A technique for volumetric incoherent scatter radar analysis

Abstract

Volumetric measurements of the ionosphere are important for investigating spatial variations of ionospheric features, like auroral arcs and energy deposition in the ionosphere. In addition, such measurements make it possible to distinguish between variations in space and time. While spatial variations in scalar quantities such as electron density or temperature have been investigated with incoherent scatter radar (ISR) before, spatial variation in the ion velocity, which is a vector quantity, has been hard to measure. The upcoming EISCAT3D radar will be able to do volumetric measurements of ion velocity regularly for the first time. In this paper, we present a technique for relating volumetric measurements of ion velocity to neutral wind and electric field. To regularize the estimates, we use Maxwell's equations and fluid-dynamic constraints. The study shows that accurate volumetric estimates of electric field can be achieved. Electric fields can be resolved at altitudes above 120 km, which is the altitude range where auroral current closure occurs. Neutral wind can be resolved at altitudes below 120 km.

Volum-målinger av ionosfæren er viktige for å undersøke hvordan ulike fenomen i ionosfæren varierer i tid og rom, for eksempel nordlysbuer eller energiavsetning. Romlige variasjoner av skalarstørrelser, som f.eks. elektrontetthet og temperatur har blitt gjort før. Romlige variasjoner i vektorstørrelser, som f.eks. ionehastigheta har vært vanskelige. Radaren EISCAT3D, som er under bygging, er den første inkoherente spredningsradaren som vil kunne foreta regelmessige volummålinger.

Artikkelen handler om en metode for å bruke volummålinger av ionevind til å estimere nøytralvind og elektrisk felt. I utgangspunktet er det flere ukjente enn målinger og oppgaven fremstår som uløselig. Ved å innføre begrensninger på estimatene med Maxwells likninger og likninger fra fluidmekanikken, blir det likevel mulig å få rimelige estimat av nøytralvind og elektrisk felt. Undersøkelsen viser at elektriske felt kan estimeres for høyder over 120 km. Dette er i høydeområdet der nordlysstrømmer lukker seg. Nøytralvind kan estimeres for høyder lavere enn 120 km.