Consortional assoc.: Energetic electron density estrimation from frequecy shift of whistler-mode chorus emissions in the Radiation Belt  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
116446
Type NN
Principal investigator Kis, Árpád
Title in Hungarian Konzorcium, társ p.: A sugárzási öv energikus elektronsűrűségének származtatása whistler-módusú kórusok frekvenciaváltozási sebességéből
Title in English Consortional assoc.: Energetic electron density estrimation from frequecy shift of whistler-mode chorus emissions in the Radiation Belt
Keywords in Hungarian VLF kórus, energikus elektronok, sugárzási övek, földi mérések, hullámterjedés, plazmaszféra/plazmavályú
Keywords in English VLF chorus, energetic electrons, radiation belts, ground based measuremenst, wave propagation, plasmasphere/plasmatrough
Discipline
Geophysics, Physics of the Lithosphere, Seizmology (Council of Complex Environmental Sciences)100 %
Ortelius classification: Geophysics
Panel Earth sciences 1
Department or equivalent Geodetic and Geophysical Institute (Research Centre for Astronomy and Earth Sciences)
Participants Koronczay, Dávid
Lichtenberger, János
Wesztergom, Viktor
Starting date 2015-11-01
Closing date 2018-10-31
Funding (in million HUF) 14.501
FTE (full time equivalent) 3.75
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

A kutatás fő célkitűzése a külső sugárzási öv energikus (néhány keV – néhány 100 keV) elekronsűrűségének
meghatározása földi VLF mérések segítségével. Legújabb kutatási eredmények szerint ezen energikus részecskék
gerjesztik – nemlineáris hullám-részecske kölcsönhatáson keresztül – a kórusoknak nevezett, whistler módusú
elektromágneses hullámokat a plazmapauzán kívül, a mágneses egyenlítőnél. Az energikus elektronok sűrűsége
meghatározható a gerjesztett kórus-hullámok amplitúdójából. Másrészt ez az amplitúdó arányos a kórus-elemek
frekvenciaváltozási sebességével.
A kórusok a felszínen a plazmapuzán kívül észlelhetők, ezért a Belgian Institute of Space Aeronomy-val közösen VLF
állomást telepítünk a belga antarktiszi állomáson (L=5.68), amely általában a plazmapauzán kívül helyezkedik el – ilyen
mérés jelenleg sehol sincs a világon. Kidolgozunk egy automatikus eljárást a kórusok detektálására a földi mérési adatban,
majd ezeket a detektált jeleket „visszatranszformáljuk” a az egyenlítői térségbe egy ugyancsak kidolgozandó hullámterjedési
modell segítségével. A transzformált jel frekvenciaváltozási sebességét használjuk a fent leírt módon az elektronsűrűség
meghatározására.
Kidolgozzuk az energikus elektronok energia-eloszlási modelljét, amihez a Cluster és az RBSP műholdak méréseit
használjuk. Ugyanezen műholdak hullám- és részecskemérései alapján elvégezzük a kidolgozott eljárások (kórushullámterjedés,
energikus elektronsűrűség-modell) ellenőrzését.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.

A sugárzási öv modellek egyik fő megoldatlan problémája a peremfeltételek pontos ismeretének hiánya. Ezen kutatás
alapkérdése az egyik ilyen, alapvető kezdeti paraméter, a közepes energiájú (néhány keV – néhány 100 keV) elektronok
sűrűségének meghatározása. Ez az a részecskepopuláció, amelyből a relativisztikus energiájú elektronok keletkeznek, és
amelyek az űreszközök (főleg az elektronika) biztonságának egyik fő veszélyforrásai. A kiinduló hipotézis az a legújabb
elméleti eredmény, amely szerint ezen részecskék sűrűsége származtatható a whistler-módusú kórus-elemek
frekvenciaváltozási sebességéből. A kutatás legfontosabb specifikuma, hogy ehhez nem műholdas, hanem földi méréseket
használ, lehetővé teszik a módszer folyamatos alkalmazását. A kidolgozandó módszer természetesen alkalmazható
műholdas kórus-mérésekre is.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!

A sugárzási öv modellek egyik fő megoldatlan problémája a peremfeltételek pontos ismeretének hiánya. Ezen kutatás
alapkérdése az egyik ilyen, alapvető kezdeti paraméter, a közepes energiájú (néhány keV – néhány 100 keV) elektronok
sűrűségének meghatározása. Ez az a részecskepopuláció, amelyből a relativisztikus energiájú elektronok keletkeznek, és
amelyek az űreszközök (főleg az elektronika) biztonságának egyik fő veszélyforrásai. A kiinduló hipotézis az a legújabb
elméleti eredmény, amely szerint ezen részecskék sűrűsége származtatható a whistler-módusú kórus-elemek
frekvenciaváltozási sebességéből. A kutatás legfontosabb specifikuma, hogy ehhez nem műholdas, hanem földi méréseket
használ, lehetővé teszik a módszer folyamatos alkalmazását. A kidolgozandó módszer természetesen alkalmazható
műholdas kórus-mérésekre is.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média illetve az adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI számára.

A Föld felsőlégkörében zajlanak azok, az űridőjárásinak nevezett folyamtok, melyeknek fő szereplői a naptevékenységből
származó részecskék. Ezért az utóbbi 10-15 évben az űrfizika-űrkutatás egyik fő területévé az űridőjárási kutatások váltak,
ugyanis napjainkra civilizációnk „űrtevékenység-függővé” vált. Szinte láthatatlanul mindennapi életünk részévé váltak a
műholdak szolgáltatásai, melyekből jelenleg mintegy 3500(!) kering a Föld körül: telekommunikáció -TV, Internet,
(mobil)-telefónia; navigáció (GPS); távérzékelés (mezőgazdaság, környezetvédelem, természeti katasztrófák). Annyira igaz
ez, hogy nem is a szolgáltatás létét, hanem esetleges hiányát, zavarát vesszük már csak észre. Az űridőjárás fő
hajtómotorja a Nap és kisebb részben a galaktikus kozmikus sugárzás. Az űr-időjárás változásainak hatása a Föld
felsőlégkörében főleg az ember alkotta eszközöket (műholdakat) érinti, a sugárzási övekben keletkező és onnan kicsapódó
nagy (sokszor relativisztikus) energiájú töltött részecskék képesek a műholdakat időlegesen vagy
véglegesen megbénítani és ezzel – a műhold cseréjének költségén túlmenő, ami dollár tíz- vagy százmilliókban (!) mérhető
– társadalmi, gazdasági károkat és biztonsági kockázatot okozni, esetenként emberéleteket veszélyeztetni.
Legfrissebb elméleti kutatások nyomán kidolgozunk egy olyan módszert, amelynek segítségével földi mérések segítségével
kiszámolható azoknak a közepes energiájú részecskéknek a sűrűsége, amelyekből a nagyon nagy energiájú részecskék keletkeznek az űridőjárási folyamatokban. Eddig ezen részecskék mennyiségét csak az esetleges műholdas mérések
alapján lehetett megmondani, ez mostantól folyamatosan rendelkezésre áll.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

The major objective of this project is derivation of the density of the energetic (a few keV - a few 100 keV) electrons in the
outer radiation belt by ground based VLF measurements. Whistler-mode chorus waves are generated by nonlinear
wave-particle interaction outside of the plasmapause. at the magnetic equator. Recent theoretical and model studies on
generation of whistler-mode choruses revealed that the density of energetic electron can be derived from the wave
amplitude of generated choruses. On the other hand, the wave amplitude is proportional to the frequency sweep rate of
individual chorus elements.
On the ground, VLF choruses can be recorded outside of the plasmapause, therefore we will install a VLF receiver at the
Belgian Antarctic base, Princesse Elisabeth (L=5.68, it is outside of the plasmapause at most of the time)) in cooperation
with Belgian Institute of Space Aeronomy. To date, no such experiment exists.
We will develop an algorithm to detect choruses in the raw VLF signal automatically. The detected signal will be transformed
back to the magnetic equator by a wave propagation model, also developed in the project. Then the frequency sweep rate of
the transformed signal is used to estimate the density of energetic electrons.
Based on Cluster and RBSP measurements, we will develop a model of energetic electron distribution used in the derivation
of energetic electron densities. Wave and particle measurements from the same satellites will be used to validate the chorus
wave propagation and energetic electron density models.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.

The biggest source of uncertainty and error in running the current generation of radiation belt codes lies not in the code
implementation, its complexity or degree of self-consistency, but in our current inability to specify the required global inputs
and drivers to these codes. Therefore the fundamental question of this project is the derivation of the density of such a key
input parameter, the density of energetic (a few keV - a few 100 keV) electrons. This is the seed population that undergo
acceleration by wave particle interaction and becoming relativistic electrons. The relativistic electrons can cause temporary
or permanent failure of satellites through damaging of electronics on-board. The initial hypothesis of the research is a recent
theoretical result: the density of energetic electron can be derived from the frequency sweep rate of individual chorus
elements. The most important specific feature of the project is that ground based VLF chorus measurements will be used
allowing us to derive the density of the energetic electron continuously. The method developed in the project can be used for
choruses recorded on satellites.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.

One of the major area of space weather investigations is the dynamics of radiation belts, particularly the dynamics of the
outer belt. The energetic electrons (a few keV - a few 100 keV) in the outer belt are accelerated to relativistic energy by
physical processes (radial diffusion, wave-particle interaction). These high energy particles sooner or later will be scattered
or precipitated, but while they are trapped in the radiation belts, they are the major source of danger for space assets,.
Therefore it is of great importance to accurately describe the dynamics of these particles.
The radiation belt codes describes the physical processes accurately enough, the major source of uncertainty in their
prediction is the inaccuracy of initial conditions.
The low energy particles of the solar wind penetrates into the magnetosphere through the magnetic sheet during substorms
and magnetic disturbances, they are accelerated to medium energy during the transport to the inner magnetosphere.
Though their density and energy distribution can be measured by satellites, these measurements are always occasional.
Therefore it is of great importance to use continuous ground based measurements and derive the density of energetic
electrons. This allows the accurate calculation of relativistic electron fluxes.
Space-faring nations (including European Space Agency too) are working on the setup of space situational awareness
programs to establish space security services protecting space assets. The method developed in this project can be an
important element in the forecasting models.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

The inner magnetosphere is the area where the physical processes driven by the energetic particles originated from the Sun
interact with the waves propagating there in the wave-particle interaction. This phenomenon is called Space Weather and it
plays an important role in the security of space assets. Our society is highly dependent on space infrastructure. The satellite
services became almost invisibly an integral part of our everyday life, we only notice them when there are drop-out in the
services: telecommunication (TV, Internet, telephone), navigation (GPS), remote sensing (meteorology, agriculture, natural
hazards). The major driver of the space weather is the Sun and in lesser extent the galactic cosmic rays. In the upper
atmosphere, mostly the space assets are affected by the dynamics of the space weather. The relativistic electrons can
damage the electronics of the satellites and put them temporarily or permanently out of service. The economical effect is not
only the cost of the replacement of the satellite that can be several ten or hundred thousands US dollar, but the direct
economical loss or potential hazard on human life and security due to the failure of services.
Based on recent theoretical and model studies we will develop a method to estimate the density of energetic electron from
ground based measurements. This is the seed population, that - taking part in the space weather processes - are
accelerated to very high energy. To date, no such method exist, the density of these particles can only be measured by sporadic satellite measurements.





 

Events of the project

 
2017-01-19 09:22:41
Résztvevők változása




Back »