Effects of the sun on the space environment of the earth


Première édition

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The Sun provides light and heat, making life on Earth possible. The Sun also determines the spatial environment of the planets, comets and other bodies of the solar system. Many phenomena continuously modify our environment and create visible effects like aurora, shooting stars or sunspots. Other events are less visible, but determining for space missions, our atmosphere and climate. All the interactions between the Sun and the Earth are crucial for our life and the biosphere. This university course aims to summarize the main physical mechanisms active in the space environment of the Earth. It has been
written for the master students in physics or in climatology at UCLouvain for the course Physics of upper atmosphere and space, and may also interests the wide public. That is why some parts are more descriptive, to be accessible to any reader who would like to know more about space physics, stars, solar wind, comets, cosmic rays, polar aurora, climate changes, space weather, atmospheric chemistry, etc. Some parts are more specialized and provide the physics equations allowing us to better understand the observations.


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Spécifications


Éditeur
Presses universitaires de Louvain
Auteur
Viviane Pierrard,
Langue
français
Code publique Onix
06 Professionnel et académique
Date de première publication du titre
12 mars 2024
Type d'ouvrage
Monographie
Avec
Bibliographie

Livre broché


Date de publication
12 mars 2024
ISBN-13
9782390614425
Ampleur
Nombre absolu de pages : 208
Code interne
106685
Format
17 x 24 cm
Poids
80 grammes
Prix
34,90 €
ONIX XML
Version 2.1, Version 3

PDF


Date de publication
12 mars 2024
ISBN-13
9782390614432
Ampleur
Nombre absolu de pages : 208
Code interne
PDF106685
Prix
24,00 €
ONIX XML
Version 2.1, Version 3

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Sommaire


Contents

0.1 Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1 The Sun, our star 13
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2 Origin and main features of the Sun . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3 Fusion of hydrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3.1 Proton-proton chain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3.2 The CNO cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4 Nuclear fusion in the tokamaks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.5 Death of the stars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.5.1 Combustion of helium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.5.2 Combustion of carbon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.5.3 Combustion of oxygen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.6 Hertzsprung - Russell diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.7 Abundance of elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.8 Spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.9 Galaxy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.10 Sun's interior layers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.11 The photosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.12 Sunspots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.13 Number of rotations of Carrington . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.14 The solar activity cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.15 Diagram of Maunder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.16 The chromosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.17 The solar corona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.18 Solar flares and prominences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.19 Coronal mass ejections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2 The interplanetary space 31
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2 The interplanetary magnetic field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3 The heliospheric current sheet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.4 The spiral field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.5 The ballerina skirt and the sectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.6 The coronal holes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.7 The solar wind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.8 Influence of the activity cycle on the solar wind . . . . . . . . . . . . . . 35
2.9 Region of interaction in co-rotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.10 The heliosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.11 Heliopause . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.12 The comets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.13 The nucleus of comets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.14 The coma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.15 The tail of dust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.16 The tail of plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.17 Origin of the comets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.18 Death of the comets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.19 Shooting stars, fire balls and meteorites . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.20 Space plasmas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3 Kinetic theory of gases and plasmas 47
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2 Velocity distribution function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.3 Definition of macroscopic quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.4 Liouville equation with one particle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.5 Liouville equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.6 Boltzmann equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.7 Debye length . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.8 Vlasov equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.9 Fokker-Planck equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.10 Properties of the Boltzmann term . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.11 The Maxwell velocity distribution function . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.12 Calculation of the first moments of the function of Maxwell . . . . . . . 57
3.13 Observations of velocity distribution functions . . . . . . . . . . . . . . . 58
4 Hydrodynamic theory: macroscopic approach 63
4.1 Links between the kinetic approach and the hydrodynamic approach . . 63
4.2 Continuity equation (conservation of mass) . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.3 Equation of motion (momentum transfer) . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.4 Energy equation (conservation of kinetic energy) . . . . . . . . . . . . . 65
4.5 Euler approximation (5 moments) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.6 Navier-Stokes approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5 Application to atmospheres 69
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.2 Hydrostatic equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.3 Neutral atmosphere: mixing equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.4 Diffusion equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.5 Ionized atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

5.6 Variation of the acceleration of gravity with altitude . . . . . . . . . . . 73
5.7 Chapman model for the solar corona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.8 Parker’s hydrodynamic model of the solar wind . . . . . . . . . . . . . . 74
5.8.1 Continuity equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.8.2 Momentum equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.9 Solution of the equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.10 Boundary conditions to model the exosphere . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.11 Mean free path . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.12 The exobase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.13 Orbits of particles in the exosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.14 Escaping velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.15 Satellisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.16 Escape flux at the exobase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.17 Solar wind flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.18 Hydrogen flux escaping from the Earth’s atmosphere . . . . . . . . . . . 88
5.19 Flux of helium escaping from the Earth’s atmosphere . . . . . . . . . . . 88
6 Solar-magnetosphere interactions 91
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.2 The Earth’s magnetic field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.3 Reversal of the Earth’s magnetic field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6.4 Dipolar magnetic field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.5 International Geomagnetic Reference Field . . . . . . . . . . . . . . . . 94
6.6 Planetary magnetospheres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.7 The terrestrial magnetosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.8 The bow shock . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6.9 The magnetopause . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6.10 The tail of the magnetosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.11 Magnetic Local Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.12 The polar auroras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.13 The auroral ovals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.14 Aurora on other planets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6.15 Polar cusps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6.16 The radiation belts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.16.1 Discovery of the radiation belts by Van Allen . . . . . . . . . . . 103
6.16.2 Artificial radiation belts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.16.3 Sources of radiation belts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.16.4 Losses of space radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.16.5 The South Atlantic Anomaly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.16.6 Radiation models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.17 Dynamics of trapped particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.17.1 Effects of geomagnetic storms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.17.2 Effect of the solar cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.17.3 Secular motion of the magnetic field . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.17.4 The anisotropy of low altitude proton fluxes . . . . . . . . . . . . 109

6.17.5 Radiation belts of other planets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.18 Interaction of the solar wind with the magnetosphere . . . . . . . . . . . 109
7 Space weather 111
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
7.2 Magnetic storms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
7.3 Magnetospheric currents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
7.4 Variation of the magnetic field due to solar effects . . . . . . . . . . . . 114
7.5 Auroral activity indices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
7.6 The Dst Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
7.7 The Bartels geomagnetic planetary index Kp . . . . . . . . . . . . . . . 115
7.8 The PC Polar Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
7.9 Other planetary indices of magnetic activity . . . . . . . . . . . . . . . . 116
7.10 The solar radio flux index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
7.11 Indices characteristics during magnetic storms . . . . . . . . . . . . . . . 118
7.12 Reconnection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
7.13 Impulsive penetration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
8 Movement of charged particles in magnetic field 121
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
8.2 Equation of motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
8.3 Gyration motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
8.4 Oscillation between two mirror points . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
8.5 Azimuthal drift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
8.6 Drift due to gravitational force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
8.7 Drift due to electrical force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
8.8 Drift due to magnetic force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
8.9 Drift due to the curvature of the magnetic lines of force . . . . . . . . . 127
8.10 Drift due to inertial force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
8.11 Total drift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
8.12 Adiabatic invariants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
8.12.1 First adiabatic invariant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
8.12.2 Second adiabatic invariant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
8.12.3 Third adiabatic invariant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
8.13 The coordinates (B, L) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
9 The ionosphere and the plasmasphere 133
9.1 Introduction: Sources of the atmospheric ionization . . . . . . . . . . . 133
9.2 Ionization by Galactic Cosmic Rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
9.3 Solar Energetic Particle events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
9.4 Ionospheric layers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
9.5 Historic background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
9.6 Photo-ionization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
9.7 Electronic production rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
9.8 Electronic recombination rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

9.9 Variation of the electron density with time . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
9.10 Chapman’s layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
9.11 Disturbance in satellite positioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
9.12 Wave propagation in the ionosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
9.13 Wave attenuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
9.14 Density variability with geomagnetic activity . . . . . . . . . . . . . . . 146
9.15 Ionospheric currents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
9.16 The auroral electrojet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
9.17 Coupling the magnetosphere to the ionosphere . . . . . . . . . . . . . . 147
9.18 The circulation of the ionospheric plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
9.19 The plasmasphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
9.20 The formation of the plasmapause . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
9.21 Satellite measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
9.22 The magnetospheric electric fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
9.22.1 The co-rotation electric field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
9.23 The convection electric field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
9.24 The polar wind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
10 The neutral atmosphere of the Earth 155
10.1 Composition of the dry atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
10.2 Homosphere/Heterosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
10.3 Temperature profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
10.4 The troposphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
10.4.1 Non-dominant gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
10.4.2 Tropospheric chemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
10.5 The stratosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
10.5.1 Stratospheric ozone or ozone layer . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
10.5.2 Stratospheric aerosols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
10.6 The mesosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
10.6.1 Measurements in the mesosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
10.6.2 Polar mesospheric clouds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
10.7 The thermosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
10.8 The exosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
11 Effects of solar radiation 167
11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
11.2 The radiation emitted by the Sun . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
11.3 Solar spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
11.4 Black body law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
11.5 The solar constant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
11.6 Radiative balance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
11.7 Climate change . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
11.8 Small ice age . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
11.9 Optical window . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
11.10Effect of solar radiation and chemical reactions . . . . . . . . . . . . . . 174

11.11Temporal evolution of a physico-chemical system . . . . . . . . . . . . . 175
11.12Chapman mechanism for ozone production . . . . . . . . . . . . . . . . 175
11.13Transient luminous events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
11.13.1 Red sprites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
11.13.2 Blue Jets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
11.13.3 The elves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
11.14Evolution of the atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
12 Planetary atmospheres 179
12.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
12.2 Characteristics of the planets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
12.3 Mercury . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
12.4 Venus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
12.5 Mars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
12.6 Asteroids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
12.7 Jupiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
12.8 Saturn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
12.9 Uranus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
12.10Neptune . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
12.11Pluto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
12.12The exoplanets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
13 Bibliography 195