A survey of polar cap densities based on Cluster EFW probe ... · Dst [nT] Ne [cm-3] Polar cap (Lat...

1
S. Haaland ,1,2  K. Svenes 3  B. Lybekk 4  A. Pedersen 4 1  Max-Planck Institute, Lindau, Germany 2  University of Bergen, Norway Norwegian Defense Research Establishment, Kjeller, Norway  4  University of Oslo, Norway The polar cap and magnetospheric lobe regions are interfaces between plasma sources in the solar wind and ionosphere. Due to the low plasma density and high potential obtained by spacecraft in these regions, in-situ measurements based on traditional particle instruments are notoriously difficult. We have obtained new and more accurate plasma densities in these regions based on spacecraft potential measurements from the EFW-instrument. Plasma density values are found from such observations by converting from the potential measurements using a functional relationship between these two parameters.  From a database containing 10 years of data, the density distribution can be obtained for the lobe- and polar cap regions and to some extent their footpoint in the polar ionosphere.  Based on this material, statistical investigations of variations in the density and polar cap size are carried out with respect to solar wind driving as well as internal magnetospheric processes. Similarities and variations in solar cycle dependency are discussed. Introduction The low particle density above the polar cap regions makes direct measurements with plasma instruments difficult. In addition to the low count rates, measurements are often severely affected by spacecraft charging. A spacecraft immersed in a thin plasma emit photo electrons and will eventually be charged to large positive potentials. A significant part of the low energy ion population will therefore be shielded from the detectors, and e.g., moment calculations will not be very reliable.  An additional challenge is that the low density which requires either long integration times or large geometric factors of the sensor to obtain sufficient number of counts for reliable moment calculations.  Most of our recent knowledge about the density of polar cap and lobe region have therefore been based on measurements from double probe instruments.  In this poster, we present a survey of polar cap density obtained with this technique during 10 years of EFW operation. A survey of polar cap densities based on Cluster EFW probe measurements. Vpr ~ 2V Va = 0 Vsc  ~ 44m  ~ 44m Vsc controlled by balance between photo electrons escaping (IPHS) and electrons collected (IES) from the ambient plasma. A,B changes over time due to changes in solar irradiance (EUV) Methodology The density is derived from a functional dependence between the spacecraft-probe potential and electron density density. Details about calibration can be found in Pedersen et al, 2008 and the results are discussed in Haaland et al, 2011. Dataset characteristics The total data set used for this survey consists of ~555'000  (~9'300 hours) 1 minute averages of derived density as well as auxiliary data such as the corresponding spacecraft position, activity indices, solar wind and IMF observations. From this data set we then extract subsets and look for correlations and dependencies. Spatial coverage : Since we focus on polar cap, we first limit the data collection to two roughly 10 x 10 x 10 Re boxes above the northern and southern hemisphere. To study correlations and dependencies (see histograms to the right), we also include only data taken along field lines above 80 deg AACGM latitude. This selection is conservative, but prevents inclusion of data from e.g., the auroral zone or regions with closed field lines. Distribution What controls the polar cap density To answer this question, we bin the data according to solar wind, IMF and geomagnetic activity levels. Only data obtained  along magnetic field lines with footpoints above 80 degrees AACGM latitude are used. 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 F10.7 index Ne [cm-3] 2.3 2.6 2.9 3.2 4.1 4.4 4.7 5.0 3.5 3.8 EUV (0-105 nm) [ mW/m 2 ] Polar cap (Lat >= 80°), Median values -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 0.150 0.200 0.250 0.300 0.350 Dst [nT] Ne [cm-3] Polar cap (Lat >= 80°), Median values (Poor coverage 4h) (Ne = 0.06 - poor coverage 20h) Solar wind and IMF control The highest densities are found for southward IMF condition, perhaps as a result of solar wind plasma entry. Binning according to solar wind dynamic pressure (right panel) shows a clear correlation. This may be another indication of solar wind plasma penetration, but more likely the result of increased magnetosphere compression. -180 -135 -90 -45 0 45 90 135 0.100 0.150 0.200 0.250 0.300 0.350 Clock Angle [deg] Ne [cm-3] 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 0.150 0.200 0.250 0.300 0.350 Pdyn [nPa] Ne [cm-3] Polar cap (Lat >= 80°), Median values Polar cap (Lat >= 80°), Median values Red line = Median – all data lat > 80° Solar irradiance We have two proxies for solar irradiance in our data set; he F10.7 index and measured EUV from the Timed satellite (not available for 2001). Both show a clear positive correlation between with UV radiation and polar cap density. This result is a strong indication of ionospheric origin; Higher UV means stronger ionization of the ionosphere. Outflow will then transport the plasma from the ionosphere into the magnetosphere and Cluster altitudes. Geomagnetic activity The Dst and AE indices reflect processes internal to the magnetosphere; A strong negative Dst is typically associated with enhanced dayside reconnection and enhanced convection. AE is primarily related to short time, transient events like BBFs which set up and enhance field aligned currents in the auroral zone. For low and moderate Dst values, we see little or no correlation. For strongly negative Dst values, the higher densities may be related to penetration of solar wind plasma. Large positive Dst values occur under strong compressions (e.g., SSCs)  and may explain the higher polar cap density under such conditions. Sources of polar cap plasma Two conceivable plasma sources exist; 1) outflow from the upper ionosphere due to ionization as demonstrated above. 2) solar wind entry.  The figure below, which shows the density as function of radial distance, shows a marked drop in the density around 5 Re; The statistical mode inside 5-6 Re is roughly order of magnitude higher than at larger distances, and may be a signature of the plasma of ionospheric origin.  Unlike the correlation plots above, we here use the full, 9'300hr data set. Summary and conclusions We have used 10 years of electron density measurements derived from the Cluster EFW probe potential to study polar cap density variations. The results show : * For the full dataset, the statistical mean, median and mode are 0.34, 0.26 and 0.062 cm -3 , respectively. * The polar cap plasma density varies with solar activity; Higher UV irradiance leads to increased ionization and thus higher electron density. * Increased solar wind dynamic pressure (which may be due to either increased solar wind density or velocity) leads to a higher polar cap density. This can probably be explained by a compression of the whole magnetosphere. * We also find a correlation between IMF and the density; Southward IMF is associated with higher densities, but it is unclear whether this is due to solar wind penetration or secondary effects. * Internal processes in the magnetosphere, such as substorms, BBFs (reflected in the AE index) does not seem to play any direct role for polar cap density. During storms (strong negative Dst), the polar cap density is on average higher then during quiet conditions. This may be caused by increased solar wind plasma entry, but secondary effects may also play a role. I ES = Ne C F V e 1 / 2 A SC [ 1 Vsc Vpr / Ve ] Ne ~ Ae Vsc B 10 8 6 4 2 -2 -4 -6 -8 -10 -12 -14 10 8 6 4 2 -2 -4 -6 -8 -10 -12 -14 -4 -2 2 4 Y GSE [Re] Z GSE [Re] Ne [cm-3] 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 4 2 -2 -4 -6 X [Re] Z GSE [Re] YZ - projection XZ - projection 0.001             0.01     0.1      1      Density [cm -3 ] 2.5 10 4 2.0 10 4 1.5 10 4 1.0 10 4 0.5 10 4 Number of records Polar cap (9253 hours) : Mean = 0.34 cm -3 Median = 0.26 cm -3 Mode = 0.062 cm -3 Lobes [Svenes et al., 2008] Mean = 0.12 cm -3 Median = 0.074 cm -3 Mode = 0.051 cm -3 The figure to the left shows the distribution of densities for the data set, and a corresponding data set from obtained using the same technique, but from the magnetotail lobes. The distribution has a high density tail, which may be the result of inclusion/contamination from other source regions, thus the difference between the statistical moments. For comparison, we also show a similar data set, derived from the same instrumentation and methodology, but from the magnetospheric lobes [Svenes et al, 2008]. References Haaland et al., A survey of the polar cap density based on Cluster EFW probe measurements, Ann. Geophys. In preparation Lybekk, et al. Solar cycle variations of the Cluster spacecraft potential and its use for electron density estimations, Ann. Geophys. Submitted. Pedersen et al, Electron density estimations derived from spacecraft potential measurements on Cluster in tenuous plasma regions, J. Geophys Res, Volume 113, 2008. Svenes et al, Cluster observations of near-Earth magnetospheric lobe plasma densities a statistical study, Ann. Geophys., Volume 26, 2008.       5       10       15 Radial distance [Re] 1.00 0.10 0.01 MEAN MODE MEDIAN Density [1/cm 3 ] 12 MLT 18 MLT 00 MLT 06 MLT

Transcript of A survey of polar cap densities based on Cluster EFW probe ... · Dst [nT] Ne [cm-3] Polar cap (Lat...

Page 1: A survey of polar cap densities based on Cluster EFW probe ... · Dst [nT] Ne [cm-3] Polar cap (Lat >= 80°), Median values (Poor coverage 4h) (Ne = 0.06 poor coverage 20h) Solar

S. Haaland,1,2,  K. Svenes3,  B. Lybekk4,  A. Pedersen4

1 Max­Planck Institute, Lindau, Germany 2 University of Bergen, Norway3 Norwegian Defense Research Establishment, Kjeller, Norway  4 University of Oslo, Norway

The polar cap and magnetospheric lobe regions are interfaces between plasma sources in the solar wind and ionosphere. Due to the low plasma density and high potential obtained by spacecraft in these regions, in­situ measurements based on traditional particle instruments are notoriously difficult. We have obtained new and more accurate plasma densities in these regions based on spacecraft potential measurements from the EFW­instrument. Plasma density values are found from such observations by converting from the potential measurements using a functional relationship between these two parameters.  From a database containing 10 years of data, the density distribution can be obtained for the lobe­ and polar cap regions and to some extent their footpoint in the polar ionosphere.  Based on this material, statistical investigations of variations in the density and polar cap size are carried out with respect to solar wind driving as well as internal magnetospheric processes. Similarities and variations in solar cycle dependency are discussed.

Introduction

The low particle density above the polar cap regions makes direct measurements with plasma instruments difficult. In addition to the low count rates, measurements are often severely affected by spacecraft charging. A spacecraft immersed in a thin plasma emit photo electrons and will eventually be charged to large positive potentials. A significant part of the low energy ion population will therefore be shielded from the detectors, and e.g., moment calculations will not be very reliable.  An additional challenge is that the low density which requires either long integration times or large geometric factors of the sensor to obtain sufficient number of counts for reliable moment calculations.  Most of our recent knowledge about the density of polar cap and lobe region have therefore been based on measurements from double probe instruments.  In this poster, we present a survey of polar cap density obtained with this technique during 10 years of EFW operation. 

A survey of polar cap densities based on Cluster EFW probe measurements.

Vpr ~ 2V

Va = 0

Vsc

← ~ 44m

 →

← ~ 44m

 →

● Vsc controlled by balance between photo electrons escaping (IPHS) and electrons collected (IES) from the ambient plasma.

● A,B changes over time due to changes in solar irradiance (EUV)

Methodology

The density is derived from a functional dependence between the spacecraft­probe potential and electron density density. Details about calibration can be found in Pedersen et al, 2008 and the results are discussed in Haaland et al, 2011.

Dataset characteristics

The total data set used for this survey consists of ~555'000  (~9'300 hours) 1 minute averages of derived density as well as auxiliary data such as the corresponding spacecraft position, activity indices, solar wind and IMF observations. From this data set we then extract subsets and look for correlations and dependencies.

Spatial coverage :

Since we focus on polar cap, we first limit the data collection to two roughly 10 x 10 x 10 Re boxes above the northern and southern hemisphere. To study correlations and dependencies (see histograms to the right), we also include only data taken along field lines above 80 deg AACGM latitude. This selection is conservative, but prevents inclusion of data from e.g., the auroral zone or regions with closed field lines.

Distribution

What controls the polar cap density

To answer this question, we bin the data according to solar wind, IMF and geomagnetic activity levels. Only data obtained  along magnetic field lines with footpoints above 80 degrees AACGM latitude are used.

100 120 140 160 180 200 220 240 260 280

100 120 140 160 180 200 220 240 260 280

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

F10.7 index

Ne

[c

m-3

]

2.3 2.6 2.9 3.2 4.1 4.4 4.7 5.03.5 3.8

EUV (0­105 nm) [ mW/m2]

Polar cap (Lat >= 80°), Median values

-100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 200.150

0.200

0.250

0.300

0.350

Dst [nT]

Ne

[cm

-3]

Polar cap (Lat >= 80°), Median values

(Poo

r co

vera

ge 4

h)

(Ne 

= 0.

06 ­ 

poor

 cov

erag

e 20

h)

Solar wind and IMF control

The highest densities are found for southward IMF condition, perhaps as a result of solar wind plasma entry. Binning according to solar wind dynamic pressure (right panel) shows a clear correlation. This may be another indication of solar wind plasma penetration, but more likely the result of increased magnetosphere compression.

-180 -135 -90 -45 0 45 90 1350.100

0.150

0.200

0.250

0.300

0.350

Clock Angle [deg]

Ne

[cm

-3]

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.00.150

0.200

0.250

0.300

0.350

Pdyn [nPa]

Ne

[cm

-3]

Polar cap (Lat >= 80°), Median valuesPolar cap (Lat >= 80°), Median values

Red line = Median – all data lat > 80°

Solar irradiance

We have two proxies for solar irradiance in our data set; he F10.7 index and measured EUV from the Timed satellite (not available for 2001). 

Both show a clear positive correlation between with UV radiation and polar cap density. This result is a strong indication of ionospheric origin; Higher UV means stronger ionization of the ionosphere. Outflow will then transport the plasma from the ionosphere into the magnetosphere and Cluster altitudes.

Geomagnetic activity

The Dst and AE indices reflect processes internal to the magnetosphere; A strong negative Dst is typically associated with enhanced dayside reconnection and enhanced convection. AE is primarily related to short time, transient events like BBFs which set up and enhance field aligned currents in the auroral zone.

For low and moderate Dst values, we see little or no correlation. For strongly negative Dst values, the higher densities may be related to penetration of solar wind plasma. Large positive Dst values occur under strong compressions (e.g., SSCs)  and may explain the higher polar cap density under such conditions.

Sources of polar cap plasma

Two conceivable plasma sources exist; 1) outflow from the upper ionosphere due to ionization as demonstrated above. 2) solar wind entry.  The figure below, which shows the density as function of radial distance, shows a marked drop in the density around 5 Re; The statistical mode inside 5­6 Re is roughly order of magnitude higher than at larger distances, and may be a signature of the plasma of ionospheric origin.  Unlike the correlation plots above, we here use the full, 9'300hr data set.

Summary and conclusions

We have used 10 years of electron density measurements derived from the Cluster EFW probe potential to study polar cap density variations. The results show :

* For the full dataset, the statistical mean, median and mode are 0.34, 0.26 and 0.062 cm­3, respectively.

* The polar cap plasma density varies with solar activity; Higher UV irradiance leads to increased ionization and  thus higher electron density.

* Increased solar wind dynamic pressure (which may be due to either increased solar wind density or velocity) leads to a higher polar cap density. This can probably be explained by a compression of the whole magnetosphere.

* We also find a correlation between IMF and the density; Southward IMF is associated with higher densities, but it is unclear whether this is due to solar wind penetration or secondary effects.

* Internal processes in the magnetosphere, such as substorms, BBFs (reflected in the AE index) does not seem to play any direct role for polar cap density. During storms (strong negative Dst), the polar cap density is on average higher then during quiet conditions. This may be caused by increased solar wind plasma entry, but secondary effects may also play a role. 

I ES = NeC FV e1 / 2ASC [1Vsc−Vpr /Ve ]

Ne~Ae−VscB

10

8

6

4

2

-2

-4

-6

-8

-10

-12

-14

10

8

6

4

2

-2

-4

-6

-8

-10

-12

-14

-4 -2 2 4 YGSE

[Re]

ZGSE

[Re]

Ne [cm-3]

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

4 2 -2 -4 -6 X [Re]

ZGSE

[Re]

YZ ­ projection XZ ­ projection

0.001               0.01       0.1      1     Density [cm­3]

2.5 104

2.0 104

1.5 104

1.0 104

0.5 104

Num

ber o

f rec

ords

Polar cap (9253 hours) :Mean  = 0.34 cm­3

Median  = 0.26 cm­3

Mode  = 0.062 cm­3

Lobes [Svenes et al., 2008]Mean  = 0.12 cm­3

Median  = 0.074 cm­3

Mode  = 0.051 cm­3

The figure to the left shows the distribution of densities for the data set, and a corresponding data set from obtained using the same technique, but from the magnetotail lobes.

The distribution has a high density tail, which may be the result of inclusion/contamination from other source regions,thus the difference between the statistical moments.

For comparison, we also show a similar data set, derived from the same instrumentation and methodology, but from the magnetospheric lobes [Svenes et al, 2008].

References

Haaland et al., A survey of the polar cap density based on Cluster EFW probe measurements, Ann. Geophys. In preparation

Lybekk, et al. Solar cycle variations of the Cluster spacecraft potential and its use for electron density estimations, Ann. Geophys. Submitted.

Pedersen et al, Electron density estimations derived from spacecraft potential measurements on Cluster in tenuous plasma regions, J. Geophys Res, Volume 113, 2008.

Svenes et al, Cluster observations of near­Earth magnetospheric lobe plasma densities a statistical study, Ann. Geophys., Volume 26, 2008.

         5         10         15Radial distance [Re]

1.00

0.10

0.01

MEAN

MODE

MEDIAN

Den

sity

 [1/c

m3 ]

12 MLT

18 MLT

00 MLT

06 MLT