Abstract in Deutsch und Englisch
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Autor: Amm, Olaf
Titel: Direkte Bestimmung flächenhafter Verteilungen ionosphärischer elektrodynamischer Parameter aus Bodenmessungen: Theorie und Anwendung in sphärischen Koordinaten
Deutsch:
In meiner Dissertation habe ich ein "Charakteristikenmethode" genanntes Verfahren zur direkten Bestimmung flächenhafter Verteilungen der makroskopischen ionosphärischen elektrodynamischen Parameter aus gemessenen Verteilungen der bodenmagnetischen Störung und des ionosphärischen elektrischen Feldes in seiner Theorie zur Anwendung in sphärischen Koordinaten entwickelt und es anhand einiger Meßdatensätze angewandt. Im Unterschied zur vorherigen, in kartesischen Koordinaten arbeitenden Variante der Charakteristikenmethode erlaubt die neue, sphärische Variante deren Anwendung auch auf Untersuchungsgebieten einer Größe, für die die Krümmung der Erdoberfläche nicht vernachlässigbar ist. Sie kann zudem auch auf Regionen der Skalenlänge 1000 km × 1000 km, für die bislang die kartesische Variante verwendet wurde, eingesetzt werden und ersetzt letztere somit vollständig. Die Anwendungen der Charakteristiken methode anhand von Meßdaten zeigen deren Überlegenheit insbesondere gegenüber der in der Literatur häufig angewandten "trial and error"-Methode im Hinblick auf die Zuverlässigkeit, Detailliertheit und damit die physikalische Interpretierbarkeit der erzielten Ergebnisse.
Im Theorieteil der Dissertation wird zunächst gezeigt, daß die verwendete Annahme radial fließender feldparalleler Ströme polwärts von etwa 45° Breite zu nur geringen Ungenauigkeiten hinsichtlich der für die Durchführung der Charakteristikenmethode relevanten Größen führt. Dann wird ein Verfahren zur Bestimmung der ionosphärischen äquivalenten Ströme aus Messungen der bodenmagnetischen Störung angegeben. Dieses Verfahren umfaßt die Abtrennung des durch äußere Quellen verursachte Teiles aus der gesamten magnetischen Störung, die Fortsetzung dieses Teiles auf Ionosphärenhöhe und die Berechnung der Stromfunktion der äquivalenten Ströme unmittelbar unterhalb der Ionosphäre aus dem magnetischen Potential der feldfortgesetzten Störung. Zentrales Hilfsmittel zur Durchführung dieser Operationen in sphärischen Koordinaten ist die sphärische harmonische Analyse auf Teilbereichen der Erdkugel, sogenannten "sphärischen Kappen". Weiter wird gezeigt, daß analog zum kartesischen auch im sphärischen Fall nur der divergenzfreie Anteil des ionosphärischen Stromsystems eine Magnetfeldstörung unterhalb der Ionosphäre verursacht, wogegen der Magnetfeldeffekt des aus den rotationsfreien Ionosphärenströmen und den feldpar allelen Strömen bestehenden Stromsystems dort verschwindet. Zur Beweisführung werden divergenz- und rotationsfreie sphärische Elementarstromsysteme eingeführt, in die sich beliebige ionosphärische Stromsysteme unabhängig von den Verteilungen der Leitfähigkeit und des elek trischen Feldes entwickeln lassen. Nach diesen Vorarbeiten werden schließlich die Kerngleichun gen der Charakteristikenmethode zunächst in allgemeinen krummlinigen, orthogonalen Koordina ten und dann für den Spezialfall sphärischer Koordinaten entwickelt. Primäre Ausgabegröße der Methode ist die flächenhafte Verteilung der höhenintegrierten ionosphärischen Hall-Leitfähigkeit, aus der unter Vorgabe einer Abschätzung des Verhältnisses von Hall- zu Pedersen-Leitfähigkeit zusammen mit den Meßwerten des elektrischen Feldes die tatsächlichen Ionosphärenströme und die feldparallelen Ströme berechnet werden. Eine besondere Eigenschaft der beschriebenen Methode ist, daß mit ihr auch explizit zeitabhängige Situationen behandelt werden können, da sie nicht die Annahme einer verschwindenden Rotation des elektrischen Feldes erfordert.
Da die Eingabegrößen der Charakteristikenmethode auf einem regulären Gitter vorliegen müssen, die Meßdaten jedoch i.a. auf irregulär verteilten Punkten gemessen werden, folgt ein kurzes Kapitel zu Methoden der Interpolation. Neben der Bewertung bekannter Verfahren für die vorliegende Aufgabenstellung wird ein neues Interpolationsverfahren auf der Basis der oben erwähnten Elementarvektorsysteme entwickelt, das die Interpolation explizit rotations- und / oder divergenzfreier Vektorfelder erlaubt.
Um die Anwendbarkeit der sphärischen Variante der Charakteristikenmethode und die erstell ten Programme zu ihrer Durchführung zu testen, werden im folgenden Kapitel ein Modell der Verteilungen der makroskopischen elektrodynamischen Parameter der Ionosphäre auf der gesamten nördlichen Polarlichtzone erstellt, die Eingabegrößen für die Methode aus diesem Modell be rechnet, und die mit diesen Eingaben von der Methode gelieferten Resultate mit den Modellverteilungen verglichen. Es zeigt sich, daß das Verfahren bis auf geringfügige numerische Fehler die Modellverteilungen sehr genau reproduzieren kann.
Schließlich wird die Charakteristikenmethode auf drei Meßdatensätze angewandt. Zwei von ihnen stammen aus der Periode der International Magnetospheric Study (IMS; 1976-1979) und bestehen aus Magnetfelddaten des früheren Scandinavian Magnetometer Array und aus vom kohärenten Radar STARE gemessenen Daten des ionosphärischen elektrischen Feldes. Als erstes Ereignis wird eine Harang-Diskontinuität (HD) über Nordskandinavien untersucht. Neben der stark asymmetrischen Verteilung der Leitfähigkeiten bezüglich der Diskontinuität kann als neues Ergebnis u.a. eine beinahe homogene Verteilung der mit den ionosphärischen Pedersen-Strömen verbundenen aufwärts gerichteten feldparallelen Ströme (FACs) südlich der HD, aber ein Maximum der mit den Hall-Strömen verbundenen FACs zwischen der elektrischen und magnetischen HD festgestellt werden. Als zweites Ereignis wird das mit einer diskreten, in Nord-Süd-Richtung ausgerichteten Polarlichtform, die im teilsturmverstärkten westwärtigen Elektrojet während eines geomagnetisch sehr stark gestörten Intervalles auftritt, untersucht. Innerhalb dieser Form treten ein Maximalwert der höhenintegrierten Hall-Leitfähigkeit von über 200 S und extrem starke aufwärts fließende FACs von einer Stromstärke bis zu 25 mV/m auf. Ein drittes Ereignis verwendet schließlich Daten des CUTLASS-Radars sowie der IMAGE- und Grönland-Magnetometerketten, mittels derer die Reaktion der Leitfähigkeitstruktur im Nachmittagsektor auf einen Teilsturmeinsatz im Mitternachtsektor untersucht wird.
Wesentliche Teile meiner Dissertation sind bereits in Amm (1997) und Amm (1998) (siehe Publikationsliste und Anlagen zu diesem Antrag) veröffentlicht worden. Eine weitere Veröffentlichung befindet sich derzeit in Vorbereitung.
 

Englisch:
In my dissertation i developed a method for direct determination of spatial distributions of macroscopic ionospheric electrodynamic parameters from measured distributions of the ground magnetic disturbance field and the ionospheric electric field, called "method of characteristics". The theory of the method is described, and it is applied to several data sets. The method differs from the former methods that worked in cartesian geometry in that the surface of the Earth is not neglected.  It can also be used for analysis regions of a scale size 1000 * 1000 km, for which formerly the cartesian methods were used, and therefore replaces them completely. The application of the method of cahracteristics with measured data shows its superiority compared to previously used methods, especially to the "trial and error" method, with respect to its reliability, the amount of detail, and therefore the possibilities for the physical interpretation of its results.
Studied events contain a Harang discontinuity, a discrete auroral form, and a part of the evening cell during a substorm in the midnight sector. The method needs as input the ground magnetic disturbance field, the ionospheric electric field, and a rough guess of the Hall- to Pedersen conductance ratio distribution.. The ground magnetic field data is supplied by the Scandinavian Magnetometer Array (SMA) magnetometer array, which operated during the period of the International Magnetospheric Study (1977-1979), the IMAGE magnetometer network, and the Greenland magnetometer chain. Ionospheric electric field data is provided by the STARE and the SuperDARN coherent radars. As outputs, the height-integrated Hall and Pedersen conductance distributions, as well as distributions of  the true ionospheric and field-aligned currents are obtained and discussed for the different events.

UB Braunschweig, letzte Änderung am Formular: 03.05.1998

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