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
