Global and mid-latitude impact of ten years of solar activity using observational data of the geophysical and astronomical observatory of the University of Coimbra

Abstract

The focus of this thesis is to identify the role and dynamics of different current systems for storm-time activity at mid-latitude ground level and their relation with other solar, interplanetary and geomagnetic parameters, in the 2007-2016 time interval. For this purpose, I compared the synthetic series of six magnetospheric current systems computed with the data-based semi-empirical model of Tsyganenko and Sitnov 2005 (TS05), with the measurements of four mid-latitude geomagnetic stations at very near geomagnetic latitudes, but well apart in longitude (Coimbra (COI), Portu- gal; Panagyurishte (PAG), Bulgary; Novosibirsk (NVS), Russia; Boulder (BOU), USA), and with other ground and satellite-based solar, interplanetary and geomagnetic parameters obtained from the OMNI/NASA database. An evaluation of TS05 model is presented, in order to determine the model ability to reproduce both the total magnetospheric transient signal and to explain this signal through the contribution of each TS05 magnetospheric current system at ground level, comparing them with hourly data of the four geomagnetic stations selected. It was found that TS05 model is a useful tool to explain ground-based North-South (or X) component of geomagnetic activity at mid-latitudes, in terms of main current sources. It was verified that TS05 is efficient to reproduce the X component of terrestrial magnetospheric field at mid-latitudes during high geomagnetic activity time, with correlations r ≥ 0.7 in ∼50% of compared data, presenting a lower efficiency during calm time, with correlations r ≥ 0.7 only in ∼30% of data compared. Results are less favourable for the East-West (or Y ) component, probably due to the fact that TS05 model closes Birkeland (or field-aligned, FAC) currents through the Earth’s centre instead of through the ionosphere. It was found that currents that contribute most to the X component during geomagnetic active periods are the cross-tail (TAIL), the symmetric ring (SRC) and the partial ring (PRC) currents. The currents that contribute most to Y component are FAC and PRC currents. For all stations the highest correlations among observations and TS05 simulations are obtained for stronger geomagnetic activity. The results in this study indicate that the implementation of TAIL and SRC currents in TS05 model is more successful than that for the FAC current. The quiet daily (QD) variation has a main contribution from ionospheric currents, which are not considered in TS05 model. For observatories at Northern Hemisphere’s mid-latitudes that are localized close to the ionospheric current vortex center (COI and PAG), it was possible to separate efficiently the QD ionospheric contribution using Principal Component Analysis (PCA). For the other two stations (NVS and BOU) It was found a relatively higher contribution of magnetospheric signal in the QD variation. After removing the QD variation from data, COI and PAG are better correlated with TS05 series than BOU and NVS. However, BOU and NVS are better correlated with geomagnetic indices Dst (disturbance storm-time) and RC (ring current), with RC showing a slightly less good performance with respect to Dst. Correlations between 33 solar, interplanetary magnetic field (IMF) and geomagnetic activity proxies where analysed for the 2009-2016 time interval. It was found that series of 27-day averages (Bartels’ rotation) give higher correlations than daily or annual series. Parameters that show higher cross-correlations among different groups are the Sun’s northern and southern facular areas (FA-N and FA-S), two geomagnetic indices derived from TS05 model (T-SRC and T-PRC), the total IMF intensity (B), the percentage of IMF southward component (B ZS GSM) and the interplanetary coupling Newell’s function. We propose that these parameters are the best candidates to use if we want to relate meaningfully the solar surface events to geomagnetic activity felt on the Earth’s surface. Two new proxies were tested, 1) TI-indices, calculated from the X TS05-derived series of TAIL, SRC, PRC and FAC contributions for the four observatories and 2) B ZS GSM, calculated as the daily percentage of IMF southward component along the GSM Z-axis. Helio-magnetic asymmetries were calculated for the 33 parameters, as the difference between their averaged values in the towards and away magnetic sectors of the interplanetary medium. Improvement in 27-day correlations with respect to annual correlations is the result of an annual oscillation in this asymmetry, which is present in most studied proxies and is probably due to the Russell-McPherron effect. Due to this effect, B ZS GSM and B Z GSM have a well-defined annual modulation, and GAI proxies also have annual oscillation and good correlations with B_ZS GSM and B_Z GSM. TI-indices have annual oscillation at declining phase of the cycle, but insignificant oscillation near the minimum. Major percentage of towards days in negative polarity epoch and of away days in positive polarity epoch means that the Earth has been mostly at the northern magnetic hemisphere during the solar cycle 24. In conclusion, the main part of this Ph.D. thesis was dedicated to the design and implementation of a statistical approach that was applied to test the performance of the TS05 model in explaining geomagnetic activity observed at Earth’s Northern Hemisphere mid-latitudes. This approach can be applied to test any other magnetospheric model. At the end of this work, a prospective study was made using different proxies that describe the Sun surface, the interplanetary medium and geomagnetic activity, to identify those parameters that should be more meaningfully used to relate the Sun to the geomagnetic activity observed on Earth.

Esta tese estuda os processos físicos relacionados com a atividade eomagnética detetada em observatórios magnéticos à superfície da Terra em locais de latitudes intermédias, ou seja, afastados do pólos e do equador, bem como a sua relação com a atividade solar e o meio interplanetário durante o período temporal 2007-2016. Para isto, numa primeira parte do trabalho são comparadas séries temporais simuladas, obtidas através do modelo semi-empírico de Tsyganenko and Sitnov 2005 (TS05), com as séries de dados obtidas em quatro observatórios (de latitude geomagnética próxima e espaçados em longitude) a saber: Coimbra (COI), Portugal; Panagyurishte (PAG), Bulgaria; Novosibirsk (NVS), Rússia e Boulder (BOU), USA. São ainda incluídos no estudo dados observacionais de instrumentos em Terra e no Espaço compilados na base de dados OMNI/NASA. Este estudo permite, assim, testar o modelo TS05 no que concerne a modelação das observações geomagnéticas à superfície da Terra. Os resultados apontam para que o modelo TS05 reproduz bem a componente geomagnética Norte-Sul durante os dias ativos mas é menos eficiente nos dias calmos. Por outro lado, este estudo mostra que o modelo TS05 não reproduz bem a componente Este-Oeste sendo que a causa para isso deverá ser o facto do modelo forçar o fecho das correntes Birkeland no centro da Terra e não na ionosfera. Mostra-se ainda que a componente geomagnética Norte-Sul, durante os dias ativos, é, essencialmente, influenciada pelas correntes de cauda (TAIL), a corrente de anel simétrico (SRC) e a corrente de anel parcial (PRC). Em contrapartida, a componente Este-Oeste é determinada pelas correntes FAC e PRC. As correlações entre os registos e o modelo TS05 melhoram consideravelmente nos dias geomagneticamente ativos, para qualquer um dos observatórios. Este resultado pode explicar-se pelo facto da variação magnética diurna (QD, de ‘quiet daily’) ter uma contribuição principal das correntes ionosféricas e estas não serem incluídas no modelo TS05. No caso dos observatórios localizados próximo do centro do vórtice de correntes ionosféricas (a saber COI e PAG), foi possível separar com sucesso a contribuição QD. Assim, naturalmente, após a remoção da variação QD dos dados do modelo TS05, a correlação entre o modelo e as séries de COI e PAG melhora em relação ao que ocorre em BOU e NVS. Em contrapartida os registos destes dois observatórios aparecem bem correlacionados com os índices geomagnéticos Dst (‘disturbance storm-time’) e RC (‘ring current’). Posteriormente foi feito um estudo correlacionando 33 parâmetros representativos da interação Sol-Terra no período 2009 a 2016: parâmetros solares, parâmetros do campo magnético interplanetário (IMF) e índices geomagnéticos (GAI). Mostra-se que as correlações são melhores usando médias sobre o período de rotação solar (27 dias) do que usando médias diurnas, o que sugere a necessidade de tomar em conta atrasos de propagação e efeitos cumulativos no estudo da interação Sol-Terra. A partir das médias de 27 dias, mostra-se que as correlações globais (a 33 parâmetros) são melhores para os seguintes parâmetros: áreas das regiões faculares, T-SRC e T-PRC (onde "T" indica que a grandeza foi determinada pelo modelo TS05 - índices TI), o módulo do vector do campo IMF, a percentagem sul de IMF (BZS GSM) e a função de Newell, de acoplamento vento solar/magnetosfera. Por outro lado, foram calculadas as assimetrias helio-magnéticas decorrentes da diferença entre os valores médios dos parâmetros durante o trânsito através dos setores de polaridade solar positiva e negativa do meio interplanetário. Da análise das referidas assimetrias constata-se que a Terra esteve, durante o ciclo 24, mais tempo a norte do que a sul do equador solar. Além disso, as assimetrias põem em evidência uma oscilação anual presente nas séries de BZS GSM, BZ GSM e nos índices GAI e explicada em princípio pelo efeito de Russell-McPherron. Nota-se ainda uma variação anual dos índices TI durante a fase descendente do ciclo solar. Em conclusão, a maior parte do trabalho desta tese foi ocupada com a implementação de uma série de testes estatísticos aplicados ao estudo do desempenho do modelo TS05 na simulação da atividade geomagnética observada a latitudes intermédias do Hemisfério Norte. O esquema de testes aqui proposto pode no futuro ser aplicado a qualquer outro modelo da magnetosfera. No final deste trabalho, realizou-se ainda uma pesquisa envolvendo diferentes parâmetros que caraterizam a superfície do Sol, o meio interplanetário e a atividade geomagnética, com o intuito de identificar os mais adequados a ser utilizados para relacionar fenómenos à superfície do Sol com a atividade geomagnética observada na Terra.