Der Ringstrom ist ein elektrischer Strom, der die Erde in Abständen zwischen ~3 und ~5 Erdradien vom Erdmittelpunkt in der Äquatorebene umspült. Der Ringstrom bewegt sich vom Nordpol der Erde aus gesehen im Uhrzeigersinn und wird von in entgegengesetzte Richtungen driftenden Elektronen und Ionen mit Energien von ~1 - 200keV getragen. Die Ringstromteilchen stammen aus der Plasmaschicht der Erde, wo sie sich unter der Einwirkung des elektrischen Feldes der Morgen- und Abenddämmerung und des Magnetfeldes unseres Planeten erdwärts bewegen. Bei geomagnetischen Stürmen verstärkt der Ringstrom das Erdmagnetfeld und schwächt es ab, was in der Hauptphase des Sturms zum so genannten Dst-Effekt führt. In der Erholungsphase des Sturms nimmt der Ringstrom aufgrund der Streuung der geladenen Teilchen durch Feldänderungen, Plasmawellen (z. B. elektromagnetische Ionen-Zyklotron-Wellen) oder den Ladungsaustausch mit neutralen Atomen ab. Der Ringstrom ist eine entscheidende Komponente für unser Verständnis der Dynamik der Magnetosphäre und der geomagnetischen Stürme und kann sich auch auf menschliche Infrastrukturen wie Stromnetze in hohen Breitengraden oder derzeit betriebene Kommunikations- oder Navigationssatelliten auswirken.

Wir verwenden den VERB-4D (Four Dimensional Code Versatile Electron Radiation Belt), um die Dynamik des Ringstroms zu modellieren. Der Code löst die dreidimensionale Diffusionsgleichung, die den Teilchenverlust und die Beschleunigung aufgrund von Wellen-Teilchen-Wechselwirkungen beschreibt, sowie die zweidimensionale Konvektionsgleichung, die die Modellierung der Teilchendrift in externen elektrischen und magnetischen Feldern ermöglicht. Der VERB-4D-Code wurde ursprünglich für Ringstrom und Strahlungsgürtel-Elektronen entwickelt, getestet und validiert [Aseev et al., 2016] und erfolgreich auf die Modellierung des Sturms vom 17. März 2013 angewandt [Shprits et al., 2015].

In diesem Projekt wenden wir den Code für die Ringstrom-Ionenspezies an, was möglich ist, da die Ionendynamik von denselben Gleichungen wie die Elektronendynamik bestimmt wird. Wir testen und validieren den Code, indem wir ihn für bestimmte Stürme und Langzeitperioden ausführen und die Ergebnisse mit Satellitenbeobachtungen vergleichen. Wir untersuchen die Empfindlichkeit des Codes gegenüber vorgegebenen empirischen Modellen für elektrische und magnetische Felder und verschiedenen Parametern wie Diffusionskoeffizienten oder Verlustraten beim Ladungsaustausch. Wir modellieren die Entwicklung des Ringstroms während der Anfangs-, Haupt- und Erholungsphase des Sturms. Schließlich untersuchen wir die Möglichkeit, den Ringstrom selbstkonsistent zu modellieren, indem wir den Code mit Codes zur Modellierung elektrischer und magnetischer Felder koppeln. Als Endprodukt werden wir ein Vorhersagesystem erstellen, das über das Internet öffentlich zugänglich sein wird.

Referenzen:

Aseev, N. A., Y. Y. Shprits, A. Y. Drozdov, and A. C. Kellerman (2016), Numerical Applications of the Advective-Diffusive Codes for the Inner Magnetosphere, Space Weather, 14, doi:10.1002/2016SW001484.

Shprits, Y. Y., A. C. Kellerman, A. Y. Drozdov, H. E. Spence, G. D. Reeves, and D. N. Baker (2015), Combined convective and diffusive simulations: VERB-4D comparison with 17 March 2013 Van Allen Probes observations, Geophys. Res.Lett., 42, doi:10.1002/2015GL065230.