Yukarı atmosfer joule ısınmasının gözlem ve uzay havası modelleri kullanarak kapsamlı incelenmesi ve bir uzay havası uygulaması: Jeomanyetik akımlar

Uzay havasının yer ve uzay konuşlu günümüz teknolojik altyapısı üzerine doğrudan etkileri vardır. Uzun vadede, uçaklardaki kabin ekibi ve uzaydaki astronotların da sağlıklarını etkilemektedir. Bu nedenle, uzay havasının Dünya yüzeyine ve yere yakın Uzay ortamına olabilecek etkilerinin ve bu etkilerin sınırlarının belirlenmesi büyük önem taşımaktadır. Bu çalışmada, uzay havasının yukarı atmosfere ve yer seviyesinde jeomanyetik olarak üretilmiş (geomagnetically induced currents-GICs) akımlara etkisi çalışılmıştır. Takriben, bu tez çalışması üç ana bölümden oluşmaktadır: 1) Joule ısınması için literatürdeki daha önce yapılmış çalışmalarda kullanılmış yöntemlerin araştırılması ve birbirleriyle karşılaştırılması 2) jeomanyetik fırtınalar ve mikrofırtınalar esnasında yükselen termosferik nötral sıcaklıkların bir sonucu olarak artan termosferik nötral yoğunluk değişimlerinin incelenmesi 3) Bozcaada, Çanakkale'de (coğrafi koordinatlar: 37.5K, 106D) kurduğumuz bir manyetotellürik istasyonun verisini kullanarak aşağı-orta enlemlerde jeomanyetik olarak üretilmiş akımların (JOÜA) tespit edilmesi ve nicelleştirilmesi. Joule ısınması (JI) iyonosferik seviyelerde nötraller ve iyonların çarpışması sonucunda ortaya çıkan sürtünme kaynaklı ısınmadır. JInın tam olarak belirlenebilmesi, anlık olarak elektrik alan, iyonosferik iletkenlik, termosferik nötral rüzgar ve ortamdaki manyetik alanın, ya da ikinci bir yaklaşımla; aynı anda iyonosferik iletkenliğin, nötral ve iyon hızlarının bilinmesini gerektirir. Literatürde, nötral rüzgarın katkısının düşük olduğu varsayılarak yapılan çalışmalar da mevcuttur. Çalışmamızda, JIyı nötral rüzgar etkileri dahil edilmiş ve edilmemiş olarak iki türlü hesaplamaktayız. Nötral rüzgar etkisi içermeyen hesaplarımız için çaprazlama birleştirme yöntemi kullanılmıştır. Elektrik alan için gözlemsel radar datası ve bir manyetohidrodinamik modelin iyonosferik elektrodinamik modülü (MHD-IE) çıktısı; iyonosferik iletkenlikler için ise amprik bir model ve yine MHD-IE modülü verilerini değişimli kullanarak hesaplamaktayız. JI hesaplarında en çok kullanılan indis-bazlı yöntemler de çalışmamızda mercek altına alınmıştır. Amacımız, küresel bir gözlem ağının yokluğunda Joule ısınması için en iyi sonuçları veren alternatif yöntemleri ortaya koymaktır. Gözlemsel elektrik alan verisi Super Dual Auroral Radar Network (SuperDARN) radarlarından ve manyetohidrodinamik model verisi, Space Weather Modeling Framework/Block-Adaptive-Tree-Solarwind-Roe-Upwind-Scheme'den (SWMF / BATSRUS - buradan sonra sadece BATSRUS olarak anılacaktır) gelmektedir. İletkenlikler BATSRUS-IE modülünden ve OVATION Prime + Uluslararası Referans İyonosfer 2012 (International Reference Ionosphere 2012-IRI2012) modelinden alınmıştır. Nötral rüzgar içermeyen hesaplamalarda, Akasofu'nun Epsilon parametresi baz alındığında, Joule ısınması maksimum değeri için bütün yöntemlerin 10 ila 20 dakika arasında değişen gecikmeler ortaya koyduğunu bulduk. Bununla birlikte, AE indisine dayalı olan dolaylı (proxy) yöntem, 20 dk ila 1.5 saat arası değişen en uzun gecikmeleri göstermektedir. Nitelik olarak baktığımızda, tüm yöntemler benzer değişimler göstermiştir. AE proxy yöntemi en yüksek, IRI2012 modeli iletkenliklerini kullanan yöntemler ise en düşük Joule ısınması değerlerini sergilemişlerdir. SuperDARN ve BATSRUS elektrik alanı kullanan yöntemler arasındaki farklar gece sektöründe radar gözlemi olması durumunda birbirine daha yakın sonuçlar vermiştir. Tezin ikinci kısmında, güncel amprik ve fizik bazlı iyonosfer-termosfer modellerinin GEM-CEDAR topluluklarının seçtikleri olaylar için termosferik nötral yoğunluk tahminleri incelenmiştir. CHAMP (Challenging Minisatellite Payload) uydusu gözlemleri kullanılarak modellerin hata farkları nicelleştirilmiştir. Etkileşimli iyonosfer-termosfer modelleri ve amprik modeller farklı nötral yoğunluk klimatolojileri ve manyetik fırtınaya farklı tepkiler vermektedirler. Nötral yoğunluk üzerindeki manyetik fırtına etkilerinin klimatoloji üzerine bindiği gözlenmiştir. Sadece nötral yoğunluk maksimumu üzerine odaklanan bir hata tespit çalışması yanlış yönlendiricidir. Bu tarz bir çalışmada, klimatolojiyi daha yüksek, fakat fırtına etkisini daha az tahmin eden bir model, sonuç olarak başarılı olarak görülme riski taşımaktadır. Uydu sürüklemesinin gerçek zamanlı tahmini, fırtına zamanı etkilerin doğru nicelleştirilmesine ve tahmin edilmesine bağlıdır. Takiben, çalışmamızın bu aşamasında model klimatolojisi ile termosferin manyetik fırtınaya cevabını ayırmak için çeşitli teknikler uyguladık. Hem CHAMP verileri, hem model çıktıları için fırtına öncesinde tespit edilen manyetik aktivitesiz zamanlar göz önüne alınarak referans hatları oluşturulmuştur. Veriler bu referans hatları kullanılarak kaydırılmış ve manyetik fırtına kaynaklı değişimler ortaya çıkartılmıştır. Model performanslarında, sakin dönem klimatolojisinden farkı olan modeller için %113'e varan iyileşmeler kaydedilmiştir. Fizik temelli modellerin düşük KPli olaylar için en kötü, KP yükseldikçe ise daha iyi tahmin yapabildikleri gözlenmiştir. Manyetik fırtınanın kaynağının Koronal kütle atılımı (KKA, coronal mass ejection: CME) ya da eşdönüşlü etkileşim bölgesi (EEB, corotating interaction region: CIR) olması model performansını etkilememektedir. Nötral yoğunluklar yeterli biçimde hesaplanabilmektedir. Amprik modeller klimatolojiyi tahmin etmekte başarılıdırlar. Bu nedenle fırtına-zamanı nötral yoğunlukları referans hattı kaydırmasından fazla etkilenmemektedir. Ancak, nötral yoğunluk maksimumuna yüksek yaklaşıklıklar gösterseler dahi, cevap eğrilerinin gözlemlenen yoğunluk değişimlerinden hayli farklı oldukları görülmektedir. Uydu sürüklemesinin gerçek zamanlı hesaplamaları için, klimatolojinin ayrılması ve ensemble (toplu-model) yaklaşımının beraber kullanımlarını önermekteyiz. İlaveten, Joule ısınması ve nötral yoğunluk değişimleri için doğrusal regresyon kullanarak basit bir model oluşturulmuştur. Fizik bazlı modellerin JI tahminleri ve CHAMP nötral yoğunluk gözlemlerinin arasındaki bağlantıya bakılmıştır. Çalışmamızın son kısmında, jeomanyetik olarak üretilmiş akımların aşağı-orta enlemlerdeki özelliklerini belirlemek amacıyla Türkiye'de kaydedilen elektrik ve manyetik alan ölçümleri incelenmiştir. Bozcaada, Çanakkale (coğrafi koordinatlar: 37.5K, 106D) bölgesinde bir elektrometre ve bir manyetometrenin de dahil olduğu bir manyetotellürik istasyon kurulmuştur. Manyetik hareketlilik esnasında yüksek elektrik alan ve manyetik alan değişimleri gösteren vakalar ileri inceleme için seçilmiştir. Manyetik aktivitenin etkisi manyetik alanın yatay bileşeninin türevlerinin değişimi ve arkaplan manyetik ve elektrik alanlardan sapmasının bulunması yoluyla incelenmiştir. Manyetik alan verisinde Sq akımının etkisi, arkaplan salınımına kübik spline eğrileri oturtularak veriden çıkartılmıştır. KP ve Dst indisleri kullanılarak seçilen kuvvetli manyetik aktivite esnasında, manyetik alan bileşenleri ve türevlerinde ve elektrik alan bileşenlerinde yüksek frekanslı, kuvvetli dalgalanmalar tespit edilmiştir. Bulunan bu dalgalanmalar sakin bir günün manetik alan ve elektrik alan salınımı ile karşılaştırılmıştır. Manyetik ve elektrik alan bileşenlerinin birbirleriyle olan yakın ilişkisi gösterilmitşir. Elektrik ve manyetik alan bileşenlerinde manyetik fırtına fazlarına göre iki farklı tipte değişim gözlenmiştir: başlangıç ve ani başlangıç fazına denk gelen salınımlar ve manyetik fırtına ana fazına denk gelen salınımlar. Başlangıç ve ani başlangıç fazlarında ortaya çıkan salınımların koronal kütle atılımı olayları nedeniyle artan dinamik basınca bağlı olarak meydana geldiği düşünülmüştür. Bütün olaylar, KKA nedeniyle güneşaltı manyetopozun sıkışmasına karşılık olarak yükselen manyetik ve elektrik alan değerleri sergilemiştir. Enlemlerimizde JOÜAların manyetik fırtına başlangıç ve ana fazıyla ilişkili olduğu gösterilmiştir. Sonuç olarak, bu tez çalışmasında, manyetik olarak hareketli zamanlar için termosferik Joule ısınması ve termosferik nötral yoğunluk değişimlerini tahmin etmekteki güncel kapasitemizi analiz ettik. Avrasya bölgesinde ilk defaya mahsus olarak JOÜAları tespit etmek üzere elektrik ve manyetik alan değişimleri incelendi. Çalışmamız uzay havasının termosferik yüksekliklere ve yer seviyesine etkilerinin anlaşılmaları ve modellenmeleri konusundaki araştırmalara katkıda bulunmayı amaçlamıştır.