Statistical investigation of magnetosphere-ionosphere-ground interaction over mid-latitudes during geomagnetic storms
Jeomanyetik fırtınalar sırasında orta enlemlerdeki manyetosfer-iyonosfer-yer etkileşiminin istatistiksel olarak incelenmesi
- Tez No: 777911
- Danışmanlar: PROF. DR. ZEREFŞAN KAYMAZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Astronomi ve Uzay Bilimleri, Bilim ve Teknoloji, Meteoroloji, Astronomy and Space Sciences, Science and Technology, Meteorology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Atmosfer Bilimleri Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 119
Özet
“Uzay havası”ifadesi, uzaydaki, daha spesifik olarak güneş sistemindeki koşulları tanımlamak için kullanılır. Güneş sisteminin birincil enerji kaynağı olduğu için uzay havası Güneş üzerinde yoğunlaşmıştır. Güneş'in son derece dinamik yapısı nedeniyle güneş patlamaları olarak bilinen ani enerji patlamaları, taç küre kütle püskürmeleri olarak bilinen plazma ve manyetik alan patlamaları, bazı durumlarda açık manyetik alan çizgileri nedeniyle güneş rüzgarının hızında artış gibi olaylar gerçekleşmektedir. Şiddetli uzay havası olayları, uzay ortamında aşırı değişiklikler yaratır. Şiddetli uzay havası olayları, jeomanyetik alanda, Dünya ve çevresinde bozulmalar üreterek, nötr koşulların olumsuz yönde değişmesine neden olur. Şiddetli uzay havasının uydu operasyonları, iyonosferik iletkenliğe dayalı iletişim ve yer altı elektrik kabloları üzerinde olumsuz etkileri vardır. Bu çalışmada, uzay havasının orta enlemler üzerinde yer ve iyonosfer seviyelerindeki etkilerinin anlaşılması amaçlanmaktadır. Literatürde bu etkilerle ilgili pek çok araştırma bulunmasına rağmen bu çalışmayı literatürdeki diğer çalışmalardan ayıran üç nokta vardır. İlk nokta, bu çalışmanın daha yaygın olarak yüksek ve hatta alçak enlemler üzerinde yapılan araştırmalardan farklı olarak orta enlemler için yapılmış olmasıdır. İkinci nokta ise hem yer seviyesi hem de iyonosferik seviye ölçümlerinin Türkiye'de yapılıyor, yani Türkiye'ye özel yapılmış bir çalışma olmasıdır. Üçüncü nokta, literatürdeki çalışmalardan farklı olarak, aynı jeomanyetik fırtınalar için hem yer hem de iyonosfer üzerindeki etkilerin birlikte çalışılmasıdır. Dünya, Dünya'yı Güneş'ten gelen güneş enerjili parçacıklardan koruyan güçlü bir manyetik alana sahiptir. Nedeni tam olarak anlaşılamasa da ana teori, Dünya'nın iletken sıvı dış çekirdeğinin, Dünya'nın kendi ekseni etrafında dönüşü sırasında dinamo etkisiyle bir manyetik alan oluşturduğudur. Dünya'nın jeomanyetik alan çizgileri sonsuzluğa ulaşmaz çünkü Güneş de güçlü bir manyetik alana sahiptir. Böylece jeomanyetik alan ve gezegenler arası manyetik alanın (IMF) dinamik basıncının oluştuğu noktalarda manyetosfer adı verilen koruyucu bir tabaka oluşur. Manyetosfer, Güneş'ten gelen materyallerin Dünya atmosferine girmesini engeller, ancak şiddetli uzay havası olayları sonucu Güneş plazması çok hızlı ve yoğun geldiğinde, manyetosfer bozuntuya uğrar. Bu durumda da yüksek enerjili parçacıklar ve Güneş plazması atmosfere etki eder. Bu çalışmanın yer seviyesi kısmı, jeomanyetik olarak indüklenen akım (GIC) olarak bilinen bir olaya odaklanmaktadır. Jeomanyetik olarak indüklenen akımlar, uzay havasının yer seviyesindeki en belirgin etkisidir. Dünyanın jeomanyetik alanındaki ani değişimlerin bir elektrik alanı oluşturması ve yer altında iletken bir sistemin varlığında elektrik yüklü olması esasına dayanır. Jeomanyetik alandaki hızlı değişimler, yerin kendisine nüfuz eden bir elektrik alanı yaratır. Elektrik şebekesi sistemleri ve yer altı boruları, yer seviyesinde akan elektrik akımından etkilenir. Yüksek enlemler, manyetik kutuplar nedeniyle en şiddetli sonuçları yaşadıkları için GIC için en riskli bölgeler olmasına rağmen, GIC her enlemde meydana gelebilir ve bu çalışmanın amacı, orta enlemlerdeki GIC'lere bakmaktır. İyonizasyon işlemi, Güneş'ten gelen aşırı ultraviyole (EUV) radyasyon ve plazmaya dayanmaktadır. Radyasyon, elektronu atmosferdeki nötr gaz atomlarından ayırır ve yüklü iyonlar ve serbest elektronlar oluşur. Böylece atmosferde elektrik yüklü bir bölge oluşur. Atmosferin iletken tabakası olan iyonosfer, atmosferdeki radyo dalgalarının iletimi, dünya çapında ve uzaydaki uydularla uzun mesafeli iletişim için çok önemlidir. Özellikle uydu teknolojisindeki gelişmelerle birlikte, iyonosferdeki elektron yoğunluğundaki değişimlerin anlaşılması, askeri ve seyir sistemlerinden günlük hayatımızın son derece önemli parçalarından biri olan cep telefonlarına kadar bu teknolojilerin birçok uygulamasında kritik önem kazanmaktadır. Bu nedenle, bu çalışmada jeomanyetik fırtınaların olduğu günlerdeki iyonosferik elektron yoğunluğundaki değişimlerin anlaşılması amaçlanmaktadır. Bu çalışmada Marmara Bölgesi'nde ölçülen üç veri seti kullanılmıştır (GG: ~ 40°K, GM: ~38°K). Birinci veri seti, İznik'te (40°K, 29°D) bulunan Kandilli Jeomanyetik Rasathanesi'nden elde edilen jeomanyetik alan ölçümleridir. Burası Türkiye'deki tek jeomanyetik gözlemevidir ve INTERMAGNET üyesidir. 1 dakikalık çözünürlüklü verileri INTERMAGNET'te mevcuttur. Bu çalışma için gözlemevinden 1 saniyelik çözünürlüklü veriler talep edilmiştir. 2013-2015 yılları arasında 36 tane jeomanyetik fırtınanın olduğu gün seçilmiş ve bu veriler kullanılmıştır. İkinci veri seti ise Bozcaada'da (39°K, 26°D) bulunan LEMI-414 manyetotellürik istasyonundan elde edilen jeomanyetik ve jeoelektrik alan ölçümleridir. Manyetotelürik istasyon 2013 ve 2014 yılları arasında faaliyette kalmıştır. Dolayısıyla, daha önce bahsedilen 36 günün 10'u analiz için mevcuttur. Hem jeomanyetik hem de jeoelektrik alan ölçümleri 1 saniyelik çözünürlüktedir. Son veri seti, İstanbul İTÜ Kampüsü'nde (41°K, 28°D) bulunan Dynasonde'den elde edilen F-tabakası elektron yoğunluğu ölçümleridir. Aynı 36 fırtına için, tümü 4 dakikalık çözünürlükte olan veriler kullanılmıştır. Ek olarak, Bozulma Fırtına Zamanı (Dst) indeksi, Aurora Elektrojet (AE) indeksi, ACE ve WIND uzay araçlarından elde edilen güneş rüzgârı verileri kullanılmıştır. Bu tez çalışması, vaka çalışmaları ve istatistiksel çalışma olmak üzere iki ana bölümden oluşmaktadır. Vaka çalışmaları için, 2013 St. Patrick fırtınası olarak da bilinen 17 Mart 2013, 27 Şubat 2014 ve 9 Eylül 2015 olmak üzere birbirini takip eden yıllardan Dst değerleri baz alınarak 3 jeomanyetik fırtına seçilmiştir. Vaka çalışmaları, zaman serileri aracılığıyla kapsamlı bir şekilde yapılmıştır. Jeomanyetik fırtınaların evreleri başlangıç, ana ve toparlanma evreleri olarak belirlenmiştir. Farklı parametrelerdeki değişimler analiz edilmiştir. Fırtınaların şiddetini belirlemek için Dst ve AE indeksleri kullanılmıştır. GIC için güvenilir bir gösterge olarak kabul edilen yatay jeomanyetik alanın zamanla türevi, yer seviyesindeki ana parametre olarak seçilmiştir. İyonosferik kısımda ana parametre, aktif ve sakin gün periyotları arasındaki F-katmanındaki kritik elektron yoğunluğu farkıdır. İyonosferde, jeomanyetik fırtınaların elektron yoğunluğu üzerinde hem negatif hem de pozitif etkileri olabilir, bu da fırtına sırasında elektron yoğunluğunun artabileceği veya azalabileceği anlamına gelir. Bu nedenle, vaka çalışmaları için fırtınalar seçilirken bu dikkate alınmış ve bu iki örnek de gösterilmiştir. Güneş plazması ile ilişkiyi görebilmek için uydu verileri kullanılmıştır ve seçilen parametreler iyon yoğunluğu, hız, toplam gezegenler arası manyetik alan (IMF Bt) ve bunun güney bileşeni (IMF Bz) ve dinamik basınçtır. Tüm bu parametreler zaman serileri ile karşılaştırılmıştır. Elektrik alan ölçümü olan tek fırtına 27 Şubat 2014'tür ve bu durum için elektrik alanın kuzey ve batı bileşenleri de analiz edilmiştir. Çalışmanın istatistiksel kısmı, histogram analizi ve fiziksel olarak anlamlı çiftler arasındaki doğrusal ilişkiden oluşmaktadır. 27 farklı parametre için histogramlar, 72 parametre çifti için dağılım grafikleri ve korelasyon katsayıları kullanılmıştır. Histogramlar ile jeomanyetik alanın ve iyonosferin jeomanyetik fırtınalar sırasındaki genel davranışının anlaşılması amaçlanmıştır. Belirli eşikler için ortalamalar ve olasılıklar bulunmuştur. 72 çift arasındaki doğrusal ilişki, saçılma grafikleri kullanılarak ve Pearson korelasyon katsayıları hesaplanarak belirlenmiştir. Pearson korelasyon katsayılarının güvenilirliği Öğrenci t-testi ile 0.05 anlamlılık düzeyinde test edilmiştir. Bu analizin amacı, parametreler arasındaki olası bağımlılığı bulmak ve çeşitli şiddetlerdeki jeomanyetik fırtınalar için bilinen varyasyonlara dayanarak ne bekleyeceğinizi belirlemektir. Bu tezde, bu çalışmanın ön sonuçları açıklanmaktadır. Bu kapsamlı çalışmada olası ilişkileri görmek için bazı yöntemler bir arada kullanılmış ve farklı yöntemler kullanılmıştır. Bu çalışmadan jeomanyetik fırtınalar sırasında ülkemizin bulunduğu enlemlerde yer seviyesinde ve iyonosferik seviyede nasıl değişimler olduğu ile ilgili çeşitli sonuçlara ulaşılmıştır. Yer seviyesinde jeomanyetik alanın yatay bileşeninde zamana bağlı değişimlerin büyüklükleri, bu değişimlerin fırtınanın hangi aşamalarında gözlemlendiği ve buna bağlı olarak hangi doğal fiziksel mekanizmaların bizim enlemlerimizde etkin olduğu, fırtınaların ve aşamalarının hangi jeomanyetik indis ile daha ilişkili olduğu, hangi aşamada nasıl büyüklüklerde değişimler beklenmesi gerektiği gibi sorular tartışılmıştır. Gelecekteki çalışmalar için, daha yüksek vaka sayısına sahip fiziksel olarak anlamlı parametre çiftleri arasındaki ilişkileri bulmak için farklı istatistiksel yöntemlerin kullanılması amaçlanmaktadır. Daha iyi anlaşılması için dağılım eğrileri bulunacaktır. Nedenler ve etkiler arasında daha iyi bağlantılar kurmak için örnek olay incelemelerine üst üste bindirilmiş zaman serisi analizi uygulanacaktır. Bu çalışmanın, orta enlemlerde jeomanyetik alan ve iyonosferik elektron yoğunluğunun güneş aktivitesinden ne ölçüde etkilendiğini tahmin etmek ve enlemlerimizde hangi fiziksel süreçlerin etkili olduğunu anlamak için bir kilometre taşı oluşturması amaçlanmaktadır. Bir fırtınanın farklı evrelerinde ne tür değişimlerin görüldüğünü belirlemek, yerde veya iyonosferde görülen etkiye sebep olan mekanizmalar hakkında bilgi verir. Benzer şekilde, hangi jeomanyetik indeksin veya güneş rüzgârı parametresinin yer ve İyonosferde daha çok etkili olduğunun belirlenmesi de değişimin ardındaki etki mekanizması hakkında bilgi verir. Bu çalışmanın gelecekte Türkiye üzerinde uzay havasının etkileri konusunda yapılacak çalışmalara ışık tutacağı düşünülmektedir.
Özet (Çeviri)
The phrase“space weather”is used to describe the conditions in space, more specifically in the solar system. Space weather is concentrated on the Sun since it is the solar system's primary energy source. The Sun's highly dynamic structure results in energy bursts that can take on a variety of shapes, including sudden energy bursts known as solar flares, bursts of plasma and magnetic field known as coronal mass ejections, and in some cases, an increase in the speed and density of the solar wind due to open magnetic field lines. Severe space weather events are what these phenomena are named since they create extreme changes in the space environment. By producing disruptions in the geomagnetic field and other aspects of the Earth's environment, extreme space weather causes the neutral conditions to shift in a negative way. Extreme space weather has an impact on satellite operations, ionospheric conductivity-based communication, and underground electrical cables. In this study, it is aimed to understand the effects of space weather on ground and ionospheric levels over mid-latitudes. There are various types of research in the literature about these effects, yet there are three points that separate this study from the other works in the literature. The first point is that this study is done for mid-latitudes rather than the more commonly researched over high and even low latitudes. The second point is that both the measurements for ground level and the ionospheric levels are done in Türkiye, so it is a study specifically done for Türkiye. The third point is that effects on both ground and ionosphere are studied together for the same cases which is unusual among the studies in the literature. The ground-level part of this study focuses on a phenomenon known as geomagnetically induced current (GIC). The geomagnetic field's rapid changes create an electric field that penetrates the ground itself. The power grid systems and underground pipes are affected by the electric current flowing at ground level. Although high latitude regions are the major danger area for GIC since they experience the most severe consequences there due to magnetic poles, GIC may occur everywhere, and the goal of this study is to look at GICs in the mid-latitude region. The ionosphere, which is the conducting layer of the atmosphere, is crucial to radio wave transmission in the atmosphere and, long-distance communication across the globe and with satellites in space. Particularly with the advancements in satellite technology, understanding the variations in the ionospheric electron density becomes critically important in many of the applications of these technologies, ranging from the military and navigational systems to the cellphones which are one of extremely essential parts of our daily lives. Thus, in this study, it is aimed to understand the variations in the ionospheric electron density during the geomagnetically disturbed days. In this study, three data sets have been used over Marmara Region, Türkiye (GG: ~ 40°N, GM: ~38°N). The first data set is geomagnetic field measurements obtained from Kandilli Geomagnetic Observatory located at Iznik (40°N, 29°E). This is the only geomagnetic observatory in Türkiye and is a member of INTERMAGNET. The 1-min resolution data is available on INTERMAGNET. 1-sec resolution data is obtained from the observatory for this study. 36 geomagnetically disturbed days between 2013 and 2015 have been chosen and those data have been used. The second data set is geomagnetic and geoelectric field measurements which obtained from the LEMI-414 magnetotelluric station located at Bozcaada (39°N, 26°E). The magnetotelluric station was operational between 2013 and 2014. Thus, 10 out of the previously mentioned 36 days were available to analyze. Both the geomagnetic and geoelectric field measurements are 1-sec resolution. The last data set is F-layer electron density measurements which obtained from the Dynasonde located at ITU Campus, Istanbul (41°N, 28°E). The data for the same 36 geomagnetically disturbed days have been used which are all 4-min resolution. Additionally, Disturbance Storm Time (Dst) index, and solar wind data from ACE and WIND spacecrafts have been used. The study consists of two main parts which are case studies and statistical studies. For the case studies, 3 geomagnetically disturbed days have been selected based on Dst from consecutive years, 17 March 2013 which is also known as the 2013 St. Patrick storm, 27 February 2014, and 9 September 2015. Case studies are done thoroughly via time series. The phases of the geomagnetic storms are determined as initial, main, and recovery phases. The variations in different parameters are analyzed. Dst and AE indices are used to determine the strength of the storms. The time derivative of the horizontal geomagnetic field which is considered as a reliable indicator for GIC is the main parameter for the ground-level effect. In the ionospheric part, the main parameter is the F-layer critical electron density difference between the active and quiet day periods. In the ionosphere, geomagnetic storms can have both negative and positive effects on the electron density which means the electron density might increase or decrease during the storm. Thus, while selecting the storms for case studies, this has been considered and both of these examples are shown. In order to be able to see the relationship with the solar plasma, satellite data is used, and the parameters selected are ion density, speed, total and southward interplanetary magnetic field (IMF Bt and Bz), and dynamic pressure. All of these parameters are compared with time series. The only case with electric field measurement is 27 February 2014, and for this case, also the northward and eastward electric field components are analyzed. The statistical part of the study consists of histogram analysis and linear relationships between physically meaningful pairs. It is aimed to understand the general behavior of the geomagnetic field and the ionosphere during geomagnetic storms with histograms. The averages and the possibilities are found for certain thresholds. Linear relationships between the 72 pairs have been determined by using scatter plots and calculating Pearson correlation coefficients. The reliability of the Pearson correlation coefficients is tested with Student's t-test at a 0.05 significance level. The aim of this analysis is to find out the possible dependency between the parameters, and determine what to expect based on the known variations for geomagnetic storms in various strengths. In overall, it is aimed to estimate to what extent the geomagnetic field and ionospheric electron density are affected by solar activity at mid-latitudes, and form a milestone to understand which physical processes are effective at our latitudes. Determining what kind of variations are seen in different phases of a storm gives information about the mechanisms driving the seen effect on the ground or in the ionosphere. As similar, determining which geomagnetic index or solar wind parameter also gives information about the affecting mechanism behind the change. It is believed that this study will give insights for future studies which will be done on the space weather effects over Türkiye.
Benzer Tezler
- Statistical investigation of ionospheric electron density over İstanbul during geomagnetic storms and implications for GPS communications
Geomanyetik fırtına zamanlarında İstanbul üzerindeki iyonosferik elektron yoğunluğunun istatistiksel olarak incelenmesi ve GPS haberleşmesi üzerine etkisi
BUTE NAZ ERBAŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZEREFŞAN KAYMAZ
- Magnetotail shape, flow and magnetic field structure at lunar distances using artemis observations
Dünya'nın manyetik kuyruğunun şekil, plazma akışı ve manyetik alan yapısı açısından ay mesafesinde artemis uydu verileri ile incelenmesi
İKLİM GENÇTÜRK AKAY
Doktora
İngilizce
2019
Astronomi ve Uzay Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZEREFŞAN KAYMAZ
- Disk kanatçık sistemlerindeki düzensizlik davranışının ANSYS programı ile istatistiksel olarak incelenmesi
Statistical investigation of mistuning behaviour of bladed disc systems with ANSYS program
ONUR AĞDACI
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Savunma ve Savunma Teknolojileriİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. VEDAT ZİYA DOĞAN
- Toplam kalite yönetimi ve TKY algılarının özel sektör üzerine etkilerinin istatiksel araştırılması
Statistical investigation of the effects of total quality management and TQM perceptions on the private sector.
GÖKTEN NURİ DOĞAN
- Mesleki yeterlilik belgesi almaya aday inşaat işçilerinin mesleki bilgilerinin istatistiksel olarak araştırılması ve sonuçların inşaat sektörü özelinde yorumlanması
Statistical investigation of building material information of construction workers candidate for vocational qualification certi̇fi̇cate and interpretati̇on of the results speci̇fi̇c to the construction sector
FATİH ARDIÇLI
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
İnşaat MühendisliğiGazi Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMET GÖKDEMİR