A new method to estimate ionospheric electric fields and currents using data from a local ground magnetometer network

In this study we present a new method to estimate ionospheric electric fields and currents using ground magnetic recordings and measured or modeled ionospheric electric conductivity as the input data. This problem has been studied extensively in the past, and the standard analysis technique for such a set of input parameters is known as the KRM method (Kamide et al., 1981). The new method presented in this study makes use of the same input data as the traditional KRM method, but differs significantly from it in the mathematical approach that is used. In the KRM method one tries to find such a potential electric field, that the resulting current system has the same curl as the ionospheric equivalent currents. In the new method we take a different approach, so that we determine such a curl-free current system that, together with the equivalent currents, it is consistent with a potential electric field. This approach results in a slightly different equation, that makes better use of the information contained in the equivalent currents. In this paper we concentrate on regional studies, where the (unknown) boundary conditions at the borders of the analysis area play a significant role in the KRM solution. In order to overcome this complication, we formulate a novel numerical algorithm to be used with our new calculation method. This algorithm is based on the Cartesian elementary current systems (CECS). With CECS the boundary conditions are implemented in a natural way, making regional studies less prone to errors. We compare the traditional KRM method and our new CECS-based formulation using several realistic models of typical meso-scale phenomena in the auroral ionosphere, including a uniform electrojet, the Ω-bands and the westward traveling surge. It is found that the error in the CECS results is typically about 20%–40%, whereas the errors in the KRM results are significantly larger

Ekologinen yrittäjyys on maaseudun mahdollisuus

Maaseudun luonnonarvojen tuotteistamisessa on mahdollisuuksia. Aineellisten arvojen ohella myös luonnon aineettomia arvoja voidaan tuotteistaa. Kuluttaja on kiinnostunut ekologisen yrittäjän tarjoamista tuotteista ja palveluista, mutta kysyntä ja tarjonta eivät aina kohtaa toisiaan.vo

Induction effects on ionospheric electric and magnetic fields

Rapid changes in the ionospheric current system give rise to induction currents in the conducting ground that can significantly contribute to magnetic and especially electric fields at the Earth's surface. Previous studies have concentrated on the surface fields, as they are important in, for example, interpreting magnetometer measurements or in the studies of the Earth's conductivity structure. In this paper we investigate the effects of induction fields at the ionospheric altitudes for several realistic ionospheric current models (Westward Travelling Surge, Ω-band, Giant Pulsation). Our main conclusions are: 1) The secondary electric field caused by the Earth's induction is relatively small at the ionospheric altitude, at most 0.4 mV/m or a few percent of the total electric field; 2) The primary induced field due to ionospheric self-induction is locally important, ~ a few mV/m, in some "hot spots", where the ionospheric conductivity is high and the total electric field is low. However, our approximate calculation only gives an upper estimate for the primary induced electric field; 3) The secondary magnetic field caused by the Earth's induction may significantly affect the magnetic measurements of low orbiting satellites. The secondary contribution from the Earth's currents is largest in the vertical component of the magnetic field, where it may be around 50% of the field caused by ionospheric currents.<p> <b>Keywords.</b> Geomagnetism and paleomagnetism (geomagnetic induction) – Ionosphere (electric fields and currents

New method for solving inductive electric fields in the non-uniformly conducting ionosphere

We present a new calculation method for solving inductive electric fields in the ionosphere. The time series of the potential part of the ionospheric electric field, together with the Hall and Pedersen conductances serves as the input to this method. The output is the time series of the induced rotational part of the ionospheric electric field. The calculation method works in the time-domain and can be used with non-uniform, time-dependent conductances. In addition, no particular symmetry requirements are imposed on the input potential electric field. The presented method makes use of special non-local vector basis functions called the Cartesian Elementary Current Systems (CECS). This vector basis offers a convenient way of representing curl-free and divergence-free parts of 2-dimensional vector fields and makes it possible to solve the induction problem using simple linear algebra. The new calculation method is validated by comparing it with previously published results for Alfvén wave reflection from a uniformly conducting ionosphere

Hevostarhojen maassa runsaasti fosforia

Hevosten ulkoilualueilla fosforikuormitusta aiheuttavat pääasiassa ulosteet ja ruokintajätteet. Myös tiivistynyt maa ja maanpeitekasvien puuttuminen lisäävät pintavalumaa ja eroosiota. Ulosteet ja rehuntähteet olisi kerättävä pois ja alueen pintamateriaalia uusittava ajoittain, ettei pintamaahan kertynyt fosfori lisää valumavesien mukana kulkeutuvaa fosforikuormaa.vo

Paikallisilla teoilla ilmastonmuutoksen hillintään

Paikallisilla teoilla ilmastonmuutoksen hillintään -artikkelikokoelma on toteutettu osana samannimistä hanketta (Immu). Artikkelikokoelmassa kerrotaan kolmevuotisen hankkeentuloksista ja jokaisen artikkelin jälkeen on alueellisen toimijan kommenttikirjoitus. Kokoelman alussa on kuvattu, miten paikallista ilmastopolitiikkaa on toteutettu ilmastotyönä Lahden seudulla ja laajemmin Päijät-Hämeessä sekä kasvihuonekaasupäästölaskennasta ja Lahden kaupungin päästöjen vähentämispolusta. Seuraavaksi kokoelmassa on kuvattu eri sektoreiden, kuten maankäytön, energiantuotannon ja jätehuollon, paikallisista mahdollisuuksista vähentää kasvihuonekaasupäästöjä. Myös maakunnan asukkaiden näkemykset on huomioitu omassa artikkelissaan. Kokoelman lopussa on sade- ja sulamisvesien hallintaan keskittyvä artikkeli, joka liittyy Lahden kaupungin hulevesiohjelmaan. Immu-hankkeen tavoitteena oli selvittää ja sopia kuntatason konkreettiset keinot ilmastonmuutoksen hillintään Päijät-Hämeessä. Hanke oli mukana toteuttamassa Lahden seudullista ilmasto-ohjelmaa. Lisäksi tuotettiin tietoa paikallisista keinoista hillitä ilmastonmuutosta. Tietoa jaettiin lukuisissa tilaisuuksissa ja seminaareissa. Lisäksi asukkaita kannustettiin ilmastotyöhön omalta osaltaan. Immu-hanke osallistui myös Päijät-Hämeen ilmasto- ja energiaohjelman valmisteluun sekä teki yhteistyötä useiden muiden projektien kuten, Lahden kaupungin GreenCity-ohjelman, kanssa

Theoretical modeling of ionospheric electrodynamics including induction effects

This thesis deals with theoretical modeling of the electrodynamics of auroral ionospheres. In the five research articles forming the main part of the thesis we have concentrated on two main themes: Development of new data-analysis techniques and study of inductive phenomena in the ionospheric electrodynamics. The introductory part of the thesis provides a background for these new results and places them in the wider context of ionospheric research. In this thesis we have developed a new tool (called 1D SECS) for analysing ground based magnetic measurements from a 1-dimensional magnetometer chain (usually aligned in the North-South direction) and a new method for obtaining ionospheric electric field from combined ground based magnetic measurements and estimated ionospheric electric conductance. Both these methods are based on earlier work, but contain important new features: 1D SECS respects the spherical geometry of large scale ionospheric electrojet systems and due to an innovative way of implementing boundary conditions the new method for obtaining electric fields can be applied also at local scale studies. These new calculation methods have been tested using both simulated and real data. The tests indicate that the new methods are more reliable than the previous techniques. Inductive phenomena are intimately related to temporal changes in electric currents. As the large scale ionospheric current systems change relatively slowly, in time scales of several minutes or hours, inductive effects are usually assumed to be negligible. However, during the past ten years, it has been realised that induction can play an important part in some ionospheric phenomena. In this thesis we have studied the role of inductive electric fields and currents in ionospheric electrodynamics. We have formulated the induction problem so that only ionospheric electric parameters are used in the calculations. This is in contrast to previous studies, which require knowledge of the magnetospheric-ionosphere coupling. We have applied our technique to several realistic models of typical auroral phenomena. The results indicate that inductive electric fields and currents are locally important during the most dynamical phenomena (like the westward travelling surge, WTS). In these situations induction may locally contribute up to 20-30% of the total ionospheric electric field and currents. Inductive phenomena do also change the field-aligned currents flowing between the ionosphere and magnetosphere, thus modifying the coupling between the two regions.Tässä väitöskirjassa käsitellään revontulialueiden ionosfäärin sähködynamiikkaa. Väitöskirjan ydinosa koostuu viidestä referoidusta artikkelista, joissa keskitytään kahteen pääteemaan: Kehitetään uusia menetelmiä mittausdatan käsittelyyn ja mallinnetaan ionosfäärin sisäistä sähkömagneettista induktiota. Väitöskirjan johdanto-osa antaa taustatietoa Maan lähiavaruudesta ja ionosfääritutkimuksesta, sekä asettaa artikkeleissa esitetyt uudet tulokset osaksi laajempaan kokonaisuutta. Väitöskirjassa esitellään uusi työkalu (nimeltään 1D SECS) maanpinnalle, yleensä poihjoinen-etelä suuntaisesti sijoitettujen magnetometriketjujen havaintojen analysointiin. Lisäksi kehitetään toinen uusi menetelmä ionosfäärin sähkökenttien laskemiseen käyttäen lähtötietoina maanpinnalla mitattua magneettikenttää ja arviota ionosfäärin sähkönjohtavuudesta. Molemmat uudet menetelmät perustuvat osittain aikaisempiin tutkimuksiin, mutta sisältävät merkittäviä parannuksia: 1D SECS menetelmä huomioi ionosfäärin suuren skaalan sähkösuihkuvirtausten pallomaisen geometrian kun taas sähkökentän laskentaan tarkoitettua menetelmää voidaan käyttää luotettavasti myös paikallisissa tarkasteluissa, sillä se käsittelee alueen reunalla tarvittavat reunaehdot uudella tavalla. Esitettyjä menetelmiä testataan sekä erilaisia malleja että mittausdataa käyttäen. Testit osoittavat uusien menetelmät antavan aikaisempaa luotettavampia tuloksia. Induktiiviset ilmiöt liittyvät läheisesti sähkövirtojen ajallisiin muutoksiin. Ionosfäärin suuren skaalan virtajärjestelmät muuttuvat melko hitaasti, minuuttien tai tuntien aikaskaaloissa, joten ionosfäärissä induktioilmiöiden on uskottu olevan merkityksettömiä. Kuitenkin viimeisten runsaan kymmenen vuoden aikana on huomattu induktiolla voivan olla suurta merkityssä eräissä ionosfäärin ilmiöissä. Väitöskirjassa tutkitaan induktiivisten sähkökenttien ja virtojen roolia ionosfäärin sähködynamiikassa. Induktio-ongelma muotoillaan siten että laskennassa tarvitaan pelkästään ionosfäärin sisäisiä sähköisiä parametreja. Tämä eroaa aikaisemmista lähestymistavoista, joissa ongelman ratkaisemiseksi tarvitaan tietoa ionosfäärin ja magnetosfäärin välisestä kytkennästä. Uutta laskentatekniikka sovelletaan useisiin tyypillisiin ionosfäärin ilmiöihin. Tulokset osoittavat induktiivisten sähkökenttien ja virtojen olevan tärkeitä paikallisissa, erittäin nopeita ajallisia muutoksia sisältävissä tilanteissa (kuten länteen etenevä hyöky, WTS). Tällaisissa tilanteissa induktio voi paikallisesti tuottaa jopa 20-30% ionosfäärin sähkökentästä ja virroista. Induktio vaikuttaa myös ionosfäärin ja magnetosfäärin välillä kulkeviin magneettikentän suuntaisiin virtoihin, ja tätä kautta kyseisten alueiden väliseen vuorovaikutukseen

Statistical comparison of seasonal variations in the GUMICS-4 global MHD model ionosphere and measurements

Understanding the capability of a simulation to reproduce observed features is a requirement for its use in operational space weather forecasting. We compare statistically ionospheric seasonal variations in the Grand Unified Magnetosphere-Ionosphere Coupling Simulation (GUMICS-4) global magnetohydrodynamic model with measurements. The GUMICS-4 data consist of a set of runs that was fed with real solar wind measurements and cover the period of 1 year. Ionospheric convection measurements are from the Super Dual Auroral Radar Network (SuperDARN) radars, and electric currents are derived from the magnetic field measured by the CHAMP satellite. Auroral electrojet indices are used to examine the disturbance magnetic field on ground. The signatures of electrodynamic coupling between the magnetosphere and ionosphere extend to lower latitudes in GUMICS-4 than in observations, and key features of the auroral ovals—the Region 2 field-aligned currents, electrojets, Harang discontinuity, and ring of enhanced conductivity—are not properly reproduced. The ground magnetic field is even at best about 5 times weaker than measurements, which can be a problem for forecasting geomagnetically induced currents. According to the measurements, the ionospheric electrostatic potential does not change significantly from winter to summer but field-aligned currents enhance, whereas in GUMICS-4, the electrostatic potential weakens from winter to summer but field-aligned currents do not change. This could be a consequence of the missing Region 2 currents: the Region 1 current has to close with itself across the polar cap, which makes it sensitive to solar UV conductivity. Precipitation energy and conductance peak amplitudes in GUMICS-4 agree with observations