The Upper Atmospheric Fountain Effect in the Polar Cusp Region

Rentz, Stefanie

Diese Arbeit untersucht, inwiefern die Cusp als Merkmal des Erdmagnetfeldes die Dynamik der (neutralen) Hochatmosphäre beeinflusst. Die aus CHAMP-Satellitendaten abgeleitete thermosphärische Gesamtmassendichte zeigt eine markante Erhöhung im Bereich der Cusp, die sogenannte Dichteanomalie. In einer klimatologischen Analyse wird diese Anomalie als kontinuierliches Phänomen beider Hemisphären identifiziert, das im wesentlichen von der Hintergrunddichte, der Kopplungseffizienz zwischen Erdmagnetfeld und interplanetarem Magnetfeld und von der solaren Aktivität abhängt. Das Aufsteigen von Luftmassen aus tieferen Schichten (Neutralgasfontäne), ausgelöst durch Joule-Heizung, wird als Ursache der Dichteanomalie angesehen. Deren Auslösemechanismen werden mit Hilfe einer kombinierten CHAMP-EISCAT-Kampagne, Modellstudien zum Einfall niederenergetischer Teilchen in der Cusp und einer harmonischen Analyse der Dichteanomalie und ihrer Steuerungsparameter untersucht. Ausgehend von den Ergebnissen dieser Untersuchungen wird folgender Mechanismus zur Entstehung der Neutralgasfontäne im Bereich der polaren Cusps vorgeschlagen: Der Energieeintrag durch den Sonnenwind ermöglicht Joulesche Heizung des Neutralgases. Gleichzeitig wird durch den Einfall niederenergetischer Teilchen in der Cusp die Höhe maximaler Pedersenleitfähigkeit und damit auch die Höhe der effektiven Heizschicht angehoben. Differenzielle Expansion schwererer Partikel verändert die lokale Zusammensetzung der Luft und trägt so zur Dichteanomalie bei. Der Mechanismus ist in Phasen erhöhter solarer Aktivität stärker ausgeprägt, denn eine größere Hintergrunddichte bewirkt größere Amplituden der Dichteanomalie. Das Phänomen kann Auswirkungen auf die globale Dichteverteilung der Thermosphäre haben.

This thesis examines how the cusp as a feature of the Earth Magnetic Field influences the (neutral) upper atmospheric dynamics. The thermospheric total mass density, as derived from CHAMP satellite data, shows a distinct enhancement in the vicinity of the cusp, the so-called density anomaly. In a climatological analysis this anomaly is identified as a continuous phenomenon of both hemispheres which depends mainly on background density, coupling efficiency between Earth Magnetic Field and Interplanetary Magnetic Field, and solar activity. Air-upwelling from deeper atmospheric layers (neutral fountain effect), as excited by Joule heating, is considered to be the cause of the density anomaly. Its activating mechanisms have been investigated by considering a combined CHAMP-EISCAT campaign, a model study on soft particle precipitation, and an analysis of periodic density anomaly variations and their controlling parameters. According to the results of this study the following mechanism is suggested to cause a cusp-related density anomaly: The energy input by the solar wind provides the power for Joule heating of preferably neutral molecules. Soft particle precipitation in the cusp simultaneously enhances the altitude of maximal Pedersen conductivity, thus lifting up the heated layer in the cusp. Differential expansion of heavier particles changes the local air composition, thus contributing to the density anomaly. The mechanism is more pronounced during high solar activity phases, since a larger background density causes larger density anomaly amplitudes. The phenomenon can affect the global thermospheric density distribution.

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Rentz, Stefanie: The Upper Atmospheric Fountain Effect in the Polar Cusp Region. 2009.

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