The time derivative of the geomagnetic field has a short memory

Solar eruptions and other types of space weather effects can pose a hazard to the high voltage power grids via geomagnetically induced currents (GICs). In worst cases, they can even cause large-scale power outages. GICs are a complex phenomenon, closely related to the time derivative of the geomagnetic field. However, the behavior of the time derivative is chaotic and has proven to be tricky to predict. In our study, we look at the dynamics of the geomagnetic field during active space weather. We try to characterize the magnetic field behavior, to better understand the drivers behind strong GIC events. We use geomagnetic data from the IMAGE (International Monitor for Auroral Geomagnetic Effect) magnetometer network between 1996 and 2018. The measured geomagnetic field is primarily produced by currents in the ionosphere and magnetosphere, and secondarily by currents in the conducting ground. We use the separated magnetic field in our analysis. The separation of the field means that the measured magnetic field is computationally divided into external and internal parts corresponding to the ionospheric and telluric origin, respectively. We study the yearly directional distributions of the baseline subtracted, separated horizontal geomagnetic field, Delta H, and its time derivative, d Delta H/dt. The yearly distributions do not have a clear solar cycle dependency. The internal field distributions are more scattered than the external field. There are also clear, station-specific differences in the distributions related to sharp conductivity contrasts between continental and ocean regions or to inland conductivity anomalies. One of our main findings is that the direction of d Delta H/dt has a very short "reset time", around 2 min, but Delta H does not have this kind of behavior. These results hold true even with less active space weather conditions. We conclude that this result gives insight into the time scale of ionospheric current systems, which are the primary driver behind the time derivative's behavior. It also emphasizes a very short persistence of d Delta H/dt compared to Delta H, and highlights the challenges in forecasting d Delta H/dt (and GIC).Peer reviewe

Analysis of cosmic radio noise absorption measured by the SGO riometer network

This thesis was made in collaboration with the Sodankylä Geophysical Observatory (SGO) and the Ionospheric Physics group in Oulu University. In my work I analysed data from the SGO riometer network. The data I used is from years 1997–2013, and seven stations located at different latitudes. The stations are located in Hornsund, Abisko, Ivalo, Sodankylä, Rovaniemi, Oulu and Jyväskylä. In the analysis I concentrated on comparing the effect of different quiet-day curve (QDC) methods to the statistics of absorption events. In my thesis I study the yearly number of absorption events and their diurnal variation in magnetic local time (MLT). In my work I used absorption data calculated by two different QDC methods. The first method is based on automatic determination of the QDC and the second is based on manual determination. We decided to concentrate on using the data calculated by the automatic method, but I also compare our results to the manual data. In the beginning of this project I determined a simple method for finding absorption events from the riometer data. In collaboration with my supervisors and SGO staff we chose the criteria for an absorption event. I wrote a Matlab-script that was used to find the times and magnitudes of events from the data using the criteria. With this information I made the yearly and MLT-distributions to the automatic and manual data. We found a problem in the atomatic QDC method during the winter months of the maximum years of the solar cycle. We decided to manually remove the problematic periods. The automatic data set where the interfered periods are removed from forms the third data set used in this study, called the corrected automatic data. The yearly distributions of absorption events in the corrected automatic and manual data set have similarities with the yearly average Kp index, which is the index of geomagnetic activity. The Kp maximum year, 2003, and the minimum year, 2009, are visible at most of the stations. Correlation with the yearly average sunspot number is less obvious, even though the 11-year cycle is visible in the absorption. Common features in the MLT-distribution are the morning maximum around 9 MLT and the evening minimum around 18 MLT. This is visible in the automatic and manual data to some extent at all stations. The MLT-distributions are slightly different each year, and during the minimum years of absorption it is significantly different. The morning maximum and evening minimum are not clearly visible. Most of our results are also visible in the uncorrected automatic data, excluding the years 2000–2003 and certain stations. The data sets acquired from different QDC methods produced similar results, which gives credibility to them. There still are many interferences in the data, and it would require more work to remove them. The automatic QDC method should be refined so that it doesn’t take into account data from times when the riometer has saturated. Our goal is to publish these results after some further analysis.Tein Pro Gradu-tutkielmani yhteistyössä Sodankylän Geofysiikan Observatorion (SGO) ja Oulun yliopiston Ionosfäärifysiikan tutkimusryhmän kanssa. Työssäni analysoin SGO:n riometriverkoston dataa. Käyttämäni data on peräisin seitsemältä eri leveysasteilla sijaitsevalta asemalta vuosilta 1997–2013. Asemat sijaitsevat Hornsundissa, Abiskossa, Ivalossa, Sodankylässä, Rovaniemellä, Oulussa ja Jyväskylässä. Analyysissäni keskityin vertailemaan erilaisten hiljaisen päivän käyrän (Quiet Day Curve, QDC) määritysmenetelmien vaikutusta absorptioeventtien statistiikkaan. Tutkielmassani teen vertailua absorptioeventtien vuosittaisista määristä sekä niiden jakaumista magneettisen paikallisajan (Magnetic Local Time, MLT) funktiona. Käytin työssäni kahdella eri menetelmällä määritettyä absorptiodataa. Ensimmäinen menetelmä perustuu QDC:n automaattiseen määritykseen ja toinen manuaaliseen määritykseen. Päätimme keskittyä käyttämään automaattisella menetelmällä määritettyä dataa, mutta työssäni vertailen tuloksia myös manuaaliseen dataan. Työni alussa kehitin yksinkertaisen tavan etsiä absorptioeventtejä riometridatasta. Yhdessä ohjaajieni ja SGO:n henkilökunnan avulla valitsimme kriteerit absorptioeventille. Kirjoittamani Matlab-ohjelma etsi datasta näillä kriteereillä absorptioeventtien ajankohdat sekä magnitudit. Näiden tietojen avulla tein vuosijakaumat ja MLT-jakaumat sekä manuaaliselle että automaattiselle datalle. Automaattisessa QDC-määritysessä ilmeni kuitenkin ongelmia auringonpilkkusyklin maksimivuosien talvikuukausina. Päätimme poistaa nämä ajanjaksot joilla ongelma ilmeni. Tämä automaattinen data josta häiriöitä oli poistettu muodosti kolmannen käyttämäni datasetin, korjatun automaattisen datan. Absorptioeventtien vuosijakaumat automaattisessa ja manuaalisessa datassa noudattavat hyvin Kp-indeksiä, joka on geomagneettisen aktiivisuuden indeksi. Kp-indeksin maksimivuosi 2003 on havaittavissa monilla asemilla, kuin myös minimi vuonna 2009. Korrelaatio auringonpilkkuluvun vuosittaisen keskiarvon kanssa on vähemmän selkeä, vaikkakin 11 vuoden sykli on absorptiossa havaittavissa. MLT-jakaumissa yhdistävä piirre on aamumaksimi noin 9 MLT ja iltaminimi noin 18 MLT. Tämä on havaittavissa automaattisessa datassa ja manuaalisessa datassa jossain määrin kaikilla asemilla. MLT-jakauman muoto vaihtelee vuosittain, ja absorption minimivuosina se on hyvin erilainen, eivätkä aamumaksimi ja iltaminimi erotu selkeästi. Suuri osa saaduista tuloksista on myös nähtävissä korjaamattomassa datassa, lukuunottamatta vuosia 2000–2003 ja tiettyjä asemia. Eri QDC-menetelmillä määritetyt datat, korjattu automaattinen ja manuaalinen data, tuottivat samanlaisia tuloksia ja kasvattavat tulosten luotettavuutta. Häiriöitä on kuitenkin edelleen datassa mukana, ja niiden tarkempi poistaminen vaatii vielä lisätyötä. QDC:n automaattista määritystä pitäisi myös kehittää niin, että se ei ottaisi huomioon ajanjaksoja jolloin riometri on saturoitunut. Tarkoituksemme on julkaista saamamme tulokset jatkoanalyysin jälkeen

Drivers of rapid geomagnetic variations at high latitudes

We have examined the most intense external (magnetospheric and ionospheric) and internal (induced) |dH/dt| (amplitude of the 10gs time derivative of the horizontal geomagnetic field) events observed by the high-latitude International Monitor for Auroral Geomagnetic Effects (IMAGE) magnetometers between 1994 and 2018. While the most intense external |dH/dt| events at adjacent stations typically occurred simultaneously, the most intense internal (and total) |dH/dt| events were more scattered in time, most likely due to the complexity of induction in the conducting ground. The most intense external |dH/dt| events occurred during geomagnetic storms, among which the Halloween storm in October 2003 featured prominently, and drove intense geomagnetically induced currents (GICs). Events in the prenoon local time sector were associated with sudden commencements (SCs) and pulsations, and the most intense |dH/dt| values were driven by abrupt changes in the eastward electrojet due to solar wind dynamic pressure increase or decrease. Events in the premidnight and dawn local time sectors were associated with substorm activity, and the most intense |dH/dt| values were driven by abrupt changes in the westward electrojet, such as weakening and poleward retreat (premidnight) or undulation (dawn). Despite being associated with various event types and occurring at different local time sectors, there were common features among the drivers of most intense external |dH/dt| values: preexisting intense ionospheric currents (SC events were an exception) that were abruptly modified by sudden changes in the magnetospheric magnetic field configuration. Our results contribute towards the ultimate goal of reliable forecasts of dH/dt and GICs

Nurmijärven geofysiikan observatorio 70 vuotta 1952–2022

Ilmatieteen laitoksen Nurmijärven geofysiikan observatorio aloitti toimintansa syksyllä 1952. Observatorion päätehtävä oli ylläpitää jatkuvia magneettisia rekisteröintejä muualla Suomessa tehtävien magneettisten kartoitustöiden tueksi. Ilmatieteen laitoksen johdolla tehty magneettinen kartoitustyö saatiin päätökseen vuonna 1930, mutta yli kaksikymmentä vuotta myöhemmin tarvittiin magneettisen kartta-aineiston päivitys. Työhön saatiin Sodankylän geofysiikan observatorion johtaja Eyvind Sucksdorff (1899–1955) vuonna 1945. Sucksdorff oli jättänyt Sodankylän observatorion sen tuhouduttua Lapin sodassa 1944. Hänet nimitettiin Ilmatieteen laitoksen geofyysikon virkaan. Eyvind Sucksdorff aloitti kartoitustyöhön tarvittavat magneettiset maastomittaukset vuonna 1946 ja samaan alkoi myös Nurmijärven observatorion suunnittelu. Observatorion havaintorakennukset saatiin valmiiksi 1951 ja ensimmäinen kokonainen havaintovuosi oli 1953. Magneettisten rekisteröintien ohella observatorio oli Ilmatieteen laitoksen sääasema. Eyvind Sucksdorffin työt magnetismin alalla jäivät kesken, kun hän kuoli yllättäen vuonna 1955. Töiden jatkajaksi tuli Eyvindin poika Christian (1928–2016). Nurmijärven observatorion havaintojen ylläpito saatiin vakinaisemmalle kannalle, kun observatorioon saatiin pysyvää henkilökuntaa ja päärakennus toimisto- ja asuintilaksi. Observatorion paikallisjohtajaksi nimitettiin FM Matti Kivinen (1924–2010) vuonna 1957. Hänen johtajakautensa kesti vuoteen 1988 saakka. Kivisen jälkeen observatorion johtajuutta hoiti FT Kari Pajunpää (1956–2022) vuoteen 2018 saakka. Kansainvälisen Geofysiikan vuoden (IGY, 1957–1958) aikana Nurmijärven observatorion havaintotoiminta laajeni, kun sinne perustettiin Posti- ja lennätinhallituksen ionosondi ionosfäärin luotauksiin kaukomaille suunnattujen radiolähetyksien tueksi. Luotaukset jatkuivat vuoteen 1987 saakka. Vuonna 1961 Helsingin yliopisto perusti observatorion alueelle seismologisen havaintoaseman osana maailmanlaajuista maanjäristyksien havaintoverkkoa. IGY:n aikana Ilmatieteen laitos käynnisti revontulien valokuvausrekisteröinnit usealla asemalla Lapissa. Revontulikuvaukset jatkuvat edelleen uudemman sukupolven kameroilla. Vuonna 1959 observatoriossa aloitettiin ilma- ja sadevesinäytteiden radioaktiivisuuksien analysointi, kun ilmakehässä suurvaltojen toimesta tehtyjen ydinräjähteiden jäljiltä radioaktiivisen säteilyn määrä oli kohoamassa maassammekin selvästi yli luonnollisen tason. Ilmatieteen laitos piti osaltaan yllä säteilyn valvontaan liittyviä mittauksia ja tutkimusta. Toiminnan alkuaikoina pääosan radioaktiivisuuteen liittyvistä töistä teki FM Rolf Mattsson (1933–). 1960- ja 1970-luvuilla Nurmijärven observatorion operatiiviselle vastuulle perustettiin useita eri maiden rahoittamia havaintolaitteita. Tärkeitä toimijoita olivat Saksan Max-Planck-Instituutti ja Alaskan yliopisto. Edellinen ionosfääriluotaimen kautta ja jälkimmäinen magneettisten pulsaatioiden osalta. Yhteistyö Oulun yliopiston ja Sodankylän geofysiikan observatorion kanssa oli tiivistä. 1970-luvulta lähtien käynnistyi havainto- ja rekisteröintijärjestelmien automatisointi ja siirtyminen digitaalisiin laitteisiin. Observatorion alkuajoista lähtien toimineet analogiset magneettiset rekisteröinnit uusittiin moderneilla digitaalisilla laitteilla 1990-luvulla, jolloin valokuvausperiaatteella toimineet rekisteröinnit voitiin lopettaa. Magneettiset absoluutti-instrumentit korvattiin samoihin aikoihin uusilla ajanmukaisilla laitteilla. Samoja magnetometrejä hankittiin myös magnetometriverkon IMAGE käyttöön eri puolilla Suomea. Nurmijärven magneettiset rekisteröinnit liitettiin vuonna 1991 kansainväliseen INTERMAGNET-verkkoon, jolloin observatorion magneettiset datat ovat reaaliajassa käytettävissä maailmalla esimerkiksi avaruussään monitorointiin. Magnetismin alalla uutena toimintamuotona käynnistyi 1990-luvulla magneettinen testilaboratorio, missä voitiin kalibroida erilaisia magneettikenttää mittavia laitteita. Laboratorio erikoistui myös avaruuteen lähetettävien mittalaitteiden magneettisen puhtauden määrityksiin. Työtä tehtiin muun muassa yhdessä ukrainalaisen avaruustutkimuslaitoksen kanssa. Magneettinen testilaboratorio akkreditoitiin (MIKES) vuonna 2007, mutta sen toiminta on keskeytynyt. Kaikkiaan Nurmijärven observatoriossa on ollut toiminnassa 15 erilaista geofysikaalista rekisteröintijärjestelmää. Niistä osa on ollut ulkomaisten yhteistyötahojen havaintolaitteistoja, mutta merkittävä yhteistyökumppani havaintojen alalla on ollut Sodankylän geofysiikan observatorio. Nurmijärven observatorion rekisteröintien automatisointi ja havaintojen liittäminen tietoliikenneverkkoihin vähensi tarvetta ylläpitää observatoriolla vakinaista henkilökuntaa, koska tarvittavat huoltotoimet ja mittaukset voidaan pääasiassa tehdä Helsingistä käsin. Samalla tarpeettomiksi käyneet asuinrakennukset ja käytöstä poistuneet vanhentuneet mittauskopit voitiin purkaa

Thermospheric wind response to a sudden ionospheric variation in the trough:event at a pseudo-breakup during geomagnetically quiet conditions

Abstract The thermospheric wind response to a sudden westward turning of the ion velocity at a high latitude was studied by analyzing data obtained with a Fabry–Perot interferometer (FPI; 630 nm), Dynasonde, and Swarm A & C satellites during a conjunction event. The event occurred during a geomagnetically quiet period (Kp = 0 +) through the night, but some auroral activity occurred in the north. The collocated FPI and Dynasonde measured the thermospheric wind (U) and ionospheric plasma velocity (V), respectively, in the F region at the equatorward trough edge. A notable scientific message from this study is the possible role of thermospheric wind in the energy dissipation process at F-region altitude. The FPI thermospheric wind did not instantly follow a sudden V change due to thermospheric inertia in the F region. At a pseudo-breakup during the event, V suddenly changed direction from eastward to westward within 10 min. U was concurrently accelerated westward, but its development was more gradual than that of V, with U remaining eastward for a while after the pseudo-breakup. The delay of U is attributed to the thermospheric inertia. During this transition interval, U∙V was negative, which would result in more efficient generation of frictional heating than the positive U∙V case. The sign of U∙V, which is related to the relative directions of the neutral wind and plasma drift, is important because of its direct impact on ion-neutral energy exchange during collisions. This becomes especially important during substorm events, where rapid plasma velocity changes are common. The sign of U∙V may be used as an indicator to find the times and locations where thermospheric inertia plays a role in the energy dissipation process