TY - THES A1 - Aseev, Nikita T1 - Modeling and understanding dynamics of charged particles in the Earth's inner magnetosphere T1 - Modellierung und Untersuchung der Dynamik geladener Teilchen in der inneren Magnetosphäre der Erde N2 - The Earth's inner magnetosphere is a very dynamic system, mostly driven by the external solar wind forcing exerted upon the magnetic field of our planet. Disturbances in the solar wind, such as coronal mass ejections and co-rotating interaction regions, cause geomagnetic storms, which lead to prominent changes in charged particle populations of the inner magnetosphere - the plasmasphere, ring current, and radiation belts. Satellites operating in the regions of elevated energetic and relativistic electron fluxes can be damaged by deep dielectric or surface charging during severe space weather events. Predicting the dynamics of the charged particles and mitigating their effects on the infrastructure is of particular importance, due to our increasing reliance on space technologies. The dynamics of particles in the plasmasphere, ring current, and radiation belts are strongly coupled by means of collisions and collisionless interactions with electromagnetic fields induced by the motion of charged particles. Multidimensional numerical models simplify the treatment of transport, acceleration, and loss processes of these particles, and allow us to predict how the near-Earth space environment responds to solar storms. The models inevitably rely on a number of simplifications and assumptions that affect model accuracy and complicate the interpretation of the results. In this dissertation, we quantify the processes that control electron dynamics in the inner magnetosphere, paying particular attention to the uncertainties of the employed numerical codes and tools. We use a set of convenient analytical solutions for advection and diffusion equations to test the accuracy and stability of the four-dimensional Versatile Electron Radiation Belt (VERB-4D) code. We show that numerical schemes implemented in the code converge to the analytical solutions and that the VERB-4D code demonstrates stable behavior independent of the assumed time step. The order of the numerical scheme for the convection equation is demonstrated to affect results of ring current and radiation belt simulations, and it is crucially important to use high-order numerical schemes to decrease numerical errors in the model. Using the thoroughly tested VERB-4D code, we model the dynamics of the ring current electrons during the 17 March 2013 storm. The discrepancies between the model and observations above 4.5 Earth's radii can be explained by uncertainties in the outer boundary conditions. Simulation results indicate that the electrons were transported from the geostationary orbit towards the Earth by the global-scale electric and magnetic fields. We investigate how simulation results depend on the input models and parameters. The model is shown to be particularly sensitive to the global electric field and electron lifetimes below 4.5 Earth's radii. The effects of radial diffusion and subauroral polarization streams are also quantified. We developed a data-assimilative code that blends together a convection model of energetic electron transport and loss and Van Allen Probes satellite data by means of the Kalman filter. We show that the Kalman filter can correct model uncertainties in the convection electric field, electron lifetimes, and boundary conditions. It is also demonstrated how the innovation vector - the difference between observations and model prediction - can be used to identify physical processes missing in the model of energetic electron dynamics. We computed radial profiles of phase space density of ultrarelativistic electrons, using Van Allen Probes measurements. We analyze the shape of the profiles during geomagnetically quiet and disturbed times and show that the formation of new local minimums in the radial profiles coincides with the ground observations of electromagnetic ion-cyclotron (EMIC) waves. This correlation indicates that EMIC waves are responsible for the loss of ultrarelativistic electrons from the heart of the outer radiation belt into the Earth's atmosphere. N2 - Die innere Magnetosphäre der Erde ist ein sehr dynamisches System, das hauptsächlich vom äußeren Sonnenwind beeinflusst wird, der auf das Magnetfeld unseres Planeten einwirkt. Störungen im Sonnenwind, wie z.B. koronale Massenauswürfe und sogenannte Korotierende Wechselwirkungsbereiche, verursachen geomagnetische Stürme, die zu deutlichen Veränderungen der Populationen geladener Teilchen in der inneren Magnetosphäre führen - Plasmasphäre, Ringstrom und Strahlungsgürtel. Satelliten, die in Regionen mit erhöhten energetischen und relativistischen Elektronenflüssen betrieben werden, können durch tiefe dielektrische Ladung oder Oberflächenladungen bei schweren Weltraumwetterereignissen beschädigt werden. Die Vorhersage der Dynamik der geladenen Teilchen und die Abschwächung ihrer Auswirkungen auf die Infrastruktur sind heutzutage von besonderer Bedeutung, insbesondere aufgrund unserer zunehmenden Abhängigkeit von Weltraumtechnologien. Die Dynamik von Teilchen in der Plasmasphäre, des Ringstrom und in den Strahlungsgürteln sind durch Kollisionen und kollisionsfreie Wechselwirkungen mit elektromagnetischen Feldern, die durch die Bewegung geladener Teilchen induziert werden, stark gekoppelt. Mehrdimensionale numerische Modelle vereinfachen die Betrachtung von Transport-, Beschleunigungs- und Verlustprozessen dieser Partikel und ermöglichen es uns, vorherzusagen, wie die erdnahe Weltraumumgebung auf Sonnenstürme reagiert. Die Modelle beruhen zwangsläufig auf einer Reihe von Vereinfachungen und Voraussetzungen, die sich auf die Modellgenauigkeit auswirken und die Interpretation der Ergebnisse erschweren. In dieser Dissertation quantifizieren wir die Prozesse, die die Dynamik der Elektronen in der inneren Magnetosphäre steuern. Dabei richten wir den Fokus insbesondere auch auf die Unsicherheiten der verwendeten numerischen Codes. Wir verwenden eine Reihe praktischer analytischer Lösungen für Advektions- und Diffusionsgleichungen, um die Genauigkeit und Stabilität des 4-dimensionalen ''Versatile Electron Radiation Belt'' Codes (VERB-4D Code) zu testen. Wir zeigen, dass die im Code implementierten numerischen Schemata zu den analytischen Lösungen konvergieren und der Code sich unabhängig vom angenommenen Zeitschritt stabil verhält. Wir demonstrieren, wie die Genauigkeit des numerischen Schemas für die Konvektionsgleichung die Ergebnisse von Ringstrom- und Strahlungsgürtelsimulationen beeinflussen kann, und dass es von entscheidender Beteutung ist, numerische Schemata höherer Ordnung zu verwenden, um numerische Fehler im Modell zu reduzieren. Mit dem ausführlich getesteten VERB-4D Code modellieren wir die Dynamik der Ringstromelektronen während des Sturms vom 17. März 2013. Wir zeigen, dass die Diskrepanzen zwischen dem Modell und Beobachtungen oberhalb von 4.5 Erdradien durch Unsicherheiten in den äußeren Randbedingungen erklärt werden können und dass die Elektronen durch die globalen elektrischen und magnetischen Felder von der geostationäre Umlaufbahn zur Erde transportiert wurden. Wir untersuchen weiterhin, wie die Simulationsergebnisse von den Eingabemodellen und Parametern abhängen. Wir zeigen, dass das Modell besonders empfindlich für das globale elektrische Feld und die Lebensdauer der Elektronen unterhalb von 4.5 Erdradien ist. Außerdem quantifizieren wir auch die Auswirkungen von radialer Diffusion und subauroralen Polarisationsströmen. Wir haben einen datenassimilativen Code entwickelt, der mithilfe des Kalman-Filters ein Konvektionsmodell für den Transport und den Verlust energetischer Elektronen mit den Satellitendaten der Van Allen Probes kombiniert. Wir zeigen, dass die Verwendung eines Kalman-Filters Modellunsicherheiten im elektrischen Konvektionsfeld, in der Lebensdauer der Elektronen und in den Randbedingungen korrigieren kann. Weiterhin zeigen wir, wie der Innovationsvektor - die Differenz zwischen Beobachtungen und Modellvorhersagen - verwendet werden kann, um physikalische Prozesse zu identifizieren, die im Modell der Dynamik der energetischen Elektronen fehlen. Außerdem berechnen wir radiale Profile der Phasenraumdichte ultrarelativistischer Elektronen mithilfe von Van Allen Probes-Messungen. Wir analysieren die Form der Profile und zeigen, dass die Entstehung neuer lokaler Minima in den radialen Profilen mit den Bodenbeobachtungen von EMIC-Wellen übereinstimmt. Diese Korrelation legt nahe, dass EMIC-Wellen für den Verlust ultrarelativistischer Elektronen vom Herzen des äußeren Strahlungsgürtels in die Erdatmosphäre verantwortlich sind. KW - ring current electrons KW - radiation belts KW - mathematical modeling KW - wave-particle interactions KW - data assimilation KW - Ringstromelektronen KW - Strahlungsgürtel KW - mathematische Modellierung KW - Wellen-Teilchen Wechselwirkungen KW - Datenassimilation Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-479211 ER - TY - JOUR A1 - Aseev, Nikita A1 - Shprits, Yuri Y. A1 - Wang, Dedong A1 - Wygant, John A1 - Drozdov, Alexander A1 - Kellerman, Adam C. A1 - Reeves, Geoffrey D. T1 - Transport and loss of ring current electrons inside geosynchronous orbit during the 17 March 2013 storm JF - Journal of geophysical research : Space physics N2 - Ring current electrons (1–100 keV) have received significant attention in recent decades, but many questions regarding their major transport and loss mechanisms remain open. In this study, we use the four‐dimensional Versatile Electron Radiation Belt code to model the enhancement of phase space density that occurred during the 17 March 2013 storm. Our model includes global convection, radial diffusion, and scattering into the Earth's atmosphere driven by whistler‐mode hiss and chorus waves. We study the sensitivity of the model to the boundary conditions, global electric field, the electric field associated with subauroral polarization streams, electron loss rates, and radial diffusion coefficients. The results of the code are almost insensitive to the model parameters above 4.5 RERE, which indicates that the general dynamics of the electrons between 4.5 RE and the geostationary orbit can be explained by global convection. We found that the major discrepancies between the model and data can stem from the inaccurate electric field model and uncertainties in lifetimes. We show that additional mechanisms that are responsible for radial transport are required to explain the dynamics of ≥40‐keV electrons, and the inclusion of the radial diffusion rates that are typically assumed in radiation belt studies leads to a better agreement with the data. The overall effect of subauroral polarization streams on the electron phase space density profiles seems to be smaller than the uncertainties in other input parameters. This study is an initial step toward understanding the dynamics of these particles inside the geostationary orbit. KW - ring current electrons KW - magnetospheric convection KW - ensemble modeling KW - inner magnetosphere KW - electron transport KW - wave-particle interactions Y1 - 2019 U6 - https://doi.org/10.1029/2018JA026031 SN - 2169-9380 SN - 2169-9402 VL - 124 IS - 2 SP - 915 EP - 933 PB - American Geophysical Union CY - Washington ER - TY - JOUR A1 - Wang, Dedong A1 - Shprits, Yuri Y. A1 - Zhelayskaya, Irina S. A1 - Agapitov, Oleksiy A1 - Drozdov, Alexander A1 - Aseev, Nikita T1 - Analytical chorus wave model derived from van Allen Probe Observations JF - Journal of geophysical research : Space physics N2 - Chorus waves play an important role in the dynamic evolution of energetic electrons in the Earth's radiation belts and ring current. Using more than 5 years of Van Allen Probe data, we developed a new analytical model for upper‐band chorus (UBC; 0.5fce < f < fce) and lower‐band chorus (LBC; 0.05fce < f < 0.5fce) waves, where fce is the equatorial electron gyrofrequency. By applying polynomial fits to chorus wave root mean square amplitudes, we developed regression models for LBC and UBC as a function of geomagnetic activity (Kp), L, magnetic latitude (λ), and magnetic local time (MLT). Dependence on Kp is separated from the dependence on λ, L, and MLT as Kp‐scaling law to simplify the calculation of diffusion coefficients and inclusion into particle tracing codes. Frequency models for UBC and LBC are also developed, which depends on MLT and magnetic latitude. This empirical model is valid in all MLTs, magnetic latitude up to 20°, Kp ≤ 6, L‐shell range from 3.5 to 6 for LBC and from 4 to 6 for UBC. The dependence of root mean square amplitudes on L are different for different bands, which implies different energy sources for different wave bands. This analytical chorus wave model is convenient for inclusion in quasi‐linear diffusion calculations of electron scattering rates and particle simulations in the inner magnetosphere, especially for the newly developed four‐dimensional codes, which require significantly improved wave parameterizations. KW - chorus waves KW - radiation belt electrons KW - ring current electrons KW - analytical model KW - wave-particle interactions KW - diffusion coefficients Y1 - 2019 U6 - https://doi.org/10.1029/2018JA026183 SN - 2169-9380 SN - 2169-9402 VL - 124 IS - 2 SP - 1063 EP - 1084 PB - American Geophysical Union CY - Washington ER -