Misiunea Swarm, compusa din trei sateliti si lansata de ESA in noiembrie 2013, contribuie la investigarea campului magnetic din apropierea Pamantului, a surselor sale interne si externe, cu aplicabilitate in domenii cum sunt curentii oceanici, meteorologia si cercetarile climatice, vremea spatiala sau geodezia. Swarm include trei sateliti aflati pe orbite polare circulare, din care doi, Swarm A(lpha) si C(harlie), zboara unul langa altul la 460km altitudine, in timp ce al treilea, Swarm B(ravo), zboara la 530km altitudine. Instrumentele stiintifice imbarcate pe Swarm - identice pe toti trei satelitii si constand din: un magnetometru scalar si unul vectorial, un instrument de camp electric (drift metru), un accelerometru si receptoare GPS - vor permite investigarea variatiilor spatiale si temporale ale campului geomagnetic cu o acuratete fara precedent.

ALEOS utilizeaza un set cuprinzator de date Swarm, cu accent pe datele de camp electic si magnetic, care sunt esentiale pentru studierea electrodinamicii ionosferei. Frecventele nominale de esantionare de 50 Hz / 2Hz ale campului magnetic / electric asigura o rezolutie spatiala (Nyquist) la nivelul ionosferei de aproximativ 300m / 7.5km, potrivita pentru cercetari aurorale. Date de camp electric cu o rata de esantionare de 16Hz (900m), adecvate pentru structuri de scala mica, sunt disponibile de asemenea. In plus, datele oferite de accelerometru pot oferi informatii utile despre vanturile neutre, de regula ignorate in studiile aurorale. Conductanta ionosferica, necesara si ea, poate fi obtinuta din observatii radar conjugate sau prin aplicarea de tehnici (Amm et al., 2009) dezvoltate anterior pentru date la sol (e.g. Inhester et al., 1992; Amm, 1995)

(a) Gradienti de-a lungul arcelor aurorale si ajustarea modelelor de arc 1D

Arcele aurorale sunt descrise in mod obisnuit sub forma de benzi 1D de conductanta ionosferica crescuta. In timp ce modelul de arc 1D, deseori realizat in sectoarele de seara si dimineata ale ovalului auroral, a fost studiat extensiv in trecut (e. g. Marklund, 1984; Sugiura, 1984), arcele reale pot prezenta si caracteristici 2D. Utilizand tehnica ALADYN (AuroralL Arc electroDYNamics) (Marghitu et al., 2004, 2009, 2011), este posibila, de exemplu, investigarea divergentei (nenule) a electrojeturilor aurorale folosind date de la un singur satelit. Examinarea datelor masurate de satelitul Fast Auroral SnapshoT Explorer (FAST, Pfaff et al., 2001), sugereaza ca aceasta divergenta poate fi semnificativa pentru anumite intervale de latitudine, comparabila cu densitatea curentului aliniat cu campul magnetic (field-aligned current, FAC). Totusi, folosind date de la un singur satelit, nu este posibil sa spunem daca divergenta electrojetului este cauzata de gradienti in conductanta, in campul electric sau in amandoua. Cei doi sateliti Swarm alaturati permit pentru prima data o examinare sistematica a gradientilor de-a lungul arcului.

Arc 1D (stanga), arc 2D (centru) si aurora 2D (dreapta). Cele doua schite de arc arata conductanta (cu nuante de gri; sunt indicati doar gradientii de-a lungul arcului), FAC (cercuri), campul electric ionosferic (sageti rosii subtiri) si curentul ionosferic (sageti hasurate, componentele Pedersen si Hall sunt evidentiate cu rosu si verde). Pentru arcul 2D, electrojetul nu mai are divergenta nula, datorita gradientilor in conductanta si camp electric de-a lungul arcului - a caror examinare necesita cel putin doi sateliti. Pentru explorarea aurorei 2D sunt necesari cel putin trei sateliti. Schite de arc din Marghitu et al. (2011). Credit foto: James Spann (NASA/GSFC).

(b) Electrodinamica aurorala 2D

Activitatea aurorala complexa asociata cu subfurtunile (e.g. debutul subfurtunii substorm onset, vartejul calator - substorm travelling surge) poate fi explorata adecvat doar in doua dimensiuni. In timp ce astfel de investigatii, adresate fenomenelor de meso-scala, au fost realizate folosind date la sol (e. g. Untiedt and Baumjohann, 1993; Vanhamäki and Amm, 2011), studiile de rezolutie mai inalta necesita date satelitare. Pentru explorarea electrodinamicii aurorale in doua dimensiuni, sunt necesari cel putin trei sateliti. Instrumente numerice pentru procesarea datelor multi-punct de la Swarm au fost deja dezvoltate in timpul fazei de pregatire a misiunii (e.g. Ritter et al, 2006), in timp ce tehnici alternative, potential interesante pentru Swarm, beneficiaza de expertiza Cluster (e.g. Vogt et al., 2008, 2009; De Keyser, 2008).

(c) Influenta vantului neutru

Prin intermediul experimentului de accelerometrie, Swarm va permite investigatii sistematice ale vanturilor neutre din regiunea F a ionosferei si, posibil, colectarea de informatii indirecte asupra vanturilor neutre din regiunea E - care sunt potential importante pentru electrodinamica aurorala. In timp ce vitezele tipice ale vanturilor neutre in regiunea aurorala sunt destul de mici (e.g. Brekke et al., 1994; Nozawa and Brekke, 1995), aceste viteze pot fi semnificative in regiuni in care campul electric de convectie este de asemenea mic - de exemplu in vecinatatea frontierei unde convectia isi schimba sensul, din directia spre soare in directia opusa. Largimea latitudinala a acestei 'frontiere' poate fi semnificativa, atunci cand regiunile in care campul electric este clar orientat spre pol sau spre ecuator sunt separate de o zona intinsa de camp electric slab (e.g. Gjerloev and Hoffman, 2001).

(d) Rolul I-T in sistemul cuplat M-I-T

Investigarea electrodinamicii ionosferei, posibila cu ajutorul Swarm va contribui, de asemenea, la o mai buna intelegere a sistemului cuplat M-I-T in regiunea aurorala. Studii in-situ asupra cuplajului M-I in trei dimensiuni, bazate pe observatii multi-punct, au inceput sa fie disponibile doar de curand (e. g. Keiling et al., 2009; Frey et al., 2010), si in acest context Swarm are un potential semnificativ de a contribui cu informatii de joasa altitudine. Evenimente conjugate cu Cluster (Escoubet et al, 2001) si THEMIS (Angelopoulos, 2008), precum si cu MMS, dupa lansarea sa din 2015, vor oferi ocazii ideale pentru observarea structurii si dezvoltarii circuitului de curent auroral la diferite altitudini.

Referinte

Amm, O, Direct determination of the local ionospheric Hall conductance distribution from two-dimensional electric and magnetic field data: Application of the method using models of typical ionospheric electrodynamic situations, J. Geophys. Res., 100, 2147321488, 1995.
Amm, O., Viljanen, A., K. Kauristie, H. Lühr, P. Ritter, Ionospheric conductances and convection maps derived from Swarm satellite data, Proc. 2^nd Swarm Int. Science Meeting, Potsdam, June 2009.
Angelopoulos, V., The THEMIS Mission, Space Sci. Rev., doi: 10.1007/s11214-008-9336-1, 2008.
Brekke, A., S. Nozawa, and T. Sparr, Studies of the E region neutral wind in the quiet auroral ionosphere, J. Geophys. Res., 99, 88018825, 1994.
De Keyser, J., Least-squares multi-spacecraft gradient calculation with automatic error estimation, Ann. Geophys., 26, 32953316, 2008.
Escoubet, C. P., M. Fehringer, and M. Goldstein, The Cluster mission, Ann. Geophys., 19, 11971200, 2001.
Frey, H., et al., Small and meso-scale properties of a substorm onset auroral arc, J. Geophys. Res., 115, A10,209, doi:10.1029/2010JA015,537, 2010.
Gjerloev, J., and R. Hoffman, The convection electric field in auroral substorms, J. Geophys. Res., 106, 12,91912,931, 2001.
Inhester, B., J. Untiedt, M. Segatz, and M. Kürschner, Direct determination of the local ionospheric Hall conductance distribution from two-dimensional electric and magnetic field data, J. Geophys. Res., 97, 40734083, 1992.
Keiling, A., et al., Substorm current wedge driven by plasma flow vortices: THEMIS observations, J. Geophys. Res., 114, A00C22, doi:10.1029/2009JA014,114, 2009.
Marghitu, B. Klecker, G. Haerendel, and J. McFadden, ALADYN: A method to investigate auroral arc electrodynamics from satellite data, J. Geophys. Res., 109, A11,305, doi:10.1029/2004JA010474, 2004.
Marghitu, O., T.Karlsson, B. Klecker, G. Haerendel, and J. McFadden, Auroral arc and oval electrodynamics in the Harang region, J. Geophys. Res., 114, A03,214, doi:10.1029/2008JA013630, 2009.
Marghitu, O., C. Bunescu, T. Karlsson, B. Klecker, On the divergence of the auroral electrojets, J. Geophys. Res., 116, A00K17, doi:10.1029/2011JA016789, 2011.
Marghitu, O., Auroral arc electrdynamics: Review and outlook, in: Relationship between auroral phenomenology and magnetospheric processes, Eds. A. Keiling, E. Donovan, F. Bagenal, T. Karlson, AGU Geophysical Monograph Series, in press.
Marklund, G., Auroral arc classification scheme based on the observed arc-associated electric field pattern, Planet. Space Sci., 32, 193211, 1984.
Nozawa, S., and A. Brekke, Studies of the E region neutral wind in the disturbed auroral ionosphere, J. Geophys. Res., 100, 14,71714,734, 1995.
Pfaff, R., C. Carlson, J. Watzin, D. Everett, and T. Gruner, An overview of the Fast Auroral SnapshoT (FAST) satellite, Space Sci. Rev., 98, 132, 2001.
Ritter; P., and H. Lühr, Curl-B technique applied to Swarm constellation for determining field-aligned currents, Earth Planets Space, 58 (4), 463476, 2006.
Sugiura, M., A fundamental magnetosphere-ionosphere coupling mode involving field-aligned currents as deduced from DE-2 observations, Geophys. Res. Lett., 11, 877880, 1984.
Untiedt, J., and W. Baumjohann, Studies of polar current systems using the IMS Scandinavian magnetometer array, Space Sci. Rev., 63, 245390, 1993.
Vanhamäki, H., and O. Amm, Analysis of ionospheric electrodynamic parameters on mesoscale a review of selected techniques using data from ground-based observation networks and satellites, Ann. Geophys., 29, 467491, 2011.
Vogt, J., Y. Narita, and O.D. Constantinescu, The wave surveyor technique for fast plasma wave detection in multi-spacecraft data, Ann. Geophys., 26, 16991710, 2008.
Vogt, J., A. Albert, and O. Marghitu, Analysis of three-spacecraft data using planar reciprocal vectors: methodological framework and spatial gradient estimation, Ann. Geophys., 27, 32493273, 2009.