wong, T. Pedersen, C. Heinsel-

man, C. Mutiso, B. Bristow, J. Hughes, and W. Wang, First esti-

mates of volume distribution of hf-pump enhanced emissions at

6300 and 5577 A: a comparison between observations and the-

ory, Annales Geophysicae, 26, 3999–4012, ISSN 0992-7689,

2008,

doi:10.1029/2008GL034563,

http://www.ann-geophys.net/26/3999/2008/angeo-26-3999-2008.html.

[6] Gustavsson, B., T. B. Leyser, M. Kosch, M. T. Rietveld, A.

Steen, B. U. E. Brandstrom, T. Aso, Electron Gyroharmonic Ef-

fects in Ionization and Electron Acceleration during High-Frequency

Pumping in the Ionosphere, Phys. Rev. Lett., 97 , 195002, 2006,

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 or-

bital angular momentum, Phys. Rev. Lett., 102, 065,004, 2009,

http://link.aps.org/abstract/PRL/v102/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 6300 A,

Inskickad till Geoph. Res. Lett .

15-2