Juan Rodriguez Zuluaga

• Near-Earth space represents a significant scientific and technological challenge. Particularly at magnetic low-latitudes, the horizontal magnetic field geometry at the dip equator and its closed field-lines support the existence of a distinct electric current system, abrupt electric field variations and the development of plasma irregularities. Of particular interest are small-scale irregularities associated with equatorial plasma depletions (EPDs). They are responsible for the disruption of trans-ionospheric radio waves used for navigation, communication, and Earth observation. The fast increase of satellite missions makes it imperative to study the near-Earth space, especially the phenomena known to harm space technology or disrupt their signals. EPDs correspond to the large-scale structure (i.e., tens to hundreds of kilometers) of topside F region irregularities commonly known as Spread F. They are observed as depleted-plasma density channels aligned with the ambient magnetic field in the post-sunset low-latitude ionosphere.Near-Earth space represents a significant scientific and technological challenge. Particularly at magnetic low-latitudes, the horizontal magnetic field geometry at the dip equator and its closed field-lines support the existence of a distinct electric current system, abrupt electric field variations and the development of plasma irregularities. Of particular interest are small-scale irregularities associated with equatorial plasma depletions (EPDs). They are responsible for the disruption of trans-ionospheric radio waves used for navigation, communication, and Earth observation. The fast increase of satellite missions makes it imperative to study the near-Earth space, especially the phenomena known to harm space technology or disrupt their signals. EPDs correspond to the large-scale structure (i.e., tens to hundreds of kilometers) of topside F region irregularities commonly known as Spread F. They are observed as depleted-plasma density channels aligned with the ambient magnetic field in the post-sunset low-latitude ionosphere. Although the climatological variability of their occurrence in terms of season, longitude, local time and solar flux is well-known, their day to day variability is not. The sparse observations from ground-based instruments like radars and the few simultaneous measurements of ionospheric parameters by space-based instruments have left gaps in the knowledge of EPDs essential to comprehend their variability. In this dissertation, I profited from the unique observations of the ESA’s Swarm constellation mission launched in November 2013 to tackle three issues that revealed novel and significant results on the current knowledge of EPDs. I used Swarm’s measurements of the electron density, magnetic, and electric fields to answer, (1.) what is the direction of propagation of the electromagnetic energy associated with EPDs?, (2.) what are the spatial and temporal characteristics of the electric currents (field-aligned and diamagnetic currents) related to EPDs, i.e., seasonal/geographical, and local time dependencies?, and (3.) under what conditions does the balance between magnetic and plasma pressure across EPDs occur? The results indicate that: (1.) The electromagnetic energy associated with EPDs presents a preference for interhemispheric flows; that is, the related Poynting flux directs from one magnetic hemisphere to the other and varies with longitude and season. (2.) The field-aligned currents at the edges of EPDs are interhemispheric. They generally close in the hemisphere with the highest Pedersen conductance. Such hemispherical preference presents a seasonal/longitudinal dependence. The diamagnetic currents increase or decrease the magnetic pressure inside EPDs. These two effects rely on variations of the plasma temperature inside the EPDs that depend on longitude and local time. (3.) EPDs present lower or higher plasma pressure than the ambient. For low-pressure EPDs the plasma pressure gradients are mostly dominated by variations of the plasma density so that variations of the temperature are negligible. High-pressure EPDs suggest significant temperature variations with magnitudes of approximately twice the ambient. Since their occurrence is more frequent in the vicinity of the South Atlantic magnetic anomaly, such high temperatures are suggested to be due to particle precipitation. In a broader context, this dissertation shows how dedicated satellite missions with high-resolution capabilities improve the specification of the low-latitude ionospheric electrodynamics and expand knowledge on EPDs which is valuable for current and future communication, navigation, and Earth-observing missions. The contributions of this investigation represent several ’firsts’ in the study of EPDs: (1.) The first observational evidence of interhemispheric electromagnetic energy flux and field-aligned currents. (2.) The first spatial and temporal characterization of EPDs based on their associated field-aligned and diamagnetic currents. (3.) The first evidence of high plasma pressure in regions of depleted plasma density in the ionosphere. These findings provide new insights that promise to advance our current knowledge of not only EPDs but the low-latitude post-sunset ionosphere environment.…
• Der erdnahe Weltraum stellt eine bedeutende wissenschaftliche und technologische Herausforderung dar. Insbesondere in niedrigeren magnetischen Breitengraden unterstützen die horizontale Geometrie des Magnetfelds und seine geschlossenen Feldlinien das Vorhandensein eines speziellen elektrischen Stromsystems, abrupte Änderungen der elektrischen Felder und das Auftreten von Plasmairregularitäten. Von besonderem Interesse sind regionale Unregelmäßigkeiten im Zusammenhang mit äquatorialen Plasma-Verarmungen (EPDs, Abkürzung aus dem Englischen für „equatorial plasma depletions”). Sie stören trans-ionosphärischer Funkwellen, welche zur Positionierung, Kommunikation und Erd-beobachtung eingesetzt werden. Die schnelle Entwicklung von Satellitenmissionen macht das Verständnis der erdnahen Weltraumphänomene zu einer Priorität, insbesondere derjenigen, welche die Weltraumtechnologie schädigen oder ihre Signale stören können. Die EPDs und die damit verbundenen Plasmairregularitäten sind seit Beginn des Weltraumzeitalters eines der am häufigstenDer erdnahe Weltraum stellt eine bedeutende wissenschaftliche und technologische Herausforderung dar. Insbesondere in niedrigeren magnetischen Breitengraden unterstützen die horizontale Geometrie des Magnetfelds und seine geschlossenen Feldlinien das Vorhandensein eines speziellen elektrischen Stromsystems, abrupte Änderungen der elektrischen Felder und das Auftreten von Plasmairregularitäten. Von besonderem Interesse sind regionale Unregelmäßigkeiten im Zusammenhang mit äquatorialen Plasma-Verarmungen (EPDs, Abkürzung aus dem Englischen für „equatorial plasma depletions”). Sie stören trans-ionosphärischer Funkwellen, welche zur Positionierung, Kommunikation und Erd-beobachtung eingesetzt werden. Die schnelle Entwicklung von Satellitenmissionen macht das Verständnis der erdnahen Weltraumphänomene zu einer Priorität, insbesondere derjenigen, welche die Weltraumtechnologie schädigen oder ihre Signale stören können. Die EPDs und die damit verbundenen Plasmairregularitäten sind seit Beginn des Weltraumzeitalters eines der am häufigsten untersuchten Phänomene. EPDs sind großflächigen Strukturen (d. h. zehn bis hundert Kilometer), die auf Spread F Ereignisse zurückgeführt werden können. Sie äußern sich als mit dem Hintergrund-Magnetfeld ausgerichtete Kanäle verarmter Plasmadichte, welche in niedrigen Breiten in der Ionophäre nach Sonnenuntergang auftreten. Obwohl die klimatologische Variabilität des Auftretens von EPDs bezüglich der Jahreszeit, geografischen Länge, Ortszeit und des Sonnenzyklus wohl bekannt sind, trifft dies nicht für ihre Tag-zu-Tag-Variabilität zu. Die spärlichen Beobachtungen von bodengestützten Instrumenten, wie Radargeräten, und die wenigen gleichzeitigen Messungen ionosphärischer Parameter von weltraumgestützten Instrumenten auf erdnahen Umlaufbahnen haben Wissenslücken hinterlassen, die für das Verständnis der Variabilität von EPDs essentiell sind. In dieser Dissertation habe ich von einzigartigen Beobachtungen der im November 2013 gestarteten ESA Satellitenkonstellationsmission „Swarm“ profitiert, um drei Probleme zu bearbeiten, die neue und signifikante Ergebnisse zum aktuellen Wissen über EPDs enthüllten. Ich habe Swarms Messungen der Elektronendichte, des magnetischen und des elektrischen Feldes verwendet, um Folgendes zu beantworten: (1.) In welche Richtung breitet sich die mit den EPDs verbundene elektromagnetische Energie aus? (2.) Was sind die räumlichen und zeitlichen Eigenschaften der elektrischen Ströme (feldgerichtete und diamagnetische Ströme) in Bezug auf EPDs, d. h. wie hängen sie von der geografischen Länge, Jahreszeit und Lokalzeit ab? (3.) Unter welchen Bedingungen findet der mit EPDs verbundene Ausgleich zwischen magnetischem Druck und Plasmadruck statt? Die Ergebnisse zeigen, dass: (1.) Die mit EPDs verbundene elektromagnetische Energie bevorzugt interhemisphärische Strömungen, das heißt, der zugehörige Poynting-Fluss strömt von einer magnetischen Hemisphäre zur anderen und die Strömungsrichtung variiert mit geografischer Länge und Jahreszeit. (2.) Die feldgerichteten Ströme an den Rändern von EPDs sind interhemisphärisch. Im Allgemeinen schließen sie sich in der Hemisphäre mit der höchsten Pedersen-Leitfähigkeit. Die derartige hemisphärische Präferenz zeigt eine Abhängigkeit bezüglich der Jahreszeit/geografischen Länge. Die diamagnetischen Ströme erhöhen oder verringern den magnetischen Druck innerhalb der EPDs. Diese beiden Effekte beruhen auf Variationen der Plasmatemperatur innerhalb der EPDs, die von der geografischen Länge und der Lokalzeit abhängt. (3.) EPDs weisen einen höheren oder niedrigeren Plasmadruck als ihre Umgebung auf. In Niederdruck-EPDs werden die Plasmadruckgradienten meist durch Variationen der Plasmadichte hervorgerufen, sodass Temperaturschwankungen vernachlässigbar sind. Hochdruck-EPDs deuten auf hohe innere Temperaturen hin, etwa das Zweifache der Umgebungstemperatur. Aufgrund ihres häufigeren Auftretens in der Nähe der Südatlantischen Magnetfeldanomalie wird vermutet, dass solche hohen Temperaturen auf den Einfall hochenergetischer Teilchen zurückzuführen sind. In einem breiteren Kontext zeigt diese Dissertation auf, wie spezielle Satellitenmissionen mit hohem Auflösungsvermögen die Spezifikation der ionoshärischen Elektrodynamik in niedrigen Breiten und das Verständnis von EPDs verbessern, was wertvoll für aktuelle und zukünfte Kommunikatoins-, Positionierungs- sowie Erdbeobachtungsmissionen ist. Die Beiträge dieser Arbeit stellen gleich mehrere "Premieren" in der EPD-Forschung dar: (1.) Der erste empirische Nachweis interhemisphärischer elektromagnetischer Energieflüsse und feldgerichteter Ströme. (2.) Die erste raum-zeitliche Beschreibung von EPDs auf der Grundlage ihrer assoziierten feldgerichteten und diamagnetischen Ströme. (3.) Der erste Nachweis hohen Plasmadrucks in Regionen verminderter Plasmadichte in der Ionosphäre. Diese Forschungsergebnisse liefern neue Erkenntnisse, die nicht nur unser derzeitiges Wissen über EPDs, sondern auch jenes über die ionosphärische Domaine in niedrigen Breiten nach Sonnenuntergang fördert.…