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Publicação
Identification of the magnetic external component in annual and monthly means of magnetic observatory data series
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Resumo(s)
O campo geomagnético medido nos observatórios magnéticos à superfície da Terra contém contribuições de fontes internas (núcleo líquido e litosfera) e também de fontes acima da superfície terrestre que originam a componente externa. Esta componente externa deve-se a vários sistemas de correntes eléctricas presentes na ionosfera e na magnetosfera. A origem dessas corentes está directa ou indirectamente ligada à actividade solar e à interacção dinâmica entre o Sol e o ambiente em torno da Terra. A iluminação solar diária cria uma maré térmica que, por sua vez, origina correntes de plasma no hemisfério iluminado da ionosfera, designadas por “variabilidade solar (solar-quiet day, Sq)” e o jacto equatorial (EEJ), dominante nas médias e pequenas latitudes. Para além destas correntes existem outras nas regiões polares, os jactos polares (PEJ ou AEJ), que consistem em correntes eléctricas horizontais que circulam na camada E da ionosfera, acima da região polar. A interacção entre o vento solar e o campo magnético da Terra gera a corrente da magnetopausa e o anel de corrente. A primeira é responsável pelo cancelamento do campo magnético terrestre fora da magnetosfera e circula principalmente do nascer do Sol para o pôr do Sol no lado diurno e nosentido contrário no lado nocturno, onde se designa por corrente de cauda (“tail current”). O anel de corrente consiste num deslocamento de electrões e iões na cintura do equador geomagnético, de este para oeste, a uma distância da Terra de 3 a 6 raios terrestres (RE), e é fortemente dependente da actividade solar. Correntes adicionais estão presentes na ionosfera e magnetosfera, tais como as correntes alinhadas (“field-aligned currents”), que circulam a partir do equador na magnetosfera para as latitudes altas na ionosfera. Estas correntes têm duas regiões de maior acção: Região 1, em redor da zona polar e Região 2, principalmente na zona equatorial. O intuito deste trabalho é identificar nos dados dos observatórios magnéticos a variabilidade temporal e espacial associadas a estas correntes externas que afectam o campo magnético medido à superfície da Terra. Para tal, a contribuição externa do campo foi isolada em médias mensais e anuais de dados de observatórios magnéticos (da rede INTERMAGNET), para cinco componentes magnéticas (X, Y, Z, H e F) e para dois períodos de tempo: 1963-2001 e 1985-1989. No primeiro intervalo de tempo utilizaram-se dados de 23 observatórios, espalhados pelo globo; já no segundo intervalo de tempo utilizaram-se dados de 56 observatórios. Estas escolhas foram determinadas pela ideia de testar a dependência dos resultados relativamente à escolha dos intervalos temporal e espacial. Após o pré-processamento dos dados, o isolamento da componente externa foi obtido por subtracção da contribuição do campo principal (núcleo líquido), dada pelo modelo CM4 (Comprehensive Model 4), às médias mensais e anuais, para cada observatório. Os resultados obtidos, que consistem na componente externa do campo, designaram-se por resíduos. De seguida, o método de análise de Funções Empíricas Ortogonais (EOF) foi utilizado para cada conjunto de resíduos (ou seja, para cada uma das componentes magnéticas). Este método de análise permite identificar os padrões espaciais globais (funções empíricas ortogonais) e as funções de variação temporal (componentes principais) dos principais modos de variabilidade responsáveis por cada uma da componentes do campo magnético externo. Cada modo de variação temporal e espacial pode depois ser comparado e possivelmente relacionado com uma corrente específica ou um conjunto de correntes acopladas. O método permite, ao fim e ao cabo, reduzir a dimensionalidade do sistema para apenas alguns modos, que poderão ser relacionados com determinados processos dinâmicos e/ou físicos. Na sua essência, é um método exploratório (não necessita de qualquer modelização prévia), que decompõe os dados (com variáveis correlacionadas entre si) numa base de funções ortogonais (não correlacionadas)determinadas pelos dados em si. Apenas as componentes X, Y e Z originaram resultados significativos, devido ao facto de as restantes componentes, H e F, dependerem directamente das outras três componentes. As componentes principais (PCs) que foram obtidas foram comparadas com várias séries temporais de indices magnéticos (Dst, aa, AE, PC, ASY e SYM) e também com a série temporal do número de manchas solares (SSN). Por seu lado, as funções empíricas ortogonais (EOFs) foram comparados com um modelo analítico do anel de corrente e também com os resultados dados pelo CM4 para os campos devidos às correntes magnetosféricas e ionosféricas. Estas comparações tiveram como objectivo a identificação das correntes externas ou processos associados a correntes externas mais importantes para a variabilidade temporal e espacial dos resíduos de cada componente magnética à superfície da Terra. As comparações com as séries temporais de indices magnéticos permitiram identificar as correntes/processos importantes para a variabilidade temporal. As comparações entre os padrões espaciais dos EOFs e os padrões espaciais do modelo de anel de corrente e campos magnetosférico e ionosférico do CM4, permitiram a identificação das correntes/processos importantes para a variabilidade espacial. Os resultados mais interessantes são: a maior parte dos resíduos das componentes magnéticas têm a sua variabilidade explicada pelos dois primeiros modos de variabilidade, alguns deles (essencialmente os referentes a médias anuais do menor intervalo de tempo) são praticamente explicados apenas pelo primeiro. Ou seja, o modo 1 explica 40%, 60% e até mais que 90% da variabilidade, enquanto o modo 2 explica desde apenas 0.24% até quase 30%. O anel de corrente é um processo importante na variabilidade da componente externa, pois influencia fortemente a variação espacial da componente Y. Além disso, a variação temporal da componente X está fortemente correlacionada com a variação temporal do anel de corrente. No entanto, os EOFs da componente X apresentam uma assimetria latitudinal em relação ao equador geomagnético, contrária ao que se esperava se o anel de corrente fosse a principal contribuição para esta componente. Ainda, as PCs da componente X correlacionam-se muito bem com os indices magnéticos associados às correntes polares e correntes alinhadas, o que sugere que a variabilidade desta componente também depende fortemente das correntes polares e das correntes alinhadas nas altas latitudes (principalmente no hemisférico Norte). Os EOFs da componente Z apresentam um padrão não relacionado com o anel de corrente nem com os campos magnetosférico e ionosférico. Esse padrão consiste em amplitudes de sinais opostos no hemisfério oeste e este, relativamente ao meridiano de Greenwich, o que leva a pensar que a variabilidade desta componente poderá estar ligada a correntes induzidas no oceano Atlântico. As elevadas correlações entre vários índices magnéticos e as PCs levantam a questão sobre se uma parametrização da variação temporal da componente externa nos modelos actuais apenas à custa do índice Dst não será muito simplista e enganadora. Outros resultados foram obtidos, como a identificação em vários EOFs de um padrão de grande amplitude na região da América do Sul que poderá estar relacionado com a Anomalia do Atlântico Sul (SAA), levantando a questão sobre se a subtracção do sinal interno foi eficaz na remoção desta anomalia ou, então, se a variação temporal desta anomalia induz correntes que contribuem para a componente externa do campo. A existência do sinal do jerk de 1969 em PCs da componente Y, levanta igualmente a questão acerca da correcta subtracção da componente interna do campo.
The magnetic field measured by ground-based observatories has a contribution not only from internal (liquid core and crustal) sources but also from sources above the Earth’s surface which give rise to the external component. This external component is due to a number of electrical currents in the magnetosphere-ionosphere system, whose sources are directly or indirectly related to the dynamical interaction between the Sun and the Earth’s environment. The Sun daily illumination creates a thermic tide which generates plasma currents in the day side ionosphere, known as “solar-quiet day” (Sq) and equatorial electrojet, dominant in mid- and low latitudes. Furthermore, there are current systems in the polar regions, the auroral or polar electrojets, which are horizontal electric currents flowing in the E-region auroral belts. The interaction between the solar wind and the Earth’s magnetic field generates the magnetopause current and the ring current. The first one flows primarily from dawn to dusk sunwards, and from dusk to dawn in the nightside, where it is called the tail current. The ring current consists on a drift of electrons and ions in the radiation belt flowing westward around the Earth at a distance between 3 and 6 Earth radius (RE), strongly dependent on the solar activity. Additional magnetosphere-ionosphere currents are present, like the field-aligned currents (from the equatorial magnetosphere to high-latitude ionosphere) with two main regions of action: Region 1, more poleward and Region 2, more equatorward. In this study, and in order to identify the variability associated to different external current affecting the magnetic field at the Earth’s surface, the external component was isolated from the magnetic observatory annual and monthly means of five magnetic components (X, Y, Z, H and F) during two time intervals: 1963-2001 and 1968-1990. That was done by subtracting the main field (liquid core) contribution given by the CM4 model on each observatory. Then the Empirical Orthogonal Function analysis was used on the components of the residuals. This method allows one to identify the spatial global pattern (empirical orthogonal functions) and the temporal function variation (principal components) of the major variability modes responsible for each component of the external field. Each mode of spatial and temporal variation can hopefully be related with a specific current or a set of coupled currents. Only the X, Y and Z components provided significant results, as the H and F components depend on the other three. The principal components were compared with geomagnetic indices time series (Dst, aa, AE, PC, ASY and SYM) and with the sunspot number data series. The empirical functions where compared with an analytical model for the ring current and with the results of the magnetospheric and ionospheric field components from the CM4 model. These comparisons allowed one to identify the external currents and/or processes associated to external currents which are more important to the time and spatial variability of each component of magnetic residuals, measured at the Earth’s surface. Main interesting results are: the ring current is not the only important source explaining the variability of the external component currents in auroral and polar latitudes, and also the field-aligned currents are seemingly more important; the Z component spatial variability could be related with induced currents in the Atlantic Ocean; and also, using only but the Dst time series to parameterize the temporal variation of the external sources shows to be a too simplistic approach.
The magnetic field measured by ground-based observatories has a contribution not only from internal (liquid core and crustal) sources but also from sources above the Earth’s surface which give rise to the external component. This external component is due to a number of electrical currents in the magnetosphere-ionosphere system, whose sources are directly or indirectly related to the dynamical interaction between the Sun and the Earth’s environment. The Sun daily illumination creates a thermic tide which generates plasma currents in the day side ionosphere, known as “solar-quiet day” (Sq) and equatorial electrojet, dominant in mid- and low latitudes. Furthermore, there are current systems in the polar regions, the auroral or polar electrojets, which are horizontal electric currents flowing in the E-region auroral belts. The interaction between the solar wind and the Earth’s magnetic field generates the magnetopause current and the ring current. The first one flows primarily from dawn to dusk sunwards, and from dusk to dawn in the nightside, where it is called the tail current. The ring current consists on a drift of electrons and ions in the radiation belt flowing westward around the Earth at a distance between 3 and 6 Earth radius (RE), strongly dependent on the solar activity. Additional magnetosphere-ionosphere currents are present, like the field-aligned currents (from the equatorial magnetosphere to high-latitude ionosphere) with two main regions of action: Region 1, more poleward and Region 2, more equatorward. In this study, and in order to identify the variability associated to different external current affecting the magnetic field at the Earth’s surface, the external component was isolated from the magnetic observatory annual and monthly means of five magnetic components (X, Y, Z, H and F) during two time intervals: 1963-2001 and 1968-1990. That was done by subtracting the main field (liquid core) contribution given by the CM4 model on each observatory. Then the Empirical Orthogonal Function analysis was used on the components of the residuals. This method allows one to identify the spatial global pattern (empirical orthogonal functions) and the temporal function variation (principal components) of the major variability modes responsible for each component of the external field. Each mode of spatial and temporal variation can hopefully be related with a specific current or a set of coupled currents. Only the X, Y and Z components provided significant results, as the H and F components depend on the other three. The principal components were compared with geomagnetic indices time series (Dst, aa, AE, PC, ASY and SYM) and with the sunspot number data series. The empirical functions where compared with an analytical model for the ring current and with the results of the magnetospheric and ionospheric field components from the CM4 model. These comparisons allowed one to identify the external currents and/or processes associated to external currents which are more important to the time and spatial variability of each component of magnetic residuals, measured at the Earth’s surface. Main interesting results are: the ring current is not the only important source explaining the variability of the external component currents in auroral and polar latitudes, and also the field-aligned currents are seemingly more important; the Z component spatial variability could be related with induced currents in the Atlantic Ocean; and also, using only but the Dst time series to parameterize the temporal variation of the external sources shows to be a too simplistic approach.
Descrição
Tese de mestrado em Ciências Geofísicas (Geofísica Interna), apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2012
Palavras-chave
Campo magnético terrestre Observatórios magnéticos Componente externa Índices geomagnéticos Funções empíricas ortogonais (EOF) Teses de mestrado - 2012