PC индекс как средство мониторинга космической погоды

PC индекс
как средство мониторинга
космической погоды
О.А.Трошичев и А.С.Янжура
Арктический и Антарктический НИИ, С.Петербург
1
Физические основания для расчёта
РС индекса
2
Физические основания для расчёта РС индекса
Природа магнитной активности в полярных шапках
[Troshichev and Kuznetsov, 1977; Troshichev and Tsyganenko, 1978]
•
•
•
Выделены различные типы магнитных возмущений в полярной шапке,
обусловленные вариациями южной, азимутальной и северной компонент ММП;.
Возмущения, связанные с Южным ММП оказались тождественными системе
DP2 [Obayashi, 1967]
Рисунок показывает распределение векторов магнитного DP2 возмущения
(короткие стрелки) и соответствующие токовые системы, генерируемые южной
компонентой ММП в летней и зимней полярных шапках [Troshichev and
3
Kuznetsov, 1977; Troshichev et al., 1979].
Физические основания для расчёта РС индекса
Продольные токи в магнитосфере
[Troshichev and Kuznetsov, 1977; Troshichev and Tsyganenko, 1978]
Распределение продольных токов по данным
спутника Триад [Iijima and Potemra 1976], :
Продольные токи Зоны 1 втекают в ионосферу на
утренней стороне и вытекают на вечерней,
обеспечивая разность потенциалов утро-вечер и
соответствующие токовые системы в полярных
шапках.
• Воздействие межпланетного электрического
поля на магнитосферу приводит к постоянному
движению плазмы во всей магнитосфере.
• В результате градиенты плазменного
давления постоянно формируются в
магнитосфере и генерируются
соответствующие ортогональные к силовым
линиям, электрические токи.
• На секторных границах магнитосферы,
разделяющих области с противоположнонаправленными поперечными токами,
происходит формирование пространственных
электрических зарядов.
• Эти заряды служат постоянным источником
магнитосферных продольных электрических
токов, связывающих экваториальную
магнитосферу с полярной ионосферой.
•. Токи, текущие в ионосфере полярных шапок,
вызывают магнитные возмущенияю
4
Продольные токи спроектированные на экваториальную
плоскость магнитосферы
(Models of Fairfield and Mead (1975) and Tsyganenko (1996, 2001))
Согласно любым моделям магнитосферы Зоны 1 и 2 продольных токов проецируются на экваториальную
плоскость магнитосферы, т.е. они локализуются в пределах замкнутой магнитосферы и,
следовательно генерируются в замкнутой магнитосфере.
Продольные токи в зоне 1 показывают сильную зависимость от южной компоненты ММП [Iijima and
Potemra, 1982] и межпланетного электрического поля [Bythrow and Potemra, 1983];
Согласно модельным расчётам, магнитный эффект продольных токов зоны 1 и связанных с ними
ионосферных токов обеспечивает как раз такое распределение магнитных возмущений в полярных
5
шапках, которое наблюдается в действительности при южной компоненте ММП.
Эффект воздействия азимутальной компоненты ММП
Анализ [Troshichev and Andrezen, 1985]
показал, что величина магнитных
возмущений в полярной шапке определяется
геоффективным межпланетным
электрическим полем (coupling function) EKL
определяемым формулой [Kan and Lee,1978]:
EKL = Vsw·(BZ2 +BY2)1/2·sin2(Θ/2),
где Vsw - скорость солнечного ветра, BZ, BY
- компоненты ММП, Θ – угол между
тангенциальной составляющей ММП и
геомагнитным полем.
Поскольку вектор магнитного возмущения
оказывается пропорциональным полю EKL ,
то по данным о магнитной активности в
полярных шапках можно оценивать
эффективность воздействия поля EKL на
магнитосферу. . Влияние азимутальной
компоненты ММП BY на распределение
электрического поля в шапках значительно
слабее влияния южного ММП и сказывется
только при северной ориентации ВZ [Ridley
and Kihn, 2004].
0.5
EM=0 mV/m
1.8
0.5
1.8
Hall current
3.1
3.6
Potential
3.1
6
Магнитная активность на станциях Восток и Туле
[Troshichev et al., 1979; Troshichev and Andrezen, 1985; Troshichev et al., 1988]
Эквивалентные DP2 токи и, соответственно,
вектора DP2 магнитных возмущений в
околополюсной области сохраняют свою
ориентацию независимо от величины южной
компоненты ММП. Рис показывает
направление эквивалентных токов на
станциях Восток (Антарктка) и Туле
(Гренландия), как функцию UT часа для
летнего и зимнего сезонов.
Величина вектора магнитного возмущения δF
зависит от проводимости ионосферы и
электрического поля, определяемого
воздействием солнечного ветра.
Проводимость ионосферы в полярных шапках
определяется исключительно уровнем УФ
радиации Солнца и может быть легко
просчитана в любой точке для каждого часа
UT и времени года.
Если должным образом учесть (исключить) вклад
ионосферной проводимости в величину
токов в полярной шапке, то вектор
магнитного возмущения δF будет
пропорционален интенсивности воздействия
7
поля Em.
Методика расчёта РС индекса
8
Особенности метода расчёта РС индекса
Troshichev, O. A., V. G. Andrezen, et al, Planet. Space Sci., 36, 1095, 1988;
Troshichev O., A.Janzhura, and H.Stauning, J. Geophes. Res., 2006;
A.Janzhura and O.A.Troshichev, J.Atmos. Solar-Terr. Phys, 2009
• Величина магнитных возмущений в полярной шапке (δF) отсчитывается от
уровня спокойной суточной вариации , характерной для каждой станции.
Разработан метод автоматического определения, в on-line режиме,
определения спокойной суточной вариации.
• РС индекс определяется как величина, пропорциональная интенсивности
магнитного возмущения (δF), прокалиброванная по магнитуде
межпланетного электрического поля EKL, и параметризованная для каждого
момента UT, сезона и конкретной станции.
• Окончательный подбор коэффициентов пропорциональности в процедуре
вычисления PCN и PCS индексов (по данным станций Туле и Восток)
проводится исходя из следующих требований:
- индексы PCN и PCS должны максимально адекватно соответствовать
величине геоэффективного межпланетного электрического поля Em,
- не должно быть суточного хода в поведении PCN и PCS индексов,
- не должно быть сезонной вариации в поведении PCN и PCS индексов.
9
Method for calculation of the PC index
[Troshichev et al., 1988]
Vector of magnetic disturbances δF is determined using the data of magnetic observations
from near-pole station
δF = δD·sinγ ± δH·cosγ,
where
γ = λ ± DE + φ + UT,
δD and δH are deviations of the magnetic horizontal components from the quiet level,
DE is the mean declination angle for the given station,
λ is geographycal longitude and φ is angle between the transpolar current, typical of the
given UT, and the noon-midnight meridian.
2. The correlation between values of δF and merging electric field Em is calculated for
each month and UT
δF = αEKL + β
where α and β the coefficients of regression.
3. Coefficients α, β and φ, ensuring the best correlation between δF и Em are used for
calculation of the PC index
РС = ξ EKL = ξ (δF – β)/ α
where ξ is the scale coefficient..
1.
The РС index has been defined as the value, which is proportional to intensity of
the polar cap magnetic disturbance, calibrated for geoffective electric field EKL
10 ,
and parameterised by season, UT and hemisphere.
Определение спокойной суточной вариации
• Метод итерационного подбора сегментов спокойного уровня
магнитного поля на основе вариационных данных, полученных на11
станции Восток в магнитовозмущенный период в июне 2002 года
Определение спокойной суточной вариации
Ход среднемесячной КСД, рассчитанной для середины июня 2002 года, и текущие
вариации магнитного поля на станции Восток. В нижнем ряду более подробно 12
показан ход КСД в наиболее спокойные дни 13-16 июня.
Определение спокойной суточной вариации
• Межгодовая изменчивость КСД Н-компоненты для ноября месяца в период
с
13
1997 по 2002 год на станции Восток.
Параметры, используемые для расчёта РС индекса
14
Ход унифицированных PCN и PCS индексов в 1998-2002гг
1.
2.
3.
Имеет место соответствие в хлде положительных значений PC в южном и
северном полушариях.
Экстремальные значения положительного PC индекса (до 20 мВ/м) наблюдаются
на станциях Туле и Восток одновременно.
Oтрицательные значения PC индекса наблюдаются только в летний сезон.
15
Сопоставление PCN и PCS индексов с реальными измерениями
межпланетного электрического электрического поля Em
Ход разностей (ЕKL-PCN) и (ЕKL-PCS), выраженных в мВ/м, показан синим и красным
цветом, соответственно (2000 год).
Различие между ЕKL, измеренным на спутнике АСЕ, и РС индексами, рассчитанными
по наземным магнитным данным, не превышает, в среднем 1 мВ/м.
16
РСN и PCS индексы хорошо согласуются друг с другом
Реакция РС индекса на внезапные изменения
параметров солнечного ветрa:
межпланетного электрического поля EKL и
динамического давления Psw
17
Поведение РС индекса при прохождении межпланетных ударных волн
(момент Т=0): соотношения между РС и величиной EKL при
произвольной силе динамического давления солнечного ветра
PC индекс растёт соответственно росту EKL с временной задержкой ~ 15 – 30 минs.
PC отвечает на изменения EKL одинаковым образом в обеих полярных шапках, но летний
РС почти в полтора раза больше, чем зимний РС.
18
Поведение РС индекса при прохождении межпланетных ударных волн
(момент Т=0): соотношения между РС и величиной скачка динамического
давления ΔPsw, при произвольной величине EKL.
PC индекс реагирует на скорость нарастания динамического давления ΔPsw, а не на
величину Psw. Учитывая отклонение конкретной величины РС индекса от
«идеального» (статистического) соответствия между EKL и PC (мВ/м), можно вывести
19
приблизительное соотношение ΔPsw=1 nPa ≈ EKL=0.33 mV/m.
Поведение РС индекса при внезапном уменьшении динамического
давления солнечного ветра на фоне неизменного EKL (а), и при внезапном
увеличении Psw на фоне северном ММП, когда EKL =0 (б)
•
Отрицательные импульсы давления Psw не сопровождается заметными изменениями в EKL, но PC
индекс начинает уменьшаться сразу же после “нулевого момента”. Оценка эффекта уменьшения
давления даёт соотношение 1 nPa ≈ 0.25 mV/m.
• Положительный импульс давления Psw при северном ММП (при EKL ~ 0) сопровождается явным
ростом РС индекса. Оценка соответствующего эффекта даёт 1 nPa ≈ 0.4 mV/m.
Изменение давления солнечного ветра является вторым, после EKL, фактором, определяющим
магнитную активность в полярных шапках.
РС индекс реагирует на изменения в давлении Psw с задержкой в несколько минут, при этом
эффект Psw исчезает через 1-1.5 часа.
20
Взаимосвязь между поведением РС индекса
и магнитосферными суббурями
Рассматривались следующие категории магнитных возмущений:
• Магнитные бухты (AL ~ 150 nT),
• Короткие суббури (AE ~ 300 nT) с длительностью < 3 часов,
• Длинные суббури (AE ~ 400 nT) с длительностью > 3 часов,
• Замедленные суббури (AE ~ 200 nT), максимум которых наблюдался через
несколько часов после внезапного начала.
• Периодически повторяющиеся бухтообразные возмущения с AL > 400 nT (saw-tooth
substorms) в периоды высокой и устойчивой магнитной активности
21
Cоотношение между AE и РС индексами:
изолированные магнитные бухты и короткие суббури
Рост РСN и PCS индексов начинается примерно за час до внезапного
22
начала суббури.
Cоотношение между AE и РС индексами:
длинные и замедленные магнитные суббури
Рост РСN и PCS индексов начинается примерно за час до
внезапного начала суббури.
23
Примеры периодически повторяющихся бухтообразных возмущений, происходящих
при воздействии сильного осциллирующего (а) или устойчивого (б) межпланетного
электрического поля EKL
При воздействии осциллирующего поля EKL наблюдаются периодические возмущения, повторяемость
которых определяется характером изменений поля EKL, при воздействии устойчивого и интенсивного
поля EKL > 3 мВ/м имеют место пилообразные магнитные возмущения, с периодом ~ 2-3 часов.
24 РС
Внезапному началу каждой конкретной суббури предшествует, с задержкой от 15 до 60 минут, увеличение
индекса. При падении РС индекса ниже уровня ~ 2 мВ/м суббуря затухает.
Cоотношения между полем EKL и РС и AL индексами в случае
периодически повторяющиеся бухтообразных возмущений
Суперпозиция хода РС и AU/AL индексов
(тонкие линии) для 43 периодических
магнитных возмущений и соответствующий
ход усреднённых вариаций BZ и BY
компонент ММП, электрического поля EKL, и
индексов РС, AU/AL
Результат:
• Быстрый и согласованный рост поля
Em и индекса PC начинается в
среднем за ~ 25 минут до незапного
начала возмущения.
• Величина РС в момент внезапного
начала во всех 43 событиях была
больше 2 мV/м.
• Рост EKL и РС продолжается и после
внезапного начала суббури (~15
минут), Причиной роста EKL и РС
является увеличение южной
компоненты ММП.
• Магнитная возмущенность в
авроральной зоне (AL-индекс)
начинает расти, в среднем, через 15
минут после начала роста РС индекса.
• Таким образом, каждая суббуря
демонстрирует чётко выраженную
фазу роста в РС индексе
25
Relations between PC index and substorm (AL) and storm (ASYM) indices under
conditions of the steadily high solar wind energy input into the magnetosphere
Sudden onset level 500 nT
Growth phase
Decay phase
0
0
-200
-200
-400
-400
-600
-800
AL, nT
AL, nT
-600
-800
-1000
-1200
-1400
-1200
-1400
-1000
-1600
N=39
N=39
-1800
-2000
-1600
-16
-12
-8
-4
0
4
8
12
16
20
24
0
14
10
8
6
4
2
-10
-5
0
5
10
15
20
30
35
40
N=39
8
6
4
0
5
10
15
20
25
30
35
40
14
N=34
N=34
12
PCsum, mV/m
10
PCsum, mV/m
25
10
25
14
8
6
4
2
10
8
6
4
2
0
0
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
0
280
5
10
15
20
25
30
35
40
280
N=39
N=39
240
200
ASYM, nT
200
ASYM, nT
20
0
-15
240
15
2
0
12
10
12
N=39
PCwin, mV/m
PCwin, mV/m
12
5
14
160
120
160
120
80
80
40
40
0
0
-15
-10
-5
0
5
Time, min
10
15
20
25
0
5
10
15
20
25
Time, min
30
35
40
The most intense saw-tooth substorms are
observed under conditions of the steady
powerful interplanetary electric field which
ensures energy for their development.The
periodical raise and decay of the polar cap
magnetic activity and substorm intensity is
typical of such substorms.
The analysis was carried out for time intervals,
which are characterized by the PC growth
and the PC decline processes inherent of
each particular substorm.
Results of the statistical analysis derived for 48
saw-tooth substorms
• the substorm sudden onsets are preceded by
the PC growth,
• the substorm development do not affect the
PC growth rate,
• achievement of the magnetic disturbance
maximum is followed by synchronous drop
in the PC and AL indices roughly down to
level preceding the substorm,
• the higher was the substorm intensity, the
larger is the AL drop in the decline phase.
26
Время задержки начала фазы роста и внезапного начала магнитных
возмущений в авроральной зоне относительно момента увеличения
магнитной активности в полярной шапке
Временная задержка внезапного начала магнитной суббури относительно начала роста РС индекса (т.е.
длительность фазы роста) лежит в интервале от 0 до 60 минут при средней величине задержки ~ 30
минут.
Постепенный рост магнитной возмущённости в авроральной зоне начинается после начала роста РС
индекса (в интервале от 0 до ~ 40 минут), при средней величине времени задержки ~13 минут.
Вывод:
Устойчивое увеличение магнитной активности в полярной шапке является первым
признаком начинающегося магнитного возмущения в авроральной зоне. Затем, в
27
связи с усилением высыпания авроральных частиц, начинает расти
возмущённость в авроральной зоне.
Зависимость длительности фазы роста (Tgro) от величины РС (PCmean) и
скорости увеличения РС (РCGR) перед внезапным началом суббури
•
•
Длительность фазы роста лежит в интервале от одного часа до нескольких минут, при
этом максимальная фаза роста наблюдается при наименьших значениях PCgro, а
минимальная фаза роста – при наибольших значениях PCgro.
Если рассматривать скорость роста РС индекса перед внезапным началом суббури, то
оказывается, что длительность фазы роста Tgro уменьшается по экспоненциальному
28
закону при увеличением скорости роста PCGR.
Cоотношение между AL и РС индексами для различных классов
магнитных возмущений
В случае магнитных бухт и коротких суббурь РС
индекс достигает максимума сразу после
внезапного начала и затем быстро убывает.
Длительная суббуря отличается от короткой
суббури более быстрым ростом РС индекса,
который продолжается и после внезапного
начала.
В случае замедленного развития суббури
наблюдается медленный рост РС индекса
перед внезапным началом и после него.
В случае периодически повторяющихся
бухтообразных магнитных возмущений
средний PC индекс растёт очень быстро перед
внезапным началом и сохраняет высокую
величину после внезапного начала.
Класс магнитного возмущения можно
характеризовать такими параметрами, как
длительность фазы роста, среднее увеличение
магнитуды PC и AL за время фазы роста,
интенсивность магнитного возмущения в
авроральной зоне (ALmax).
Результат:
Все параметры магнитной суббури
показывают явную связь со скоростью
роста PC индекса (PCGR = dPC/dT))
перед внезапным началом и после
него.
29
Зависимость скорости увеличения ALgr на фазе роста (а) и максимальной
интенсивности магнитного возмущения ALmax (б) от величины скорости
роста РС перед внезапным началом
Средние величины PCgr и ALgr cвязаны
соотношением
ALgr = - 0.5 + 55 PCgr
с коэфф. корреляции R = 0.996.
Средние величины PCgr и ALmax
связаны соотношением
ALmax = 114 + 6570*PCgr
с коэфф. корреляции R = 0.997.
Вывод:
Скорость роста магнитной активности в
полярной шапке (РСgr) является
ключевым параметром
определяющим такие важные
характеристики магнитного
возмущения, как скорость
увеличения возмущённости в
авроральной зоне перед внезапным
началом (ALgr) и интенсивность
магнитного возмущения (ALmax).
30
Взаимосвязь между РС индексом
и магнитными бурями
Basic criteria taken to choose the magnetic storms for the analysis:
•duration of magnetic storm should be longer than 12 hours,
•the depression of magnetic storm should be larger than Dst = -30nT.
Basing on these criteria we separated 54 magnetic storms for the period of 1998-2004 with
the maximal storm intensity varying in range from Dst = -30nT to Dst = -373nT.
It was found at once that all chosen storms occurred under condition PC>2 mV/m.
31
Поведение функции EKL и РС индекса и развитие магнитной бури (Dst)
December 10, 1998 (22.07 UT)
February 28, 1999 (17.48 UT)
6
5
July 28, 1999 (15.53 UT)
4
Em (PC), mV/m
3
November 07, 1998 (11.02 UT)
8
18
7
16
6
14
5
12
10
4
3
8
3
2
6
2
2
1
1
4
1
2
0
0
0
-1
-1
-2
-8
0
-4
0
4
8
12
16
20
0
24
8
4
12
20
16
24
28
32
36
10
0
4
8
-10
0
-20
-40
-40
-60
-20
-30
Dst, nT
0
4
8
12
16
20
24
28
32
12
16
20
24
28
32
-80
-60
-40
-100
-50
-20
8
-20
12
-10
4
0
0
-4
0
0
-80
-120
-100
-140
-60
-70
-160
-30
-8
-4
0
4
8
12
16
20
0
24
8
4
12
20
16
24
28
32
Time, hours
Time, hours
April 11, 2001 (13.00 UT)
November 07, 2004 (18.30 UT)
36
Time, hours
-40
-4October
0
4
8
12
01, 2002
(05.34
UT)
November 09, 2004 (11.05 UT)
Em (PC), mV/m
Time, hours
10
24
8
20
6
16
4
12
28
20
24
16
20
12
16
8
2
4
2
0
0
12
8
8
4
4
0
0
-4
-2
-4
0
4
8
12
16
20
24
28
32
36
0
0
4
8
12
16
20
24
4
8
12
16
20
0
4
8
12
16
20
24
0
4
8
12
16
20
24
28
32
36
32
36
-50
0
-20
0
-50
-40
Dst, nT
0
28
-60
-100
-100
-100
-150
-80
-150
-100
-120
-200
-200
-200
-140
-300
-250
-250
-160
-180
0
4
8
12 16 20 24 28 32 36
Time, hours
-300
-400
-300
-4
0
4
8
12
16
Time, hours
20
24
28
0
4
8
12
Time, hours
16
20
Time, hours
32
28
Соотношение между Em, РС и Dst для бурь разной мощности
(a) Dst=-(30-50) nT, N=8
(c) Dst = - (80-100) nT, N=11
(b) Dst = - (50-80) nT, N=13
5
4.0
5
3.5
4
Em (PC), mV/m
4
3.0
2.5
3
3
2.0
2
2
1.5
1
1
1.0
0
0.5
0
0
4
8
12
16
20
0
24
10
4
8
12
16
20
24
28
10
0
0
-10
0
Dst, nT
8
12
16
20
24
28
32
36
0
4
8
12
16
20
24
28
32
36
-30
-20
-40
-30
-20
-50
-40
-30
-40
-60
-50
-70
-60
-80
-90
-70
0
4
8
12
16
20
24
0
4
8
12
16
20
24
28
Time, hours
Time, hours
(d) Dst = - (100-120) nT, N=8
Time, hours
(f) Dst = - (160-240) nT, N = 6
(e) Dst = - (130-160) nT, N=10
12
8
8
Em (PC), m\v/m
4
-20
-10
-10
0
7
10
6
6
8
5
4
4
6
3
4
2
2
2
1
0
0
0
0
4
8
12
16
20
24
28
32
36
0
4
8
12
16
20
24
28
32
36
0
4
8
12
16
0
4
8
12
16
20
24
-20
0
-20
-20
-40
-40
-60
-60
-80
-100
-80
-100
-120
-100
-120
-40
Dst, nT
-60
-80
-140
33
-160
-120
-140
0
4
8
12
16
20
Time, hours
24
28
32
36
0
4
8
12
16
20
Time, hours
24
28
32
36
Time, hours
20
24
Results of examination for individual storms
and for summary plots
•
The magnetic depression starts to develop when field EKL and PC index firmly as soon as PC and
EKL exceed the threshold ~2 mV/m
•
As a whole rule, PC and EKL cross the threshold simultaneously, although sometimes EKL goes
ahead PC, sometimes PC goes ahead EKL;
•
When PC and EKL reach the maximum value shortly after the storm beginning and keep the high
level during some hours, the quick start of disturbance occurs and the classical storm pattern is
observed;
•
When EKL (PC) slowly rises and reaches the maximum value only by the end of disturbed period,
the slow start storm pattern takes place;
•
When EKL (PC) demonstrates repetitive strong enhancements and decreases, the magnetic storm
displays the appropriate multiple depressions with growth and damping phases;
•
The persistent descend of PC (EKL) below the threshold level 2 mV/m is indicative on the end of
the storm main phase (damping phase) and transition to the storm recovery phase;
•
The “PC saturation effect” is typical of events with the PC and EKL values > 6 mV/m.
34
Соотношение между
интенсивностью бури Dst и
величинами Ekl и РС
The magnetic storm intensity is obviously
related to the average value of the
interplanetary electric field EKL and
average PC value irrespective of the
storm pattern and storm duration.
The link between the maximal depression of
the magnetic field Dst(min) and the
averaged EKL(growth) and PC(growth)
quantities is described by the linear law:
Dst = -17.32 - 19.33*EKL and
Dst = 23.13 - 32.15*PC.
It is particularly remarkable that correlation
between Dstmin and PC index turned
out to be higher (R= - 0.79) than
between Dst(min) and interplanetary
electric field Em (R = - 0.74).
There is also the high correlation (R=0.95),
between values Dst(decay), estimated
for moments when EKL and PC firmly fall
below the threshold level 2mV/m.
35
Зависимость интенсивности бури Dst от
величин функции Еkl и РС индекса
(a) Storm intensity Dst(peak) vs. EKL and PC values
-400
Dst(peak), nT
•
PC
-350
-300
-250
-200
EKL
-150
-100
Интенсивность бури Dst(peak) and
параметр Dst(trans), характеризущий
переход к фазе восстановления,
рассчитанные согласно статистическим
соотношениям между
Dst и EKL (пунктир) и
Dst и PC (сплошная линия).
-50
0
0
2
4
6
8
10
12
EKL (PC) growth, mV/m
(b) Storm parameter Dst_trans vs. EKL and PC values
-400
Dst(trans), nT
-350
-300
-250
PC
-200
-150
-100
EKL
-50
36
0
0
2
4
6
8
10
12
Магнитные бури и магнитосферные суббури
развивающиеся при северном ММП:
поведение РС индекса
Only one magnetic storm developing under condition of a prolonged northward IMF
was reported in literature (Du et al., 2008). It is the storm observed on January 21-22, 2005,
with Dst=-105 nT, in spite of a northward or close to zero BZ component. To explain the
storm occurrence Du et al. (2008) suggested that “there was a first energy storage in the
magnetotail and then a delayed energy injection into the magnetosphere”.
Weak (or moderate) substorms occurring in periods of northward IMF were
demonstrated by Wu et al. (2002), Kullen and Karlson (2004), Miyashita et al. (2006), Lee
et al. (2007) basing on satellite (Polar and IMAGE) auroral observations. Special attention to
intense substorms developed under conditions of persistently northward IMF was given by
Lee et al. (2010) and it is the only study of this kind known to us.
37
Развитие магнитной бури при воздействии
северного ММП (буря 21-22 января 2005
Plotted are the IMF Bz and By components,
solar wind velocity Vsw, EKL and PC and
Dst index (lower panel).
The geomagnetic storm was initiated by the
great enhancement of the geoeffective
electric field EKL from the initial input
from southward IMF and succeeding
input from azimuthal IMF BY against
the background of the very high solar
wind speed VSW > 800 km/s.
The Em drop below 2 mV/m is noted only
for short period from 22:15 to 23:30UT
on January 21, but this drop is not
confirmed by the PC index, which was
larger than 4 mV/m at this time, the EKL
and PC values grew again above 4
mV/m by 02:00 UT, as a result the
geomagnetic storm was being continued.
Conclusion
The storm of 21-22 January 2005
should be regarded as nothing out
of the ordinary event, if we
examine behavior of PC index.38
Магнитосферные суббури при северном ММП (список Lee et
al., 2010) – cуббури с выраженным началом в АL индексе
07 Nov 2000 (14.27 UT)
24
13 Aug 2000 (00.05 UT)
24
40
40
I
MF BY, BZ [nT]
35
BY
BY
16
16
12
12
BZ
8
8
35
BY
20
20
30
30
25
25
20
20
15
BZ
10
BZ
4
5
0
14.0
14.5
5
0
15.0
-0.5
0.0
0.5
3.5
X Axis Title
7
4.0
5
6
14
16
12
3
2
EKL
10
PC
EKL
10
12
4
5.0
16
14
5
4.5
X Axis Title
20
4
PC
0
4.0
X Axis Title
18
EKL, PC [mV/m]
BY
15
BZ
10
4
EKL
8
8
6
3
14.5
15.0
2
-0.5
0.0
0.5
2
3.5
X Axis Title
200
4.0
4.0
4.5
X Axis Title
400
5.0
X Axis Title
400
400
AU
AU
100
PC
4
4
0
14.0
PC
6
1
EKL
2
AU
200
AU, AL [nT]
16 Nov 2000 (04.36 UT)
16 Nov 2000 (03.44 UT)
200
0
200
AU
0
-100
0
0
-200
-200
-200
-200
AL
-300
AL
AL
-400
AL
-400
-400
-400
-500
-600
-600
14.0
14.5
UT time [hours]
15.0
-0.5
0.0
UT time [hours]
0.5
3.5
UT time [hours]
4.0
-800
4.0
4.5
5.0
UT time [hours]
Behavior of the IMF BY and BZ components, coupling function EKL, and PC index, and AU and AL indices for substorm with AL index sharp
increase. The onset times marked by vertical lines are exactly coincident with times identified by Lee et al. (2010) on evidence of the
spacecraft observations. Magnetic disturbances start against the background of northward IMF that can be as high as 20 nT, the absolute
value of BY component being exceeded the BZN value.
EKL and PC values preceding the sudden onset were over the threshold of 2 mV/m in cases (a), (c), (d) or quickly increase to this level just before
the onset, Only in case of substorm on 13 August 2000 the substorm event was related to previous energy input into the magnetosphere.
39
Effect of “PC index saturation” typical of high values of coupling function is clearly revealed during substorm event of November 16, 2000.
Суббури при северном ММП без внезапного
начала в АL индексе (список Lee et al., 2010)
(b) 18 Sep 2000 (00.22 UT)
(a) 07 Nov 2000, 12.39 UT
24
30
BY
IMF BY, BZ [nT]
20
30
BY
20
16
(d) 18 Sep 2000 (06.20 UT)
(c) 18 Sep 2000 (04.10 UT)
20
BZ
BZ
20
10
10
10
12
0
8
-10
BZ
BZ
0
0
BY
-10
4
-10
BY
-20
-20
0
-30
-20
12.0
12.5
13.0
13.5
0.0
0.5
1.0
24
3.5
4.0
4.5
6
5.5
6.0
6.5
7.0
6.0
6.5
7.0
6.0
6.5
7.0
6
8
EKL, PC, [mV/m]
PC
5
20
5
7
4
16
6
5
EKL
PC
3
3
2
8
4
2
1
3
4
2
12.0
0
12.5
13.0
PC
1
0
13.5
0.0
0.5
1.0
-1
3.5
4.0
4.5
800
EKL
0
5.5
200
200
200
600
100
PC
4
EKL
EKL
12
AU
AU
AU
400
AU
100
100
AU, AL [nT]
0
200
-100
0
0
0
-200
-100
-200
-300
-400
AL
-400
-100
AL
AL
-600
-500
-600
12.0
-200
AL
-200
-300
-800
12.5
13.0
UT time, [hours]
13.5
0.0
0.5
UT time, [hours]
1.0
3.5
4.0
UT time, [hours]
4.5
5.5
UT time, [hours]
ehavior of the IMF BY and BZ components, coupling function EKL, and PC, AU and AL indices for substorms occurring without
essential increases in the AL index, the substorm onsets being indicated according to Lee et al. (2010).
events (a) and (b) the IMF BZN component was insignificant. The respective EKL and PC quantities were higher than 6 mV/m in
matter of 30 minutes prior to sudden onset. Magnetic activity in the auroral zone was as high as AE~700 nT, in conformity with large
EKL and PC values.
n events (c) and (d) the value of the IMF BZN component was steadily high (>10-20 nT). The coupling function EKL well responds
to
40
the IMF BY and BZN variations. In average, EKL and PC quantities were close to the threshold level 2 mV/m, the substorm intensity
was correspondingly low (AE≈100-250nT).
Развитие магнитосферных суббурь в условиях северного ММП
(список Lee et al., 2010)
(a) Substorms with
distinct magnetic onset
(b) Substorms
without magnetic onset
30
30
BY
BY, BZ [nT]
25
25
20
20
15
15
10
10
BZ
5
0
0
-5
-10
-10
-15
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
EKL, PC [mV/m}
10
20
6
5
5
4
4
3
-15
-10
-5
0
5
EKL
PC
3
PC
10
15
20
25
2
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
-5
0
5
10
15
20
25
400
AU
200
AU
0
0
-200
AL
-400
-600
-20
0
7
EKL
6
-200
-10
8
400
AU, AL [nT]
-20
25
7
200
BY<0
-20
-15
8
2
-20
BZ
5
-5
-20
-20
BY>0
AL
-400
-15
-10
Run of quantities BY, BZ,, EKL, and PC, AU, AL
indices averaged (a) for 4 substorms with
distinct magnetic disturbance sudden onset
and (b) for 5 substorms without the evident
onset.
The average AL index in case (a) increased from
-100 nT before substorm onset to -400 nT
after the onset; the PC index started to grow
before the substorm onset and continued to
grow after the onset.
The average AL index was already at level of ~ 450 nT before is clearly seen in case of
moderate EKL values, for large EKL it is
deformed owing to “PC saturation effect”.
Conclusion:
The high level of the EKL (and PC) values
under conditions of northward IMF is
provided by the IMF BY component.
-5
0
5
10
Substorm ttime [min]
15
20
25
-600
-20
-15
-10
Substorm time [min]
41
Суббури триггируемые внезапным поворотом ММП в
северу (или изменением полярности BY сомпоненты)
(b) 02 July 1999 (10:23UT)
(c) 18 Feb 1999 (10:31UT)
30
8
BY
BY, BZ [nT]
20
10
(c) 02 March 1998 (05:58UT)
IMF BY and BZ components
8
6
6
4
4
2
BY
2
BZ
0
0
-2
-2
0
BZ
-10
-4
-4
BY
-6
BZ
-6
-20
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
-8
-20
-10
0
10
20
30
40
-8
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
30
40
50
30
40
50
PCN and PCS indices
16
8
8
14
7
PCS
PCN, PCS [mV/m]
12
6
6
PCN
10
PCN
5
8
4
4
PCS
6
4
PCS
3
PCN
2
2
2
1
0
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
0
-20
-10
0
10
20
30
40
0
-30
-20
-10
0
10
20
Auroral AU and AL indices
800
400
AU
400
AU, AL [nT]
0
-400
-800
300
200
200
100
100
0
0
-100
-100
-200
-1200
-20
-10
0
10
Time, min
20
30
40
-400
-500
-500
-10
0
10
Time, min
AL
-300
AL
-400
-600
-20
AU
-200
-300
AL
-1600
-2000
-30
400
AU
300
There are some features typical of
“triggered” substorms:
(1) Moment T=0 does not seem to be
directly related either to substorm
onset or to substorm maximum;
(2) Substorms were preceded by the 20–
30 min PC growth interval;
(3) Substorm intensity is roughly
proportional to the PC maximal
value, not to the IMF jump value;
(4) Substorm decay seems to be
determined by the PC decrease;
(5) Large difference is seen between the
PC values in the northern and
southern hemispheres, even in
equinox (02 March 1998), the
difference
evidently
being
determined by distinct influence of
the large BY component on DP2
current
system
in
opposite
hemispheres.
Conclusion:
“Triggered” substorms have no
relation to “northward IMF
turning” or BY reverse.
20
30
40
-600
-30
42
-20
-10
0
10
Time, min
20
Соотношение между «coupling function» EKL и РС индексом
при северном ММП в зависимости от величины ВY
Just allowance for the IMF BY component determines the principal difference between the coupling functions EKL and EY: if the IMF
BZ component is southward or BY component is close to zero, both equations yield almost the same values of electric field.
Discordance between EY and EKL becomes crucial under condition of northward IMF, when EY changes polarity for opposite
(dusk-dawn) one, whereas EKL remains to be positive. It is seen that EKL and PC values grow accordingly while 43
increasing By in spite of northward IMF orientation, the EKL value can be as large as 5-10 mV/m.
Выводы
•
Функции EY= VswBz и EKL отличатся отношением к азимутальной (BY) компоненте
ММП. Расхождение между EY и EKL увеличивается по мере роста BY относительно
BZ, величина ЕKL функции может достигать 5-10 mV/m even даже при северном ММП.
PC индекс растёт в соответствии с ростом величины EKL.
•
Роль азимутальной компоненты ММП игнорируется во всех анализах суббурь и
магнитных бурь, происходящих при северном ММП. При включении PC индекса в
анализ таких возмущений сразу же становится очевидным что «экстраординарные
возмущения» являются, вдействительности , обычными возмущениями,
Происходящими при необходимом и достаточном условии для развития суббурь (PC ≥
1.5-1.7 mV/m) или магнитных бурь (PC ≥ 2 mV/m).
•
Та же ситуация верна и для суббурь триггируемых резких поворотом ММП к северу
(«northward turning») или обращением полярности азимутальной компоненты.
Рассмотрение таких событий показывает, что они инициируются увеличением функции
EKL и что внезапному началу этих возмущений предшествует рост РС индекса.
Совпадение поворота ММП к северу и начало Суббури Является случайным
совпадением.
44
Заключение
PC индекс был введён первоначально [Troshichev et al., 1988] как характеристика магнитной
активности в полярной шапке, обусловленной межпланетным электрическим полем (сoupling
function) EKL, определяемой формулой Kan and Lee [1979].
Недавние работы [Troshichev et al., 2007; Janzhura et al., 2007, Troshichev and Janzhura, 2009;
Troshichev et al., 2011] показали, что PC индекс играет более важную роль:
• магнитные бури и магнитосферные суббури начинаются только в том случае, если величина
PC индекса превышает некий пороговый уровень (~ 2 mV/m для бурь и >1.5mV/m для
суббурь)
• длительность фазы роста суббури и интенсивность суббури определяются скоростью
нарастания РС индекса; развитие суббури прекращается, как только величина PC индекса
падает ниже 1-1.5 mV/m
• продолжительность магнитной бури определяется длительностью периода, когда PC>2mV/m,
и интенсивность бури (Dst_peak) линейно связана с величиной РС индекса, усреднённой за
длительность главной фазы,
• периодичность saw-tooth substorms происходящих в условиях устойчивого высокого уровня
функции EKL определяется продолжительностью «фазы роста РС индекса» и «фазы спада
РС индекса» сменяющих друг друга;
• Развитие бурь и суббурь лучше согласуется с ходом РС индекса, чем с вариациями функции
EKL;
• “необычные” бури и суббури, происходящие при воздействии северной компоненты ММП
оказываются обычными возмущениями, если рассматривать их в отношении к РС индексу и
функции EKL;
• PC индекс адекватно реагирует на резкие изменения динамического давления солнечного
ветра.
45
Все рассмотренные выше закономерности приводят к заключению, что РС индекс следует
рассматривать как адекватный и удобный показатель («proxy») энергии солнечного ветра
поступившей в ионосферу.
Если придерживаться этой точки зрения, становится очевидным, почему бури и суббури лучше
коррелируют с РС индексом, чем с «coupling function» EKL (поскольку EKL характеризует
состояние солнечного ветра, который взаимодействует с магнитосферой, тогда как РС
характеризует энергию, поступившую в магнитосферу); почему рост РС индекса
предшествует бурям и суббурям (превышение энергии, поступающей в магнитосферу, над
пороговым уровнем, характеризующим обычную, регулярную диссипацию энергии в
магнитосфере, приводит к реализации энергии в форме магнитных возмущений), почему
sawtooth substorms демонстрируют чёткую периодичность при условии устойчивого
высокого уровня поступления энергии в магнитосферу (высокая интенсивность токов в
авроральном овале приводит к разрядке генератора продольных токов в магнитосфере,
мощность которых лимитируется конечной величиной градиентов плазменного давления в
замкнутой магнитосфере).
Поскольку PC индекс характеризует энергию, поступившую в магнитосферу в ходе
взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой , индекс можно использовать в целях
мониторинга состояния магнитосферы и готовности магнитосферы к началу магнитных
бурь и суббурь. Поскольку накопление энергии в магнитосфере всегда предшествует
развитию магнитных бурь и суббурь, РС индекс обеспечивает текущий прогноз
(nowcasting) космической погоды.
Преимуществом PC индекса перед спутниковыми методами мониторинга космической погоды
является постоянная доступность информации о магнитной активности в северной и
южной полярных шапках.
Специальные процедуры, разработанные в ААНИИ обеспечивают расчёт РС индекса в
реальном времени. В настоящее время PCN и PCS индексы представлены на сайтах:
• PCN http://www.dmi.dk/dmi
• PCS http://www.geophys.aari.ru/
46
Заключение
РС индексов является характеристикой магнитной активности в полярной шапке,
обусловленной воздействием солнечного ветра на магнитосферу,
безотносительно к местному времени в точке наблюдения и сезону года.
Основным фактором, определяющим величину РС индекса, является
геоэффективное межпланетное электрическое поле Em. Вторым фактором,
влияющим на величину РС индекса, служит скорость изменения
динамического давления солнечного ветра (dPsw/dt). РС реагирует с
задержкой примерно 15-30 минут на изменения поля Em, и с задержкой ~ 3-5
минут – на импульсы давления солнечного ветра.
РС индекс начинает расти примерно за час (или менее) до внезапного начала
суббури в авроральной зоне, демонстрируя наличие ярко-выраженной фазы
роста, связанной с увеличением межпланетного электрического поля Em.
Продолжительность фазы роста суббури и интенсивность магнитного возмущения
в авроральной зоне являются функцией скорости увеличения РС индекса на
предварительной фазе. При экстремально высоких скоростях увеличения РС
индекса продолжительность фазы роста может сократиться до нескольких
минут.
Эффект влияния магнитных возмущений в авроральной зоне на магнитную
активность в полярной шапке на фазе экспансии суббури не превышает 1020% величины РС.
Делается вывод, что РС индекс является независимым индикатором
поступления энергии солнечного ветра в магнитосферу.
47
Соотношение между величинами PC индекса
в летней и зимней полярных шапках
Имеет место хорошее соответствие
между средними величинами РС
индекса в зимней и летней полярных
шапках: на фазе роста коэффициент
корреляции R = 0.83 и на фазе
экспансии R = 0.75.
Учитывая это соответствие, далее будет
рассматриваться средняя для
зимней и летней полярных шапок
величина PC индекса.
48
Results of the case study
PC index is a reliable indicator of changes in the interplanetary electric field Em,
impacting the magnetosphere, and, the appropriate solar wind energy incoming into
the magnetosphere.
The substorm development is much better agreed with behavior of the PC index, than
with variations of the interplanetary electric field Em, which are detected out of the
magnetosphere bow shock.
• substorms start when the PC value exceeds threshold of ~ 2 mV/m;
• if the appropriate PC index stay at a high level (≥ 4 mV/m) for some hours, the
substorm activations can happen irrespective of the PC change;
• the higher the PC index, the larger is the substorm intensity;
• the fall of the PC index below 1 - 2 mV/m is definitely followed by a decay of the
substorm magnetic activity.
The substorm growth phase duration is determined by the PC value:
• if the PC index is less than 4 mV/m, the substorm onset follows the PC enhancement
with a delay time in the range 15 - 60 minutes;
• while further increasing the PC index, the growth phase is shortened.
• the growth phase can reduce to zero, when the PC index keeps level ≥ 4 mV/m over
some hours or quickly exceeds the value of ~ 6-8 mV/m.
Run of the polar cap magnetic activity during substorms is mainly controlled by
level of the solar wind energy income, but not by the substorm development.
49
Характер изменения PCN и PCS индексов при вариациях Bz и By
компонент ММП
Величина PCN и PCS индексов определяется прежде всего южной компонентой ММП.
Индексы хорошо согласуются, когда влияние Вz<0 является преобладающим..
Когда южная Bz приближается к нулю или меняется на северную, влияние Ву компоненты
становится преобладающим, и величины PCN и PCS индексов начинают различаться,
при этом PC индекс в летней полярной шапке доминирует, при этом эффект Bу
50
компоненты меняет знак при обращении знака Ву компоненты ММП.
Соотношение между величинами PC индекса на фазах роста и
экспансии периодически повторяющихся магнитных возмущений
Средняя величина РС индекса на фазе
экспансии (PCexp) в случае рекуррентных
бухтообразных возмущений
пропорциональна величине РС индекса на
фазе роста (PCgro) (коэффициент
корреляции 0.66), хотя в целом PCexp на 2.7
mV/m выше, чем PCgro.
Поскольку величина РС индекса определяется
электрическим полем Em, это означает, что
поле Em эффективно воздействует на
магнитосферу на протяжении всего
возмущения, и именно это обстоятельство
определяет рекуррентный характер
магнитных возмущений в авроральной зоне
(в противоположность кратковременному
воздействию Em в случае изолированных
суббурь).
51
Соотношение между временем наблюдения максимальной величины РС
индекса и временем максимальной интенсивности периодически
повторяющегося бухтообразного возмущения
Время наблюдения максимальных значений РС
индекса (dTPCmax) и максимальной
интенсивности возмущения в авроральной
зоне (dTALmax) отсчитывалось от незапного
начала магнитного возмущения. Если РС
индекс достигал максимума перед внезапным
началом, временная задержка бралась с
отрицательным знаком.
Результат:
Нет очевидной временной связи между
максимумальной интенсивностью суббури и
появлением максимума в РС индексах
(R=0.14 - 0.3).
Активность в полярных шапках может
достигать максимума как после, так и перед
максимумом суббури.
Вывод:
Магнитная активность в полярных
шапках не является прямым
следствием суббури, но представляет
явление, независимое от суббури.
52
Вариация отношений усреднённых величин PC/Em и PC*100/AL в ходе
магнитного возмущения
Согласно методике расчёта РС индекса, отношение PC/Em должно быть равным 1, несоответствие
между величинами Em и PC можно рассматривать как эффект воздействия магнитного возмущения в
авроральной зоне на магнитную активность в полярных шапках.
Oба отношения PC/Em и PC*100/AL показывают незначительное отклонение от 1 на фазе роста и на
фазе экспансии аврорального возмущения: после момента T=0 усреднённый РС индекс превышает
величину усрёднённого поля Em на 10-15%, а величина PC*|AL|/100 падает ниже уровня РС на те же
10-15%. На фазе роста, перед моментом T=0, имеет место обратное соотношение.
Именно эти отклонения определяют максимальный эффект (~15% от величины РС индекса)
53
возможного воздействия магнитного возмущения в авроральной зоне на величину РС индекса.
Statistical relationship between the storm parameters
and PC(EKL) values
To derive the statistical relationships between Dst and the mean PC (EKL)
values two sets of the averaged PC and EKL quantities were calculated.
In the first set, the quantities PC(growth) and EKL (growth) were averaged over
the growth phase duration (the interval from the time T=0 to the time of the
peak Dst value). Quantities EKL(growth) and PC(growth) were compared
with Dst(peak).
Since the moment of the firm descent of EKL or PC quantities below the
threshold level ~ 2mV/m approximately corresponds to transition from the
damping phase to the recovery phase, we determined the value of Dst
observed in moment, when EKL or PC firmly descend below 2 mV/m, as a
magnetic field depression, corresponding to transition from the dumping
phase to the recovery phase (Dst(trans)).
In the second set, the quantities PC(damp) and EKL(damp) were averaged over
the damping phase duration (the interval from the time of the minimal Dst
value to the time of the final descent of the PC (EKL) quantities below the
threshold level ~ 2 mV/m). Quantities PC(damp) and EKL(damp) were
54
compared with Dst(trans).