Observing electric field and neutral wind with EISCAT 3D

Abstract

Measurements of height-dependent electric field (E) and neutral wind (u) are important governing parameters of the Earth's upper atmosphere, which can be used to study, for example, how auroral currents close or how energy flows between the ionized and neutral constituents. The new EISCAT 3D (E3D) incoherent scatter radar will be able to measure a three-dimensional ion velocity vector (v) at each measurement point, which will allow less stringent prior assumptions about E and u to be made when estimating them from radar measurements. This study investigates the feasibility of estimating the three-dimensional electric field and neutral wind vectors along a magnetic field-aligned profile from E3D measurements, using the ion momentum equation and Maxwell's equations. The uncertainty of ion drift measurements is estimated for a time and height resolution of 5 s and 2 km. With the most favourable ionospheric conditions, the ion wind at E region peak can be measured with an accuracy of less than 1 m/s. In the worst case, during a geomagnetically quiet night, the uncertainty increases by a factor of around 10. The uncertainty of neutral wind and electric field estimates is found to be strongly dependent on the prior constraints imposed on them. In the lower E region, neutral wind estimates have a lower standard deviation than 10 m/s in the most favourable conditions. In such conditions, also the F region electric field can be estimated with uncertainty of about 1 mV/m. Simulated measurements of v are used to demonstrate the ability to resolve the field-aligned profile of E and u. However, they can only be determined well at the heights where they dominate the ion drift, that is above 125 km for E and below 115 km for u. At the other heights, the results are strongly dependent on the prior assumptions of smoothness.

Elektrisk felt (E) og nøytralvind (uladd vind, u) er viktige og styrende parametre i Jordas øvre atmosfære. Målinger av u eller E kan brukes til å undersøke f.eks. lukking av elektriske nordlysstrømmer eller hvordan energi overføres mellom ladde og uladde bestanddeler av atmosfæren. Med den nye inkoherente spredningsradaren EISCAT3D (E3D) vil det bli mulig å måle alle tre komponentene av ionehastigheta (v) i hvert målepunkt. Dermed blir det mulig å estimere E og u fra radarmålinger med mindre strenge begrensninger enn i dag.

I artikkelen undersøkes mulighetene for å estimere tredimensjonale elektriske felt- og nøytralvindvektorer i en lengdeprofil langs magnetfeltet ved å bruke bevegelsesligninga for ioner og Maxwells ligninger. Vi estimerer usikkerheta i målinger av ionedrifta med oppløsning på 5 s i tid og 2 km i avstand for ulike tilstander i ionosfæren. De gunstigste betingelsene gir bedre nøyaktighet enn 1 m/s for ionevinden der E-laget er på sitt sterkeste. Det verste tilfellet, ei geomagnetisk rolig natt, gir usikkerheter som er ti ganger så store. Usikkerheta i estimatene av E eller u viste seg å være svært avhengige av begrensningene de ble påført. I det nedre E-laget estimeres usikkerheta i u til lavere enn 10 m/s for de gunstigste betingelsene. I så fall kan også det elektriske feltet i F-laget bestemmes med ei nøyaktighet rundt 1 mV/m. Simulerte målinger av v brukes til å vise hvordan man kan finne estimater på E og u i en lengdeprofil langs magnetfeltet. Det viser seg at de kun kan bestemmes skikkelig i høydeområdet der de påvirker ionebevegelsen mest, dvs. over 125 km for E og under 115 km for u. Ellers påvirkes resultatene veldig mye av hvor sterke begrensninger som er satt.