Describing temporal variations of the geomagnetic field using a modified virtual observatory scheme: application to Swarm measurements

Abstract

A description of the temporal variations of the main geomagnetic field (i.e., the secular varia-tion or SV) is crucial to the understanding of core dynamo generation. It is known with highaccuracy at observatory locations, which are globally unevenly located, hampering the determi-nation of a global pattern of these variations. Satellites have allowed global surveys of the fieldand its SV. Their data has been used by global spherical harmonic models using data selectioncriteria to reduce external contributions. SV small spatial scales may not be well described bythese models and can show significant errors compared to ground measurements. This studyattempts to extract temporal variation time series from satellite measurements as it is doneat observatory locations. We follow a Virtual Observatories (VO) approach, defining a globalmesh of VOs at satellite altitude. We apply an Equivalent Source Dipole (ESD) technique. Foreach VO and a given time interval all measurements are reduced to a unique location, leading totime series similar to those available at the ground. Synthetic data is first used to validate theapproach. We then apply our scheme to Swarm mission measurements and locally compare theVO-ESD derived time series to ground observations and to satellite-based model predictions.The approach is able to describe field’s time variations at local scales. The global mesh of VOtime series is used to derive global spherical harmonic models. For a simple parametrizationthe model well describes the trend of the magnetic field both at satellite altitude and at thesurface. Nevertheless more complex modelling can be made to properly profit of VO-ESD timeseries.

La description des variations temporelles du champ géomagnétique (variation séculaire ou SV) est cruciale pour la compréhension de la dynamo. La SV est connue avec une grande précision dans les observatoires magnétiques, qui ont une répartition spatiale inégale. Les satellites donnent des observations globales du champ et de sa SV. Leurs données sont utilisées par les modèles globaux en harmoniques sphériques. Les petites échelles spatiales de la SV décrites par ces modèles peuvent montrer des erreurs par rapport aux mesures des observatoires. Dans cette étude je tente d'extraire des séries temporelles avec des mesures satellitaires comme dans les observatoires. L'approche des observatoires virtuels (VO) est suivie. Un maillage global de volumes à l'altitude du satellite est défini. Pour cela, la technique des Equivalent Source Dipoles (ESD) est appliquée. Pour chaque VO et intervalle de temps donné, toutes les mesures sont réduites à un endroit unique, menant à des séries temporelles similaires à celles disponibles dans les observatoires à la surface. L’approche est validée avec des donnes synthétiques et puis appliquée aux mesures de la mission Swarm. Les séries temporelles VO-ESD sont comparées à celles à la surface et aux prédictions par un modèle. L'approche décrit correctement les variations temporelles du champ à l'échelle locale. Un maillage global de VO est construit et utilisé pour obtenir des modèles globaux. Les modèles sont capables de décrire l'évolution du champ magnétique à la fois à l'altitude du satellite et à la surface. Toutefois des modélisations plus complexes pourront être faites pour profiter des séries temporelles VO-ESD.