Contents
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V
CHAPTER 1
The Age of Questioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Electricity and Magnetism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
The Atmosphere and the Aurora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
The Sun . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
The First Steps. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
CHAPTER 2
The Time of Discoveries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
The Sun’s Energy Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
The Solar Corona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Emergence of New Physics and a New Concept: Plasma and the Solar Wind 34
Hannes Alfvén . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Discovery of an Electrically Conductive Atmospheric Layer: The Ionosphere . 38
The Marconi Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Nomenclature for the Atmospheric and Ionospheric Layers . . . . . . . . . . . . . . 43
The First Idea on the Variable Earth’s Magnetosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
CHAPTER 3
The Time of Complexity: The Earth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
The Beginnings of the Space Age in Europe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
The International Geophysical Year . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
The Hunt for the Radiation Belt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
The Magnetosphere and Solar Wind are Revealed. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
Is the Magnetosphere Closed or Open? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
The Dynamics of the Magnetosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Magnetic Reconnection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Geomagnetic Storms and Magnetospheric Substorms . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
The South Atlantic Anomaly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Dynamics of the Upper Atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Variability of the Aurora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Variability of Airglow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Cosmic Rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Space Instrumentation and Multi-Satellite Missions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
First Unsuccessful Launch of CLUSTER Mission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
Ground-Based Instrumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
Magnetometer Chains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Incoherent Scatter Radars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
EISCAT 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
Coherent Scatter Radars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
Measuring the Total Electron Content . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
Optical Instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Neutron Monitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
CHAPTER 4
The Time of Complexity: The Sun . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
The Dynamic Sun and the Solar Wind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
The Solar Flare Myth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
The Solar Dynamo and Solar Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
We Lost SOHO! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
The Solar Wind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
Coronal Mass Ejections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Solar Flares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
Solar Energetic Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
CHAPTER 5
The Time of Impacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Description of the Impacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
The Worst Case: Should We Fear Space Weather? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
CHAPTER 6
Space Weather Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
Activity Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
Observing the Sun from the Ground . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
Observing the Sun from Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
From Data to Forecast: The Key Role of Modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
Modelling to Interpret Observations or to Simulate the Unobservable . . . . . . 134
Correlation and Causality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
The Evolution of the Modelling of the Sun-Earth Interaction . . . . . . . . . . . . 137
A New Approach: Artificial Intelligence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
At the Heart of Forecasting Models: The Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
From Data to Forecast: The Operational Centres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
A New Way Forward . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
Webography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
