Tarique Adnan Siddiqui

• The ionosphere, which is strongly influenced by the Sun, is known to be also affected by meteorological processes. These processes, despite having their origin in the troposphere and stratosphere, interact with the upper atmosphere. Such an interaction between atmospheric layers is known as vertical coupling. During geomagnetically quiet times, when near-Earth space is not under the influence of solar storms, these processes become important drivers for ionospheric variability. Studying the link between these processes in the lower atmosphere and the ionospheric variability is important for our understanding of fundamental mechanisms in ionospheric and meteorological research. A prominent example of vertical coupling between the stratosphere and the ionosphere are the so-called stratospheric sudden warming (SSW) events that occur usually during northern winters and result in an increase in the polar stratospheric temperature and a reversal of the circumpolar winds. While the phenomenon of SSW is confined to the northern polarThe ionosphere, which is strongly influenced by the Sun, is known to be also affected by meteorological processes. These processes, despite having their origin in the troposphere and stratosphere, interact with the upper atmosphere. Such an interaction between atmospheric layers is known as vertical coupling. During geomagnetically quiet times, when near-Earth space is not under the influence of solar storms, these processes become important drivers for ionospheric variability. Studying the link between these processes in the lower atmosphere and the ionospheric variability is important for our understanding of fundamental mechanisms in ionospheric and meteorological research. A prominent example of vertical coupling between the stratosphere and the ionosphere are the so-called stratospheric sudden warming (SSW) events that occur usually during northern winters and result in an increase in the polar stratospheric temperature and a reversal of the circumpolar winds. While the phenomenon of SSW is confined to the northern polar stratosphere, its influence on the ionosphere can be observed even at equatorial latitudes. During SSW events, the connection between the polar stratosphere and the equatorial ionosphere is believed to be through the modulation of global atmospheric tides. These tides are fundamental for the ionospheric E-region wind dynamo that generates electric fields and currents in the ionosphere. Observations of ionospheric currents indicate a large enhancement of the semidiurnal lunar tide in response to SSW events. Thus, the semidiurnal lunar tide becomes an important driver of ionospheric variability during SSW events. In this thesis, the ionospheric effect of SSW events is investigated in the equatorial region, where a narrow but an intense E-region current known as the equatorial electrojet (EEJ) flows above the dip equator during the daytime. The day-to-day variability of the EEJ can be determined from magnetic field records at geomagnetic observatories close to the dip equator. Such magnetic data are available for several decades and allows to investigate the impact of SSW events on the EEJ and, even more importantly, helps in understanding the effects of SSW events on the equatorial ionosphere. An excellent long-term record of the geomagnetic field at the equator from 1922 onwards is available for the observatory Huancayo in Peru and is extensively utilized in this study. The central subject of this thesis is the investigation of lunar tides in the EEJ during SSW events by analyzing long time series. This is done by estimating the lunar tidal amplitude in the EEJ from the magnetic records at Huancayo and by comparing them to measurements of the polar stratospheric wind and temperature, which led to the identification of the known SSW events from 1952 onwards. One goal of this thesis is to identify SSW events that predate 1952. To this end, superposed epoch analysis (SEA) is employed to establish a relationship between the lunar tidal power and the wind and temperature conditions in the lower atmosphere. A threshold value for the lunar tidal power is identified that is discriminative for the known SSW events. This threshold is then used to identify lunar tidal enhancements, which are indicative for any historic SSW events prior to 1952. It can be shown, that the number of lunar tidal enhancements and thus the occurrence frequency of historic SSW events between 1926 and 1952 is similar to the occurrence frequency of the known SSW events from 1952 onwards. Next to the classic SSW definition, the concept of polar vortex weakening (PVW) is utilized in this thesis. PVW is defined for higher latitudes and altitudes (≈ 40km) than the classical SSW definition (≈ 32km). The correlation between the timing and magnitude of lunar tidal enhancements in the EEJ and the timing and magnitude of PVW is found to be better than for the classic SSW definition. This suggests that the lunar tidal enhancements in the EEJ are closely linked to the state of the middle atmosphere. Geomagnetic observatories located in different longitudes at the dip equator allow investigating the longitudinally dependent variability of the EEJ during SSW events. For this purpose, the lunar tidal enhancements in the EEJ are determined for the Peruvian and Indian sectors during the major SSW events of the years 2006 and 2009. It is found that the lunar tidal amplitude shows similar enhancements in the Peruvian sector during both SSW events, while the enhancements are notably different for the two events in the Indian sector. In summary, this thesis shows that lunar tidal enhancements in the EEJ are indeed correlated to the occurrence of SSW events and they should be considered a prominent driver of low latitude ionospheric variability. Secondly, lunar tidal enhancements are found to be longitudinally variable. This suggests that regional effects, such as ionospheric conductivity and the geometry and strength of the geomagnetic field, also play an important role and have to be considered when investigating the mechanisms behind vertical coupling.…
• Die Ionosphäre, die hauptsächlich durch Prozesse solaren Ursprungs beeinflusst wird, wird auch durch meteorologische Prozesse beeinflusst. Obwohl diese Prozesse ihren Ursprung in der Troposphäre und Stratosphäre haben, wechselwirken sie mit der oberen Atmosphäre. Eine solche Wechselwirkung zwischen atmosphärischen Schichten wird als vertikale Kopplung bezeichnet. Bei magnetisch ruhigen Bedingungen, wenn der erdnahe Weltraum nicht durch solare Stürme beeinflusst wird, werden diese Prozesse zu wichtigen Einflussfaktoren für die ionosphärische Variabilität. Für unser Verständnis von fundamentalen Mechanismen im Forschungsfeld der Ionosphäre und der Meteorologie ist es wichtig, die Verbindung zwischen diesen Prozessen in der unteren Atmosphäre und der ionosphärischen Variabilität zu ermitteln. Ein wichtiges Beispiel für die vertikale Kopplung zwischen Stratosphäre und Ionosphäre sind die sogenannten plötzlichen stratosphärischen Erwärmungsereignisse (sudden stratospheric warming, SSW), die üblicherweise im Winter stattfinden und zu einerDie Ionosphäre, die hauptsächlich durch Prozesse solaren Ursprungs beeinflusst wird, wird auch durch meteorologische Prozesse beeinflusst. Obwohl diese Prozesse ihren Ursprung in der Troposphäre und Stratosphäre haben, wechselwirken sie mit der oberen Atmosphäre. Eine solche Wechselwirkung zwischen atmosphärischen Schichten wird als vertikale Kopplung bezeichnet. Bei magnetisch ruhigen Bedingungen, wenn der erdnahe Weltraum nicht durch solare Stürme beeinflusst wird, werden diese Prozesse zu wichtigen Einflussfaktoren für die ionosphärische Variabilität. Für unser Verständnis von fundamentalen Mechanismen im Forschungsfeld der Ionosphäre und der Meteorologie ist es wichtig, die Verbindung zwischen diesen Prozessen in der unteren Atmosphäre und der ionosphärischen Variabilität zu ermitteln. Ein wichtiges Beispiel für die vertikale Kopplung zwischen Stratosphäre und Ionosphäre sind die sogenannten plötzlichen stratosphärischen Erwärmungsereignisse (sudden stratospheric warming, SSW), die üblicherweise im Winter stattfinden und zu einer Erhöhung der stratosphärischen Temperatur und einer Umkehrung der zirkumpolarenWinde führen. Während das Phänomen des SSW auf die nördliche polare Stratosphäre beschränkt ist, kann sein Einfluss auf die Ionosphäre sogar in äquatorialen Breiten beobachtet werden. Bei SSW - Ereignissen wird vermutet, dass die Verbindung zwischen der polaren Stratosphäre und der äquatorialen Ionosphäre durch die Modulation globaler atmosphärischer Gezeiten erfolgt. Diese Gezeiten sind grundlegend für den Wind-Dynamo in der ionosphärischen E-Region, der dort elektrische Felder und Ströme erzeugt. Beobachtungen ionosphärischer Ströme zeigen, dass die semidiurnalen lunaren Gezeiten als Reaktion auf ein SSW - Ereignis eine starke Erhöhung erfahren. Damit werden die semidiurnalen lunaren Gezeiten zu einem wichtigen Faktor für die ionosphärische Variabilität während eines SSW - Ereignis. In dieser Dissertation wird der äquatoriale ionosphärische Effekt von SSW - Ereignissen untersucht. In der E-Region über dem magnetischen Äquator fließt tagsüber ein schmaler aber intensiver Strom, der als äquatorialer Strahlstrom oder Elektrojet (EEJ) bekannt ist. Der von Tag zu Tag unterschiedlich ausgeprägte EEJ kann aus Magnetfeldregistrierungen von geomagnetischen Observatorien nahe dem magnetischen Äquator abgeschätzt werden. Solche Magnetfeldregistrierungen stehen über mehrere Jahrzehnte zur Verfügung und erlauben es, den Einfluss der SSW-Ereignisse auf den EEJ zu untersuchen, und, noch wesentlicher, helfen sie, den Einfluss von SSW-Ereignissen auf die äquatoriale Ionosphäre zu verstehen. Eine ausgezeichnete, im Jahre 1922 beginnende Langzeit-Registrierung des Magnetfeldes am Äquator gibt es für das Observatorium Huancayo in Peru. Sie wird in der vorliegenden Arbeit intensiv genutzt. Das zentrale Thema der Dissertation ist die Analyse von Langzeit - Registrierungen zur Untersuchung der lunaren Gezeiten des EEJ bei SSW - Ereignissen. Dazu wird die Amplitude der lunaren Gezeiten des EEJ aus den Magnetfeldregistrierungen des Observatoriums Huancayo bestimmt und mit den Messungen des polaren stratosphärischen Windes und der Temperatur verglichen, die zur Identifizierung der bekannten SSW - Ereignisse seit 1952 geführt haben. Ein Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, auch SSW - Ereignisse vor 1952 zu identifizieren. Dahingehend wird eine Superposed Epoch Analysis (SEA) benutzt, und damit wird eine Beziehung zwischen die Leistung der lunaren Gezeiten und den Wind- und Temperaturbedingungen in der unteren Atmosphäre hergestellt. So wird ein Grenzwert für die Leistung der lunaren Gezeiten für die bekannten SSW - Ereignisse ermittelt. Dieser Grenzwert wird dann benutzt, um eine Verstärkung der lunaren Gezeiten zu identifizieren, die historische SSW - Ereignisse vor 1952 anzeigt. Es zeigt sich, dass die Häufigkeit der Verstärkung der lunaren Gezeiten, und damit die Häufigkeit der historischen SSW - Ereignisse zwischen 1926 und 1952, ähnlich ist zu der Häufigkeit der bekannten SSW - Ereignisse seit 1952 ist. Neben der klassischen SSW - Definition wird in dieser Dissertation das Konzept des Polar Vortex Weakening (PVW) genutzt. Das PVW ist für höhere Breiten und Höhenlagen (40 km) festgelegt als die klassische SSW - Definition (32 km). Die Korrelation zwischen dem Zeitpunkt und der Stärke der Verstärkung der lunaren Gezeiten des EEJ einerseits und dem Zeitpunkt und der Stärke des PVW andererseits ist besser als die entsprechende Korrelation bei Anwendung der klassischen SSW - Definition. Dies lässt darauf schließen, dass die Verstärkung der lunaren Gezeiten des EEJ eng mit dem Zustand der mittleren Atmosphäre verknüpft ist. Geomagnetische Observatorien, die bei verschiedenen Längengraden am magnetischen Äquator liegen, erlauben es, die längengradabhängige Variabilität des EEJ bei SSW - Ereignissen zu untersuchen. Zu diesem Zweck wird die Verstärkung der lunaren Gezeiten fär zwei ausgeprägte SSW - Ereignisse in den Jahren 2006 und 2009 im peruanischen und im indischen Sektor bestimmt. Es zeigt sich, dass die Amplitude der lunaren Gezeiten im peruanischen Sektor bei beiden Ereignissen eine ähnliche Verstärkung aufweist, während die Verstärkung im indischen Sektor für die zwei Ereignisse deutliche Unterschiede aufweist. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Verstärkung der lunaren Gezeiten des EEJ in der Tat mit dem Auftreten von SSW - Ereignissen korreliert ist und dass sie als wichtiger Einflussfaktor auf die Variabilität der Ionosphäre der niederen Breiten berücksichtigt werden muss. Außerdem konnte gezeigt werden, dass die Verstärkung der lunaren Gezeiten eine längengradabhängige Variabilität aufweist. Dies legt nahe, dass regionale Gegebenheiten, wie die Leitfähigkeit der Ionosphäre und die Geometrie und Stärke des Erdmagnetfeldes, bei der vertikalen Kopplung auch eine wichtige Rolle spielen und bei der Untersuchung der dabei zugrundeliegenden Mechanismen berücksichtigt werden müssen.…