Auswirkungen von variabler solarer Aktivität auf die neutrale exosphärische Wasserstoffdichte der Erde auf Zeitskalen von halben Stunden bis zum solaren Zyklus

Description: Basierend auf 10 Jahren globaler Lyman-a Beobachtungen von TWINS wird vorgeschlagen, in 3D die Variation der neutralen Exosphäre der Erde verursacht von Variabilität der solaren Aktivität (nur Sonnenwind oder UV und beide gemeinsam) auf Zeitskalen von Jahren (solarer Zyklus) über Tage (27 Tage solare Rotation) bis zu Stunden (geomagnetische Stürme) zu untersuchen.Die Exosphäre ist die äußerste Region der Atmosphäre und besteht vor allem aus neutralem Wasserstoff (H). Als Übergang in den interplanetaren Raum spielt sie eine wichtige Rolle für die gesamte Entwicklung der Erdatmosphäre von der urzeitlichen Vergangenheit bis in die Zukunft, z.B. durch Verlust von H aus Oberflächenwasser in den Weltraum. Da unmittelbar der UV-Strahlung und solaren Aktivität ausgesetzt können Space Weather-Ereignisse (wie geomagnetische Stürme) signifikante Effekte auf die neutrale Exosphäre haben. Über die quantitativen Einflüsse und die relevanten physikalischen Prozesse ist bislang nur wenig bekannt.Exosphärische H-Atome streuen resonant solare Lyman-a Strahlung zurück. Die gestreute Intensität ist proportional zur lokalen H-Dichte im optisch dünnen Bereich oberhalb von 3 Re (Erdradien). Die TWINS Daten enthalten einzigartige kontinuierliche exosphärische Lyman-a Messungen in 3D aus 10 Jahren und sind erst teilweise analysiert.Es wird vorgeschlagen, mittels tomographischer und kinetischer Modelle in 3D die dynamische H-Dichtevariationen verursacht durch variierendes Space Weather auf verschiedenen Zeitskalen bei 3-8 Re zu untersuchen.Erstens soll die Entwicklung der H-Dichteverteilung über den solaren Zyklus 2008-2018 in 3D charakterisiert werden, insbesondere wie totale H-Dichte, radiale Profile und regionale Asymmetrien rund um die Erde (polar/äquatorial, Tag/Nacht usw.) an den solaren Zyklus gekoppelt sind.Zweitens soll die hoch dynamische Reaktion auf geomagnetische Stürme erstmals in 3D mit Zeitauflösung von Stunden bis ~30 min auf Basis der einzigartig großen Menge an Stürmen in den TWINS-Daten analysiert werden. Durch Monte Carlo Simulationen sollen beitragende physikalische Mechanismen bestimmt und quantifiziert werden.Drittens wird vorgeschlagen, den alleinigen Einfluss von solaren UV-Variationen bei relativ konstantem Sonnenwind zu untersuchen anhand der solaren 27 Tage UV-Variation sowie eruptiver solare UV-Ausbrüche. Im Fokus stehen hier die Effekte durch periodische und eruptive Variationen des Strahlungsdrucks bzw. der Photoionisation, insbesondere auf orbitierende H-Atome in größeren Distanzen.Die Verfügbarkeit eines 3D H-Dichtemodells mit Berücksichtigung dynamischer Variationen durch veränderliches Space Weather wäre ein großer Fortschritt im Verständnis der neutralen Exosphäre. Es besitzt auch eine große Bedeutung für kommende Missionen zur Erforschung der Magnetosphäre (wie SMILE, LEXI oder STORM) auf Basis von ENA- bzw. Soft Röntgen-Messungen, die zur Invertierung korrekte lokale exosphärische H-Dichten zu einer beliebigen Zeit benötigen.

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Origins: /Bund/UBA/UFORDAT

Tags: Röntgenstrahlung ? Solarstrahlung ? Wasserstoff ? Wind ? UV-Strahlung ? Solartechnik ? Oberflächenwasser ? Strahlung ? Sturm ? Evolution ? Oberflächengewässer ? Strahlungsmodell ? Studie ? Modellierung ? Wirkungsmodell ? Exosphäre ? Atmosphäre ? Datenbank ? Weltraum ? Wetter ? Physikalischer Vorgang ? Inversionswetterlage ?

Region: Nordrhein-Westfalen

Bounding boxes: 6.76339° .. 6.76339° x 51.21895° .. 51.21895°

License: cc-by-nc-nd/4.0

Language: Deutsch

Organisations

• Deutsche Forschungsgemeinschaft (Betreiber*in)
• Deutsche Forschungsgemeinschaft (Geldgeber*in)
• Umweltbundesamt (Bereitsteller*in)

Time ranges: 2021-01-01 - 2025-06-30

Alternatives

• Language: Englisch/English
  Title: Impacts of Variable Solar Activity on the Earth’s Neutral Exospheric Hydrogen Density at Timescales from Half-Hours to Solar Cycle
  Description: Based on 10 years of global exospheric Lyman-a observations by TWINS we propose to investigate the 3D variation of the neutral exosphere of the Earth caused by different solar activity variability (solely solar wind or UV and both combined) on timescales from years (solar cycle) over days (27 day solar rotation period) to hours (geomagnetic storms).The exosphere is the outermost region of the atmosphere and mainly consists of neutral hydrogen (H). As transition zone to the interplanetary space it is of critical importance for the entire historic evolution of the Earth’s atmosphere from the ancient past to the future, for example due to the loss of H from surface water into space. Since directly exposed to radiation and solar activity different space weather events like geomagnetic storms can cause significant impacts on the neutral exosphere. Their quantitative influences and the relevant physical processes are poorly known so far.Exospheric H-atoms resonantly backscatter solar Lyman-a radiation. The scattered intensity is proportional to the local H-density in the optically thin regime above 3 Re (Earth radii). The TWINS satellites collected the unique database of continuous 3D exospheric Lyman-a observation over 10 years, which is just partly analyzed so far.With the usage of tomographic and kinetic modeling techniques we propose to quantify the dynamics of the 3D H-density variation between 3-8 Re as response to varying space weather on different timescales.First, the evolution of the 3D H-density distribution over the solar cycle 2008-2018 will be studied to characterize, how the total number H-density, radial profiles and regional asymmetries around the Earth (polar/equatorial, day/night, dusk/dawn) are coupled with solar cycle.Second, the highly dynamic impacts of geomagnetic storms will be analyzed for the first time in 3D with time resolution of hours to ~30 min using the uniquely large storm sample of TWINS. Monte Carlo simulations will be used to characterize the contributing physical mechanisms responsible for the dynamic H-density response to storms.Third, the influence of solely solar UV variations under the absence of significant solar wind changes will be investigated with two types of variation: the 27 day solar UV-variation (solar rotation cycle) and eruptive UV-flashes at the Sun. We propose to study their impacts on the neutral exosphere, in particular on orbiting H-atoms at larger distances, caused by periodically or rapidly varying photo-ionization rate and radiation pressure.The availability of an H-density model considering the dynamic variations caused by varying space weather would be a significant progress in our understanding of the neutral exosphere. It would also greatly benefit upcoming missions for magnetospheric imaging (like SMILE, LEXI or STORM), since they all need the exospheric H-density at a given point and time for the correct inversion of their ENA- or Soft X-ray measurements. https://ufordat.uba.de/UFORDAT/pages/PublicRedirect.aspx?TYP=PR&DSNR=1118364

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