Coupled Sun-Earth system : role of magnetic chirality

Abstract

The interaction between the solar wind and the Earth’s magnetosphere, along with the associated energy transfer into the auroral regions and the ring current, drives geomagnetic activity on the surface of the Earth. This thesis studies the role of chirality in the magnetic coupling, focusing on its influence on different regions of the geomagnetic field. A literature review was conducted on fundamental concepts, including the Sun-Earth system, Alfvénicity, and helicity. Satellite and ground-based magnetometer data were analyzed to quantify chirality and its relation to geomagnetic indices and other parameters of the solar wind magnetic field. The flux characteristic number (FCN) was derived from the Z component of the interplanetary magnetic field (IMF) to describe chirality in the solar wind. The auroral electrojet (AE) and the disturbance storm time (Dst) indices were used to derive the relative disturbance strength (RDS) to describe where energy is transferred within the magnetosphere. This work showed that chirality was at its highest in 2003 and lowest in 2009, while in 2023 it was between these two. The data analysis revealed a strong cross-correlation of chirality of magnetic field (characterized by FCN) and geomagnetic activity at high latitudes (characterized by AE index), especially during the active year 2023. FCN and RDS could be useful in better forecasting of solar-wind impact on the geomagnetic field. In this thesis, the years 2003, 2009, and 2023 were studied, and the role of the parameters in geomagnetic activity during entire solar cycles could be explored in future studies.

Avaruussään ilmiöitä ohjaa Auringon ja Maan magneettikenttien välinen vuorovaikutus, joka ilmenee geomagneettisena aktiivisuutena energian kulkeutuessa aurinkotuulesta revontulivyöhykkeille ja rengasvirtaan. Tässä tutkielmassa perehdyttiin magneettikentän kierteisyyden vaikutukseen kyseisessä kytkennässä sekä tehtiin kirjallisuuskatsaus Auringon ja Maan magneettiseen järjestelmään, Alfvénisyyteen ja helisiteettiin liittyviin perusasioihin. Kierteisyyttä ja sen suhdetta geomagneettisiin indekseihin sekä muihin aurinkotuulen ominaisuuksiin analysoitiin satelliittien ja maanpäällisten magnetometrien tuottaman datan avulla. Vuon tunnusluku (flux characteristic number, FCN) johdettiin aurinkotuulen magneettikentän (interplanetary magnetic field, IMF) Z-komponentista kuvaamaan kierteisyyttä. AE- ja Dst-indeksien pohjalta muodostettiin suhteellinen häiriön voimakkuus (relative disturbance strength, RDS) kuvaamaan, mihin päin magnetosfääriä energiaa päätyy. Työssä osoitettiin, että vuonna 2003 kierteisyys oli korkeimmillaan ja vuonna 2009 matalimmillaan, kun taas vuonna 2023 kierteisyys oli näiden väliltä. Data-analyysissä paljastui myös vahva ristikorrelaatio FCN:n kuvaaman magneettikentän kierteisyyden ja AE-indeksin kuvaaman korkeiden leveysasteiden geomagneettisen aktiivisuuden välillä, erityisesti aktiivisen vuoden 2003 aikana. FCN ja RDS voivat olla hyödyllisiä, kun ennustetaan aurinkotuulen vaikutusta geomagneettiseen kenttään. Tässä opinnäytetyössä tarkasteltiin vuosia 2003, 2009 ja 2023, joten tulevissa tutkimuksissa voitaisiin selvittää parametrien toimivuutta esimerkiksi kokonaisten aurinkosyklien aikana.