Geomagnetic and space weather variability modes in satellite data

Abstract

This work focus on the study of the South Atlantic Anomaly (SAA) of the main magnetic field from satellite data, aiming at identifying different sources of variability. This is done by first applying the Principal Component Analysis (PCA) method to particle flux and dark noise data and then to Virtual Observatories (VOs) time series constructed from satellite magnetic records. Particle flux data are provided by three POES NOAA satellites (10, 12 and 15) and the Jason-2 satellite. Dark noise data, which can be interpreted as a proxy to particle flux, are provided by the CALIOP lidar onboard the CALIPSO satellite. The magnetic field information is used in the form of time series for VOs, which were computed from both CHAMP and Swarm data as two separate datasets. The two different groups of data provide different views of the South Atlantic Anomaly. Applying PCA to particle flux data on the SAA produces interesting modes that can be related with specific physical processes involved with the anomaly. The main sources that drive these modes are the Earth’s magnetic field and the Sun. The Sun’s 11-year cycle is a well-known quasi-period of solar activity. This work shows how it clearly affects the evolution of the energetic particles trapped in the inner Van Allen belt, by modulating both their total number and their distribution among different L-shells. The way particles become trapped and move near-Earth is also dictated by the main magnetic field geometry and intensity and so a good understanding of its variation allows for a better description of the evolution of these particles. The main magnetic field, with origin in the Earth’s liquid core, is responsible for a slow drift of the anomaly, associated to the Westward drift of several features of the main field. Changing the frame of reference to that of the eccentric dipole, we were able to identify two separate modes associated with the variability of the solar activity. On longer time-scales, we also observed a linear trend in the spatial evolution of the particle flux. A global analysis of variability modes of the Earth’s magnetic field has not been often addressed. This study also contributes to fill this gap. By decomposing satellite records of the magnetic field into PCA modes, we retrieved modes of internal origin and modes with large external contributions, with no a-priori considerations. An annual signal has been identified and associated with mainly external sources. It exhibits an interesting geometry dominated by a zonal quadrupolar geometry. As for the internal source, three separate modes were obtained from the longest time series analysed. The first of these modes explains most of the variability of the field and represents the mean secular variation. It is closely modelled by an eccentric tilted dipole moving away from the Earth’s center and toward under East Asia. As this study shows, this simple model turns out to be a useful tool that can be used both on regional studies of the SAA and on global studies of the geomagnetic field.

Este trabalho foca-se no estudo da Anomalia do Atlântico Sul (SAA) do campo magnético da Terra a partir de dados de satélite, procurando identificar diferentes fontes de variabilidade. Isto é feito aplicando o método de Análise em Componentes Principais (PCA), primeiro a dados de fluxo de partículas e dark noise, e depois a séries temporais de Observatórios Virtuais (VOs) construídas a partir de dados geomagnéticos de satélites . Os dados do fluxo de partículas provêm de três satélites POES NOAA (10, 12 e 15) e do satélite Jason-2. Os dados de dark noise, que podem ser interpretados como aproximações ao fluxo de partículas, são obtidos do lidar CALIOP a bordo do satélite CALIPSO. Os dados de campo magnético são usados na forma de séries temporais de VOs, calculadas a partir de dados do satélite CHAMP e da constelação de satélites Swarm em duas séries distintas. Os dois tipos de dados evidenciam diferentes aspectos da Anomalia do Atlântico Sul. Aplicar PCA a dados do fluxo de partículas na SAA produz modos interessantes, que podem ser relacionados com processos físicos específicos associados com a anomalia. O campo magnético da Terra e o Sol são os motores principais que influenciam estes modos. O ciclo de 11 anos do Sol é um quasi período de actividade solar bem conhecido. Este trabalho mostra como ele claramente afecta a evolução das partículas energéticas presas no anel de Van Allen interior, tanto a nível de quantidade como a nível da distribuição em diferentes camadas-L. A forma como as partículas ficam aprisionadas e se movimentam perto da Terra também é descrita em termos da geometria e intensidade do campo magnético, pelo que um bom entendimento das variações destes factores permite uma melhor descrição da evolução destas partículas. O campo magnético com origem no núcleo líquido da Terra, é responsável por um lento deslocamento da anomalia, associado com o Westward drift de várias estruturas do campo. Mudando o referencial para o do dipole excêntrico, conseguimos separar o efeito da variação do campo magnético da Terra e identificar dois modos distintos, associados à variabilidade da actividade do Sol. Em escalas de tempo mais longas, observamos uma tendência linear na evolução espacial do fluxo de partículas. Não existem muitos trabalhos que realizem uma análise global dos modos de variabilidade do campo magnético da Terra. Este trabalho também contribui para corrigir esta ausência. Decompondo os dados de satélite do campo magnético em modos PCA, obtivemos modos com origem interna e modos com grandes contribuições externas, não sendo necessário fazer considerações a-priori. Um sinal anual, em particular, foi identificado e associado maioritariamente a fontes externas. Exibe uma geometria interessante dominada por uma geometria quadrupolar zonal. Considerando fontes internas, três modos distintos foram obtidos a partir da série temporal mais longa. O primeiro destes modos explica a maior parte da variabilidade do campo e representa a variação secular média. Este modo é aproximadamente representado por um modelo de dipolo excêntrico inclinado, deslocando-se para longe do centro da Terra em direcção à Ásia. Como se mostra neste trabalho, este modelo simples ́e uma ferramenta útil tanto para estudo locais da SAA como para estudos globais do campo geomagnético.

Ce travail porte sur l’anomalie de l’Atlantique Sud (SAA anglais). Nous avons étudié cette anomalie du champ magnétique principal à partir de données satellitaires afin de mieux connaître les différentes sources de ses variations temporelles. Nous avons appliqué l’analyse en composantes principales (PCA) à des données de flux de particules, de bruit d’un lidar embarqué et à des séries temporelles d’observatoires magnétiques virtuels - séries construites à partir de mesures satellitaires du champ géomagnétique. Les données de flux de particules proviennent de trois satellites de la série POES de la NOAA (POES 10, 12 et 15) ainsi que du satellite Jason-2 du CNES et de la NASA. Nous utilisons aussi le bruit affectant le lidar CALIOP du mini-satellite CALIPSO (CNES/NASA) comme substitut au flux de particules chargées heurtant ce satellite. Pour l’information géomagnétique, deux jeux de données d’observatoires virtuels construits à partir d’enregistrements des satellites CHAMP et Swarm ont été utilisés. Ces deux ensembles différents de données apportent des éclairages complémentaires sur l’anomalie de l’Atlantique Sud. L’analyse en composantes principales des données de flux de particules a permis de distinguer différents modes de variabilité, dus au soleil d’une part et au champ magnétique principal d’autre part. Le cycle solaire de 11 ans affecte à la fois le flux total de particules énergétiques à l’aplomb de l’anomalie de l’Atlantique Sud et leur distribution dans les différentes ceintures de radiation internes. Le champ magnétique principal, qui provient du noyau liquide de la Terre, est responsable d’une lente dérive de l’anomalie de l’Atlantique Sud et par ricochet de la région où il y a un flux intense de particules énergétiques. Une fois déconvolué le rôle du champ magnétique principal, on distingue deux composantes que l’on peut associer sans ambiguïté au cycle solaire. Sur des temps plus longs, nous avons finalement pu mettre en évidence une tendance dans le flux total de particules dans la région de l’Atlantique Sud. Peu d’analyses globales des modes de variabilité du champ interne ont été entreprises. Notre étude vise aussi à combler ce manque. L’analyse en composantes principales permet d’extraire jusqu'à trois modes d’origine interne et un mode annuel combinant contributions interne et externe. Ce dernier mode a une géométrie principalement quadrupolaire et zonale. Le premier des modes purement internes explique l’essentiel de la variabilité du champ et correspond à la variation séculaire moyenne au cours de l’intervalle de temps étudié. Il s’interprète principalement comme la variation de la partie du champ géomagnétique représentée par un dipôle qui serait de plus en plus décalé par rapport au centre de la Terre en direction de l’Asie du Sud-Est et qui serait aussi incliné par rapport à l’axe de rotation. Ainsi, ce simple modèle nous a été utile à la fois pour rendre compte du flux de particule au dessus de l’anomalie de l’Atlantique Sud et pour interpréter la variation du champ géomagnétique à l'échelle globale.