NSWP: Improving Quantitative Modeling of High-latitude Electrojet Conductivities during Magnetic Storm and Substorm Time

NSWP:改进磁暴和亚暴期间高纬度电射流电导率的定量建模

基本信息

  • 批准号:
    0819914
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 24.19万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Continuing Grant
  • 财政年份:
    2008
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2008-08-15 至 2011-07-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

The project aims to improve space weather prediction capabilities by developing an accurate model of electrojet conductivity under disturbed conditions. During periods of intense geomagnetic activity, large currents along the magnetic field lines can induce the formation of strong electrojets, plasma instabilities, and turbulence. This turbulence gives rise to intense anomalous electron heating and nonlinear transport which significantly affects the E-region conductivity. Existing ionospheric models do not include these effects. This limits their ability to accurately model magnetic storms and substorms essential for space weather predictions. Accordingly, the objective of this project is to develop an ionospheric-conductance module which will predict nonlinear currents and anomalous electron heating during magnetic storms and substorms. This module will consist of a look-up table and/or analytic expressions which will return the E-region conductivity matrix for a range of altitudes, latitudes, driving electric fields, and plasma and neutral atmospheric conditions. The project will undertake three tasks: (1) quantitative modeling of anomalous electron heating and nonlinear currents; (2) creation of a conductivity database which accounts for turbulent effects; and (3) testing the modified conductivities in existing magnetosphere and ionosphere simulation codes and models. Supercomputer simulations of 3D E-region turbulence combined with modern theoretical analyses will be applied to determine the heating and conductivities. The predictions of electron heating will be validated using incoherent scatter radar and rocket data, while the predicted ionospheric fields and currents will be tested against magnetometer and SuperDarn data. In order to make the results useful and available, they will be incorporated into the Lyon-Fedder-Mobary (LFM) magnetosphere simulation code and the magnetosphere-ionosphere-thermosphere model (CMIT), two codes that are widely used by the magnetosphere/ionosphere community. The results of the upgraded LFM and CMIT will be tested against the unmodified codes and observations. Particular science questions to be addressed are: What is the nonlinear response of the high-latitude ionosphere to strong convection electric fields? Why is the observed storm-time cross-polar-cap potential often smaller than that predicted by existing models? Do the turbulence generated changes in conductivities mostly or fully account for the reason that models fail to account for observations?
该项目旨在通过开发干扰条件下电喷射电导率的精确模型来提高空间天气预报能力。 在强烈的地磁活动期间,沿着磁场线的大电流会诱发强电射流、等离子体不稳定和湍流的形成。这种湍流会产生强烈的反常电子加热和非线性传输,从而显着影响 E 区的电导率。现有的电离层模型不包括这些影响。 这限制了他们准确模拟空间天气预报所必需的磁暴和亚暴的能力。 因此,该项目的目标是开发一种电离层电导模块,该模块将预测磁暴和亚暴期间的非线性电流和异常电子加热。 该模块将包含一个查找表和/或分析表达式,它将返回一系列海拔、纬度、驱动电场以及等离子体和中性大气条件的 E 区域电导率矩阵。 该项目将承担三项任务:(1)反常电子加热和非线性电流的定量建模; (2) 创建考虑湍流效应的电导率数据库; (3)测试现有磁层和电离层模拟代码和模型中修改后的电导率。 3D E 区域湍流的超级计算机模拟与现代理论分析相结合,将用于确定加热和电导率。 电子加热的预测将使用非相干散射雷达和火箭数据进行验证,而预测的电离层场和电流将根据磁力计和 SuperDarn 数据进行测试。 为了使结果有用和可用,它们将被纳入 Lyon-Fedder-Mobary (LFM) 磁层模拟代码和磁层-电离层-热层模型 (CMIT),这两个代码被磁层/电离层广泛使用社区。 升级后的 LFM 和 CMIT 的结果将根据未修改的代码和观察结果进行测试。 需要解决的具体科学问题是:高纬度电离层对强对流电场的非线性响应是什么?为什么观测到的风暴时期跨极盖电势通常小于现有模型预测的电势?湍流引起的电导率变化是否主要或完全解释了模型无法解释观测结果的原因?

项目成果

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