Geomagnetically induced currents over Iznik associated with geomagnetic storms
Jeomanyetik fırtınalar sonucu İznik üzerinde oluşan jeomanyetik akımlar
- Tez No: 938503
- Danışmanlar: PROF. DR. ZEREFŞAN KAYMAZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Meteoroloji, Meteorology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İklim Bilimi ve Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Atmosfer Bilimleri Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 147
Özet
Uzay havası, güneş rüzgarı aracılığıyla Güneş'ten gelen parçacıkların uzay ortamıyla etkileşimini ve bu etkileşimlerin Dünya'ya ve Dünya üzerindeki etkilerini inceleyen bilim dalıdır. Kısaca, Güneş kaynaklı olayların uzay ortamındaki ve Dünya üzerindeki etkilerini inceler. Güneş patlamaları, koronal kütle atılımları vb. uzay havasına örnek olarak verilebilir. Güneş'ten gelen parçacıklar, Dünya'nın manyetik alanı, manyetosfer, ile etkileşir ve sonucunda auroralar, teknolojik bozulmalar ve manyetik fırtınalar meydana gelir. Uzay havasının Dünya üzerinde etkilerine radyasyon dozu, uydu hasarları ve bu çalışmanın konusu olan jeomanyetik indüklenmiş akımlar (GIC) vb. örnek olarak verilebilir. Dünya üzerindeki tüm bu uzay havası olayları, insan hayatını önemli ölçüde etkiler. Bu nedenle bu alanda yapılan çalışmalar oldukça önemlidir. Jeomanyetik fırtınalar, manyetik yeniden bağlanma sonucu güneş rüzgarı aracılığıyla Dünya'nın manyetosferinde yüklü kütle ve momentum transferi olduğunda Dünya'nın manyetokuyruğunda oluşurlar. Güneş rüzgarı Dünya'ya ulaşır ve manyetik yeniden bağlanma sebebiyle manyetik alanda değişimler meydana gelir, böylece iletken yapılarda GIC meydana gelir. Kısaca GICler, Dünya yer yüzeyinde jeomanyetik fırtınalar sırasında indüklenen elektrik akımlarıdır. Düzensiz olduklarından dolayı oluşumlarını tahmin etmek henüz mümkün değildir. Bu yüzden, jeomanyetik fırtınaların özelliklerini anlamak için bu alanda yapılan çalışmalar bu fırtınaların davranışını anlamak açısından oldukça önemlidir. GICler, bu fırtınaların yer yüzeyinde görülen sonuçlarından biridir ve ölçüm enstrümanları ve ölçümler aracılığıyla gözlemlenebilirler. GICler iyonosfer aracılığıyla, manyetik alan çizgileri boyunca manyetosferden yer yüzeyine doğru akan elektrik akımlarıdır. Elektrik kesintilerine sebep olarak ekonomik zarara yol açarlar. Bu çalışmanın amacı, 2005 yılından beri İznik manyetik rasathanesinde ölçülen jeomanyetik alan gözlemlerini kullanarak GICleri istatiksel olarak detaylıca incelemektir. Jeomanyetik fırtınalar, küresel olaylardır ve yer yüzeyinde çeşitli etkileri yukarı enlemlerden aşağı enlemlere kadar görülür. Genelde yukarı enlemlerde daha sık gözlemlenen GICler, Türkiye gibi orta enlemlerde de gözlemlenebilirler. Bu çalışma, jeomanyetik fırtınaların GICler ile bağlantılı olan yer yüzeyindeki manyetik alan bozulmaları üzerinde etkisini incelemektedir ve orta enlemlerde bulunan Türkiye üzerinde jeomanyetik fırtınaların etkilerini inceleyen alanındaki ilk çalışmadır. Jeomanyetik fenomen küresel bir olay olduğu için bu çalışmada elde edilen sonuçlar, bu olayın özellikle orta enlemlerde etkilerini anlamak için ve elektriksel güç problemleriyle daha iyi başa çıkabilmek için önemlidir. GICler, manyetik alanın zamansal değişimi, dH/dt, ile doğrudan ilişkilidir. Manyetik alan konfigürasyonundaki herhangi bir değişiklik, Maxwell denklemlerinin Faraday kanunu aracılığıyla bir elektrik akımıyla ilişkilidir. Elektrik akımları yapay veya doğal olarak çeşitli olaylar sonucunda oluşabildiğinden yer yüzeyindeki ölçümleri daha kompleks yöntemler gerektirir, bu yüzden manyetik alanı ölçmek elektrik alanı ölçmekten daha kolaydır. Bu sebeple, GICler manyetik alanın değişimini kullanan Faraday yasası ile hesaplanmıştır. Bu çalışma, jeomanyetik fırtınalar sonucunda 2015 yılından 2023 yılına kadar İznik üzerinde oluşan manyetik alan bozulmalarını istatiksel olarak incelemektedir. İlk olarak, Dst manyetik alan indeksi kullanılarak 68 tane manyetik fırtına olayı belirlenmiştir. Dokuz yıllık bu periyotta daha fazla sayıda manyetik fırtına olayı bulunmuş olsa da bazı olay tarihlerinde uydu verisi veya manyetik alan verisi kaydedilmemiş olduğundan belirlenen olayların bir kısmı çalışmaya eklenememiştir. Belirlenmiş olan olaylar ani başlangıç (SC) veya ani itki (SI) olarak ikiye ayrılmıştır. Dst indeksindeki ani artışların devamında jeomanyetik fırtına görülüyorsa buna SC, eğer fırtına gözlemlenmiyorsa SI denir. Bu ilk adımdan sonra, manyetik fırtına fazları SC olayları için başlangıç fazı, ana faz ve iyileşme fazı olarak belirlenmiştir ve her olay için Intermagnet aracılığıyla yer yüzeyi manyetik alan verisi, güneş rüzgarı plazma verileri ve gezegenler arası manyetik alan (IMF B) verileri WIND uydusu aracılığıyla elde edilmiştir. Manyetosfer, iyonosfer ve yer yüzeyindeki manyetik alan değişimlerine güneş rüzgarı sebep olduğundan, bu olayların güneş rüzgarı ile ilişkisi de incelenmiştir. GIC'lerin şiddeti, oluşum hızı vb. gibi özellikleri ve bunların jeomanyetik fırtına fazları, güneş rüzgarı plazması ve IMF ile ilişkileri belirlenmiştir. Bu çalışmada kullanılan güneş rüzgarı ve IMF verileri GSFC/NASA'nın CDAWeb servislerinden elde edilmiştir. İznik üzerindeki GIC'lerin, manyetosferin güneş rüzgarı sıkıştırmasından kaynaklanan SC ile ilişkili olarak jeomanyetik fırtınaların ana evresinde daha sık ve daha güçlü meydana geldiği gösterilmiştir. GIC'lerin büyüklükleri SC ve SI olayları beraber incelendiğinde 4 ila 6 nT/dk arasında değişirken sadece SC olayları incelendiğinde 10 ila 12 nT/dk arasında değişmektedir, ancak 83 nT/dk'ye ulaşan GIC'ler de gözlenmiştir. Yaklaşık 83 nT/dk değerindeki GIC, fırtınanın ana evresinde meydana gelmiştir. Aynı zamanda, güçlü GIC'lerin oluşma sıklığının SC olaylarında SI olaylarına göre çok daha fazla olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Bu çalışmanın beklenmeyen sonuçlarından biri ise, GIC'lerin fırtınanın ana evresinde meydana geldiklerinden daha sık olarak iyileşme evresinde meydana geldiğinin bulunmasıdır. Başlangıç evresinde daha fazla GIC meydana gelirken, ana ve toparlanma evrelerinde GIC'lerin oluşum oranları birbirine çok yakındır. GIC'lerin güneşe bağımlılığının analizi, güneş rüzgarı dinamik basıncı, hız, yoğunluk, toplam IMF ve manyetik alanın güney bileşeni (-IMF BZ) kullanılarak araştırıldı. Bunlar arasında en yüksek korelasyon güneş rüzgarı yoğunluğu, proton kütlesi ve güneş rüzgarı hızı kullanılarak hesaplanan güneş rüzgarı dinamik basıncı ile bulundu. Hız ve yoğunluk arasında, yoğunluğun hıza kıyasla daha etkili olduğu sonucuna ulaşıldı, çünkü hızla olan korelasyonların yoğunluk ile olan korelasyonlara kıyasla çok daha düşük olduğu bulundu. GIC'leri etkileyen ikinci güneş rüzgarı parametresinin güneyli IMF BZ olduğu bulundu. Güneyli IMF BZ, jeomanyetik fırtınanın oluşumundan ve özellikle fırtınanın ana evresinin gücünden sorumludur. Bunun sebebi ise, IMF BZ güneyli olduğunda bu alanın yönünün Dünya'nın manyetik alan yönüyle zıt olmasıdır. Bu durum, manyetik yeniden bağlantı sürecinin başlamasına sebep olur ve böylece jeomanyetik fırtınalar oluşur. Uzay havası olaylarının zamanında ve doğru tahminleri, uzay olaylarına yol açan fiziksel süreçleri anlamak ve ekonomik zararı ve hasarı azaltmak için önlemler almak amacıyla çok önemlidir. İstatistiksel analizin ardından, NASA'nın Topluluk Koordineli Modelleme Merkezi'nden (CCMC) Uzay Hava Durumu Modelleme Çerçevesi (SWMF) ve Manyetosfer ve İyonosfer Elektrodinamiğinden Zemin Üzerindeki Manyetik Pertürbasyonları Hesaplama (CalcDeltaB) modelleri kullanılarak SC'yi içeren belirlenmiş üç GIC olayı için simülasyonlar gerçekleştirildi. Bu üç olay 27 Mayıs 2017, 21 Mart 2023 ve 22 Nisan 2023 SC olaylarıdır. Yüzeydeki manyetik alan bozulmalarını veren model CalcDeltaB modelidir ve bu model sayesinde gözlemlerle karşılaştırma yapılabilir. SWMF'den elde edilen iyonosferik seviyedeki çıktılar, CalcDeltaB'de girdi olarak kullanılarak model çalıştırıldı. Model çalışmasından çıktı olarak İznik konumundaki manyetik alan sapmaları elde edilmiştir. Modelden elde edilen sonuçlar ile gözlem sonuçları karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak, CalcDeltaB modelinin yüzeydeki manyetik alan değişimlerini ve dolayısıyla GIC'leri göreli hatalara dayalı olarak gözleme göre daha fazla tahmin ettiği bulunmuştur. Manyetik alan değişimini, GIC'lere göre daha tutarlı tahmin etmiştir. Modelden elde edilen en yüksek değişimlerin seviyesinin gözlemlenenlerle uyuştuğu bulunmuştur, ancak en yüksek değişimlerin zamanı doğru bir şekilde tahmin edilememiştir. Genel olarak, modelden elde edilen değişimlerin büyüklüğü karşılaştırıldığında, modelin genel eğilimi ve büyüklükleri yakaladığı görülebilir. Ancak, varyasyonların zamanına ilişkin uyuşmazlıklar nedeniyle yüksek göreli hata hesaplamaları ortaya çıkar. Modelin, yüzeydeki bozulmalar daha küçük olduğunda daha iyi uyum sağladığı görülmüştür. Model ayrıca GIC'lerin oluşumunda farklı akımların katkılarını da inceler. Bu farklı akımlar manyetopoz akımları (MPC), alan hizalı akımlar (FAC), ve iyonosferik Hall (IHC) ve Pedersen (IPC) akımlarıdır. Manyetopoz, manyetosfer ve güneş rüzgarı arasındaki sınırdır ve manyetopoz akımları, diğer adıyla Chapman- Ferraro akımları, bu kısımda oluşur. Alan hizalı akımlar ise manyetik alan çizgileri boyunca akan akımlardır ve uzaydan iyonosfere doğru akarlar. İyonosferik akımlardan biri olan Hall akımları, elektrik alana dik yönde akarken, Pedersen akımları elektrik alana paralel yönde akar. Bu akım sistemleri için modelden elde edilen sonuçların ayrıntılı incelenmesi sonucunda, en etkili akım sisteminin MPC olduğunu, ardından FAC geldiğini ve bunların da iyonosferik akımlar tarafından takip edildiği söylenebilir. En az etkili akım sisteminin iyonosferik Hall akımları (IHC) ve iyonosferik Pedersen akımları (IPC) olduğu görülmektedir. IHC'nin yüzeydeki GIC'lere daha fazla katkıda bulunduğu ve FAC'ler kadar yüksek katkı sağladığı bulundu. Gözlemlenen ve modellenen GIC'ler arasındaki tüm bu farklılıklar, modelin hangi kısımlarda iyileştirilmesi gerektiğini göstermektedir. Ayrıca, manyetik fırtınalar sonucu oluşan GICler sırasında yer yüzeyi bozulmalarının fiziksel sebeplerini anlamamızı sağlamaktadır. Bu tez çalışması, altı bölümden oluşmaktadır. Birinci bölüm, GICler, uzay ortamı, Dünya'nın manyetik alanı ve çeşitli akımlar hakkında genel bilgi verir, çalışmanın amacını ve konu hakkında birçok bilim insanının çalışmalarının özetlerinden oluşan literatür araştırmasını içerir. İkinci bölüm bu çalışmada kullanılan veri ve metodolojiyi içerirken, üçüncü bölüm manyetik alan ve güneş rüzgarı verisinin analizini içerir. Dördüncü bölüm manyetik fırtına fazlarının korelasyonunu inceler ve beşinci bölüm model karşılaştırmalarını örnek bir literatür çalışmasını da içerecek şekilde sunar. Altıncı bölüm ise, çalışmanın özeti ve sonuçlarını içermektedir.
Özet (Çeviri)
Geomagnetic storms are major disturbances that occur in the Earth's magnetotail when there is significant amount of mass and momentum transferred into the magnetosphere from the solar wind as a result of magnetic reconnection. They are erratic in nature in that their occurrences cannot be predicted yet reliably. Thus, the studies in order to understand the geomagnetic storm characteristics is crucial in order to understand their behavior. Geomagnetically Induced Currents (GICs) are one of their direct results that one can observe through instruments and measure. GICs are electrical currents flowing from the magnetosphere to the ground along magnetic field lines through the ionosphere. They cause electrical power outages on the ground and cause economic damage. The purpose of this study is to investigate the GICs statistically in detail using the geomagnetic field observations recorded in Iznik magnetic observatory since 2005. Geomagnetic storms are global phenomena and their effects are seen over the globe in various ways starting from the high latitudes towards low latitudes. This study explores the geomagnetic storm effects on the ground magnetic field disturbances which are associated with the GICs. It is the first study in its kind exploring the geomagnetic storm effects over Türkiye located at mid-latitudes. Since the geomagnetic phenomena is global itself, the results obtained here have importance in order to understand their character as well as their effects, especially over the midlatitudes, to better deal with its adverse effects, such as electrical power problems that the companies have to cope with. The GICs are directly related to the changes in the geomagnetic field over time, in other words, the time derivative of the geomagnetic field (dH/dt). Any change in the configuration of the magnetic field is associated with an electrical current through the Faraday Law of Maxwell equations. Taking this as an advantage, it is possible to address the GICs by studying the variations in the ground magnetic fields since the magnetic fields are much easier to measure than measuring the electric fields at a region on the ground as the electric currents on the ground may be caused by various phenomena, artificial and/or natural, and thus require more sophisticated methods to record. This study explores the disturbances in the Iznik ground magnetic field statistically that occur in response to the geomagnetic storms from 2015 to 2023. First, the geomagnetic storm events were determined using the magnetic index Dst and the 68 magnetic storm event were determined. These events were made sure that they either correspond to a sudden commencement (SC) or sudden impulse in the solar wind. Following this, geomagnetic storm phases were determined for each storm event as well as the accompanying solar wind plasma and its magnetic field called as Inteplanetary Magnetic Field (IMF B) was obtained. Since the ultimate deriver of all variations both in the magnetosphere, in the ionosphere and on the ground is the solar wind plasma, the connection to the solar wind was also studied. The characteristics of the GICs, such as the strength, occurrence rate etc. and their dependence on the geomagnetic storm phases, solar wind plasma and IMF were determined. Solar win and IMF data used in this study were obtained from CDAWeb services at GSFC/NASA. It is shown that GICs over Iznik occur more frequently and stronger during the main phase of the geomagnetic storms as associated with the SC resulting from the solar wind compression of the magnetosphere. The magnitudes of GICs varies between 4 to 6 nT/min but GICs reaching to 83 nT/min are also observed. One of the unexpected results of this study is that GICs are found to occur as more frequently during the recovery phase as they occur during the main phase of the storm. While more GICs occur during the initial phase, the occurrence rates of GICs during the main and recovery phases are very close to each other. The analysis solar dependence of GICs were searched using solar wind dynamic pressure, speed, and density, and total IMF and southward component of the magnetic field (negative IMF BZ). Among these the highest correlation was found with the solar wind dynamic pressure. Between speed and density, it was shown that density is more influential compared to the speed as the correlations with speed is found to be much lower. The next solar wind parameter which affects GICs is found to be southward IMF BZ. Southward IMF BZ is responsible for the occurrence of geomagnetic storm and especially the strength of the main phase of the storm. Timely and accurate predictions of space weather phenomena are crucial in order to both understand the physical processes that lead to the space phenomena as well as for the purpose of taking precautions to reduce the economic damage and harm. Following the statistical analysis, the simulations were carried out for the selected three GIC events that involve SC by using Space Weather Modeling Framework (SWMF) and Calculate Magnetic Perturbations on the Ground from magnetosphere and ionosphere electrodynamics (CalcDeltaB) models from NASA's Community Coordinated Modelling Center (CCMC). The model that gives the magnetic field perturbations on the ground is the CalcDeltaB model and thus allows one to compare with the observations. Overall, it was found that the CalcDeltaB model overestimates the magnetic field variations on the ground and thus the GICs based on the relative errors. The level of the peak variations from the model was found to match with those observed, however, the time of the peaks were not correctly predicted. In general, when one compared the magnitude of the variations from the model, it can be seen that the model caught the general trend and magnitudes. However, because of the disagreements on the time of the variations result in high relative error calculations. The model agreed better when the ground disturbances were smaller. The model also provides the contributions from different magnetospheric currents on the occurrence of GICs. Detail examination on the results from the model for different current systems show that the most influential current system is the magnetopause currents (MPC), followed by field aligned currents (FAC), and these are followed by the ionospheric currents. The least effective current system is seen to be ionospheric currents which are ionospheric Hall currents (IHC) and ionospheric Pedersen currents (IPC). Between the two, it was found that IHC contributes more on the ground GICs and gives contribution as high as FACs do. All these differences between the observed and modelled GICs indicate where the model needs to be improved. In addition, it allows us to understand the physical causes of the ground disturbances during the magnetic storms resulting in GICs. This thesis has six chapters. The first chapter, Chapter 1, presents the terminology and gives some background on the space environment that is related GICs and literature survey on the subject. Second chapter (Chapter 2) gives data and methodology while third chapter (Chapter 3) presents the results from the analysis of the ground magnetic field data. The fourth chapter (Chapter 4) presents the correlations with magnetic storm phases, the fifth chapter (Chapter 5) model comparisons and the last chapter, Chapter 6 summarizes and concludes the study.
Benzer Tezler
- 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
EZGİ GÜLAY
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Astronomi ve Uzay Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiMeteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZEREFŞAN KAYMAZ
- Güç transformatörleri üzerinde gıc etkilerinin incelenmesi
Investigation of gic effects on power transformers
EMRE KERVAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKocaeli ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BORA ALBOYACI
- A study on upper atmospheric joule heating using observations and coupled models and a space weather consequence: Geomagnetically induced currents
Yukarı atmosfer joule ısınmasının gözlem ve uzay havası modelleri kullanarak kapsamlı incelenmesi ve bir uzay havası uygulaması: Jeomanyetik akımlar
EMİNE CEREN EYİGÜLER
Doktora
İngilizce
2018
Astronomi ve Uzay Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiMeteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZEREFŞAN KAYMAZ
- Doğru akım uyartımın güç transformatörlerine etkilerinin analizi
Analysis of the effects of direct current excitation on power transformers
TURAL ULFANOV
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBalıkesir ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MURAT ERHAN BALCI
- Doğru akım uyartım altında güçtransformatörlerinin yeniden boyutlandırılması
Derating of power transformers under dc excitation
ŞEVKET CANTÜRK
Doktora
Türkçe
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBalıkesir ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MURAT ERHAN BALCI