Evaluierung der empirischen Skalierung joulescher Heizraten in physikbasierten Atmosphären-Ionosphären Modellen

Abstract

In hohen Breitengraden kommt es durch die Interaktion von Sonnenwind und Erdmagnetfeld zu starken elektrischen Strömen in der Ionosphäre. Diese Ströme verursachen ein joulesches Aufheizen des Atmosphären-Ionosphären Gases wodurch wiederum ionosphärische Störungen entstehen. Das joulesche Heizen in hohen Breiten ist eine der wichtigsten Energiequellen in der Ionosphäre und verantwortlich für viele Weltraumwetter Phänomene und Prozesse. Physikalische Modelle der gekoppelten Ionosphäre und Thermosphäre berechnen die jouleschen Heizraten aus dem polaren Potentialfeld welches wiederum von Konvektionsmodellen wie dem Heelis- oder Weimer-Modell bestimmt wird. Zu beachten sind Prozesse auf Zeit- und Größenskalen unterhalb der Modellauflösung welche signifikant zum jouleschen Heizvorgang beitragen. Deshalb müssen die Modell-Heizraten empirisch skaliert werden um den Beitrag dieser Prozesse zu integrieren. Das Thermosphere Ionosphere Electrodynamics-General Circulation Model (TIE-GCM) verwendet einen konstanten Skalierungsfaktor f=1.5 als Grundwert. Eine Untersuchung der Variation des idealen Skalierungsfaktors erfolgt durch Vergleiche der jouleschen Heizraten aus über 2000 Beobachtungsstunden mit dem inkohärenten Streuradar EISCAT und den dazugehörigen TIE-GCM Simulationen. Dieser Datensatz ermöglicht zudem die Unterschiede der beiden Konvektionsmodelle Heelis und Weimer zu vergleichen. Es wird untersucht wie der ideale Skalierungsfaktor mit geomagnetischer Aktivität (Kp Index), Energieeintrag des Sonnenwindes (Kan-Lee Feld) und geomagnetischer Ortszeit variiert. Wir stellen fest, dass der verwendete Skalierungsfaktor f=1.5 ein angemessener Mittelwert für beide Konvektionsmodelle bei mittlerer geomagnetischer Aktivität darstellt. Allerdings werden bei geringerer und höherer geomagnetischer Aktivität signifikante Abweichungen des idealen Skalierungsfaktors vom Standardwert festgestellt. Darüber hinaus unterscheiden sich die Modell Heizraten deutlich je nach verwendetem Konvektionsmodell. Ähnliches kann für die Variation des Skalierungsfaktors mit der geomagnetischen Ortszeit beobachtet werden, wo die Wahl des Konvektionsmodells einen entscheidenden Einfluss hat. Durch die systematische Auswertung der EISCAT Messungen und dem Vergleich mit TIE-GCM, konnten wir eine empirische Korrekturtabelle des Skalierungsfaktors erstellen und somit die TIE-GCM Modellierung dahingehend verfeinern.