ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТОКОВ И ПОЛЯРНЫХ ШАПОК В ИОНОСФЕРАХ ДВУХ ПОЛУШАРИЙ ВО ВРЕМЯ ГЕОМАГНИТНОЙ БУРИ 17 АВГУСТА 2001 Г.
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Метод ТИМ (техника инверсии магнитограмм), разработанный в ИСЗФ СО РАН более сорока лет назад, до недавнего времени применялся только для Северного полушария Земли. В последние годы метод был усовершенствован и расширен для выполнения мгновенных расчетов двумерных распределений электрических полей, горизонтальных и продольных токов сразу в двух полярных ионосферах. Расчеты выполнялись на основе базы одноминутных данных наземных геомагнитных измерений мировой сети станций обоих полушарий (SuperMAG). В данной работе расширенный метод использован в приближении однородных проводимостей ионосфер и впервые апробирован в расчетах систем эквивалентных и продольных токов в двух полушариях на примере геомагнитной бури 17 августа 2001 г. Получен основной и принципиально важный результат: модернизированный метод ТИМ-ИСЗФ обеспечивает расчет крупномасштабных распределений ионосферной конвекции и продольных токов в северной N и южной S полярных ионосферах с высокой степенью ожидаемого межполушарного подобия этих распределений. На примере избранного события установлено, что полученные расширенным методом системы эквивалентных и продольных токов показывают ожидаемую динамику авроральных электроструй и полярных шапок в двух полушариях. Изменения интенсивностей токов Холла в полярных шапках и авроральных электроструях, рассчитанных из эквивалентной токовой функции, происходят достаточно синхронно в N- и S-полушариях в течение всей магнитной бури. При этом обе (западная и восточная) электроструи N-полушария заметно интенсивнее соответствующих электроструй S-полушария, а ток Холла в северной полярной шапке почти вдвое сильнее, чем в южной. Эта межполушарная асимметрия обусловлена, по-видимому, сезонным ходом проводимости, который в неявном виде содержится в токовой функции. На основе распределений продольных токов были определены границы авроральных овалов и рассчитаны магнитные потоки через полярные шапки в N- и S-полушариях. Эти магнитные потоки совпадают с точностью ~5 % и в ходе магнитной бури изменяются почти синхронно. При этом в N-полушарии магнитный поток в утренней части полярной шапки больше, чем в ее вечерней части, а в S-полушарии — наоборот. Эти асимметрии (утро–вечер и межполушарная) в полярных шапках согласуются с теорией пересоединения для ММП By>0 и со спутниковыми изображениями овалов полярных сияний; обе указанные асимметрии уменьшаются в ходе развития взрывной фазы суббури.

Ключевые слова:
токовая функция, ионосферная конвекция, полярная шапка, авроральные электроструи, продольные токи, магнитные бури и суббури, асимметрия утро–вечер, межполушарная асимметрия
Текст
Текст произведения (PDF): Читать Скачать
Список литературы

1. Akasofu S.I. Physics of Magnetospheric Substorms. Dordrecht, Holland, Springer Netherlands, 1977, 617 p. DOI:https://doi.org/10.1007/978-94-010-1164-8_1.

2. Axford W.I. Viscous interaction between the solar wind and the Earth’s magnetosphere. Planet. Space Sci. 1964, vol. 12, no. 1, pp. 45-53. DOI:https://doi.org/10.1016/0032-0633(64)90067-4.

3. Axford W.I., Hines C.O. A unifying theory of high-latitude geophysical phenomena and geomagnetic storms. Can. J. Phys. 1961, vol. 39, no. 10, pp. 1433-1464. DOI:https://doi.org/10.1139/p61-172.

4. Bazarzhapov A.D., Matveev M.I., Mishin V.M. Geomagnitnye variatsii i buri [Geomagnetic Variations and Storms]. Novosibirsk, U.S.S.R., Nauka Publ. 1979, 248 p. (In Russian).

5. Boström R. Ionosphere-magnetosphere coupling. Magne-tospheric Physics. Ed. by B.M. McCormac, D. Reidel. Publishing Company, Dordrecht-Holland, 1974, pp. 45-59.

6. Cattell C., Dombeck J., Preiwisch A., Thaller S., Vo P., Wilson III L.B., et al. Observations of a high-latitude stable electron auroral emission at ~16 MLT during a large substorm. J. Geophys. Res. 2011, vol. 116, no. A7, A07215. DOI:https://doi.org/10.1029/2010ja016132.

7. Chapman S., Bartels J. Geomagnetism. Vol. 1-2. Great Britain, Oxford University Press, 1940, 1125 p.

8. Coley W.R. Spatial relationship of field-aligned currents, electron precipitation, and plasma convection in the auroral oval. J. Geophys. Res. 1983, vol. 88, no. A9, pp. 7131-7141. DOI:https://doi.org/10.1029/JA088iA09p07131.

9. Cowley S.W.H. Magnetospheric asymmetries associated with the y-component of the IMF. Planet. Space Sci. 1981, vol. 29, no. 1, pp. 79-96. DOI:https://doi.org/10.1016/0032-0633(81)90141-0.

10. Cowley S.W.H., Lockwood M. Excitation and decay of solar-wind driven flows in the magnetosphere-ionosphere system. Ann. Geophys. 1992, vol. 10, pp. 103-115.

11. Coxon J.C., Milan S.E., Anderson B.J. A Review of Birkeland Current Research Using AMPERE. Electric Currents in Geospace and Beyond. Ed. by A. Keiling et al. Hoboken, New Jersey, USA, Wiley-AGU, Geophysical Monograph Ser., 2018, vol. 235, pp. 259-278. DOI:https://doi.org/10.1002/9781119324522.ch16.

12. Deng Y., Lu G., Kwak Y.-S., Sutton E., Forbes J., Solomon S. Reversed ionospheric convections during the November 2004 storm: Impact on the upper atmosphere. J. Geophys. Res. 2009, vol. 114, no. A7, A07313. DOI:https://doi.org/10.1029/2008ja013793.

13. Dungey J.W. Interplanetary magnetic field and the auroral zones. Phys. Rev. Lett. 1961, vol. 6, no. 2, pp. 47-48. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.6.47.

14. Fukushima N. Electric current systems for polar substorms and their magnetic effect below and above the ionosphere. Radio Sci. 1971, vol. 6, no. 2, pp. 269-275. DOI:https://doi.org/10.1029/RS006i002p00269.

15. Fukushima N. Generalized theorem for no ground magnetic effect of vertical currents connected with Pedersen currents in the uniform-conductivity ionosphere. Report of Ionosphere and Space Research in Japan. 1976, vol. 30, no. 1-2, pp. 35-40.

16. Gjerloev J.W. The SuperMAG data processing technique. J. Geophys. Res. 2012, vol. 117, no. A9, A09213. DOI: 10.1029/ 2012ja017683.

17. Haaland S., Runov A., Forsyth C. (Eds.). Dawn-Dusk Asymmetries in Planetary Plasma Environments. Hoboken, New Jersey, USA, Wiley-AGU, 2017, 361 p. (Geophysical Monograph Ser., vol. 230).

18. Heelis R.A. Advances in Understanding Ionospheric Convection at High Latitudes. Magnetosphere-Ionosphere Coupling in the Solar System. John Wiley & Sons, Inc., 2016, pp. 49-59. DOI:https://doi.org/10.1002/9781119066880.ch4.

19. Heikkila W.J. Earth’s Magnetosphere: Formed by the Low-Latitude Boundary Layer. Amsterdam, Elsevier Science, 2011, 536 p. DOI:https://doi.org/10.1016/B978-0-444-52864-3.10012-7.

20. Iijima T., Potemra T.A. Large-scale characteristics of field-aligned currents associated with substorms. J. Geophys. Res. 1978, vol. 83, no. A2, pp. 599-615. DOI:https://doi.org/10.1029/JA083iA02p 00599.

21. Kamide Y., Matsushita S. Simulation studies of ionospheric electric fields and currents in relation to field-aligned currents. 1. Quiet periods. J. Geophys. Res. 1979, vol. 84, no. A8, pp. 4083-4098. DOI:https://doi.org/10.1029/JA084iA08p04083.

22. Kamide Y., Richmond A.D. Ionospheric conductivity dependence of electric fields and currents estimated from ground magnetic observations. J. Geophys. Res. 1982, vol. 87, no. A10, pp. 8331-8337. DOI:https://doi.org/10.1029/JA087iA10p08331.

23. Kamide Y., Baumjohann W. Magnetosphere-ionosphere coupling. Berlin, Springer Berlin Heidelberg, 1993, 178 p. DOI:https://doi.org/10.1007/978-3-642-50062-6.

24. Karavaev Y.A., Mishin V.M., Pu Z. Events of 17 August 2001. I. Development of the loading-unloading phase during the storm. Solar-Terr. Phys. 2011, no. 19, pp. 55-61. (In Russian).

25. Karavaev Y.A., Mishin V.M., Lunyushkin S.B., Sukhbaatar U., Moiseev A.V., Shirapov D.S. Comparison of the boundaries and areas of the polar cap, determined on the basis of magnetogram inversion technique, images of auroras and MHD modeling. Physics of Auroral Phenomena: Proc. XXXVI Annual Seminar, Apatity. Ed. by A.G. Yahnin. Kola Science Centre, Russian Academy of Science, 2013, pp. 29-32. (In Russian).

26. Kern J.W. Analysis of polar magnetic storms. J. Geomag. Geoelectr. 1966, vol. 18, no. 2, pp. 125-131. DOI: 10.5636/ jgg.18.125.

27. Kondratyev A.B., Penskikh Y.V., Lunyushkin S.B. Automated method for determining auroral oval boundaries, based on the magnetogram inversion technique. Baikal Young Scientists’ International School on Fundamental Physics: Proc. of XV Conference of Young Scientists “The Interaction of Fields and Radiation with Matter”. Irkutsk, 11-16 September 2017. Ed. by I.P. Yakovleva. Irkutsk, ISTP SB RAS, 2017, pp. 107-112. (In Russian).

28. Koskinen H.E.J. Physics of Space Storms: From the Solar Surface to the Earth. Dordrecht, Holland, Springer Berlin Heidelberg, 2011, 419 p. DOI:https://doi.org/10.1007/978-3-642-00319-6.

29. Laundal K.M., Haaland S.E., Lehtinen N., Gjerloev J.W., Østgaard N., Tenfjord P., et al. Birkeland current effects on high-latitude ground magnetic field perturbations. Geophys. Res. Lett. 2015, vol. 42, no. 18, pp. 7248-7254. DOI:https://doi.org/10.1002/2015gl065776.

30. Lee L.C., Roederer J.G. Solar wind energy transfer through the magnetopause of an open magnetosphere. J. Geophys. Res. 1982, vol. 87, no. A3, pp. 1439-1444. DOI:https://doi.org/10.1029/JA087i A03p01439.

31. Leonovich A.S., Mishin V.V., Cao J.B. Penetration of magnetosonic waves into the magnetosphere: influence of a transition layer. Ann. Geophys. 2003, vol. 21, no. 5, pp. 1083-1093. DOI:https://doi.org/10.5194/angeo-21-1083-2003.

32. Leontyev S.V., Lyatsky W.B. Electric field and currents connected with y-component of interplanetary magnetic field. Planet. Space Sci. 1974, vol. 22, no. 5, pp. 811-819. DOI:https://doi.org/10.1016/0032-0633(74)90151-2.

33. Levitin A.E., Afonina R.G., Belov B.A., Feldstein Y.I. Geomagnetic variation and field-aligned currents at northern high-latitudes, and their relations to the solar wind parameters. Phil. Trans. R. Soc. Lond. A. 1982, vol. 304, no. 1484, pp. 253-301. DOI:https://doi.org/10.1098/rsta.1982.0013.

34. Longley W., Reiff P., Daou A.G., Hairston M. Conjugate aurora location during a strong IMF by storm. Dawn-Dusk Asymmetries in Planetary Plasma Environments. John Wiley & Sons Inc., 2017, pp. 285-294. DOI:https://doi.org/10.1002/9781119216346.ch22.

35. Lu G., Richmond AD, Emery BA, Reiff PH, de la Beaujardière O., Rich F. J., et al. Interhemispheric asymmetry of the high-latitude ionospheric convection pattern. J. Geophys. Res. 1994, vol. 99, no. A4, pp. 6491-6510. DOI:https://doi.org/10.1029/93ja03441.

36. Lu G., Li W.H., Raeder J., Deng Y., Rich F., Ober D., et al. Reversed two-cell convection in the Northern and Southern hemispheres during northward interplanetary magnetic field. J. Geophys. Res. 2011, vol. 116, no. A12, A12237. DOI:https://doi.org/10.1029/2011ja017043.

37. Lunyushkin S.B., Penskikh Y.V. Diagnostics of the auroral oval boundaries on the basis of the magnetogram inversion technique. Solar-Terr. Phys. 2019, vol. 5, no. 2, pp. 97-113. DOI:https://doi.org/10.12737/szf-51201907.

38. Matveev M.I., Shpynev G.B. Determination of electric fields and field-aligned currents in the magnetosphere on data of geomagnetic variations (high-latitude region). Issledova-niya po geomagnetizmu, aeronomii i fizike Solntsa. [Research on Geomagnetism, Aeronomy and Solar Physics]. 1975, iss. 36, pp. 34-39. (In Russian).

39. Milan S.E., Evans T.A., Hubert B. Average auroral configuration parameterized by geomagnetic activity and solar wind conditions. Ann. Geophys. 2010, vol. 28, no. 4, pp. 1003-1012. DOI:https://doi.org/10.5194/angeo-28-1003-2010.

40. Milan S.E., Clausen L.B.N., Coxon J.C., Carter J.A., Walach M.-T., Laundal K., Østgaard N., Tenfjord P., Reistad J., Snekvik K., Korth H., Anderson B.J. Overview of solar wind - magnetosphere - ionosphere - atmosphere coupling and the generation of magnetospheric currents. Space Sci. Rev. 2017, vol. 206, no. 1, pp. 547-573. DOI:https://doi.org/10.1007/s11214-017-0333-0.

41. Mishin V.M. The magnetogram inversion technique and some applications. Space Sci Rev. 1990, vol. 53, no. 1-2, pp. 83-163. DOI:https://doi.org/10.1007/bf00217429.

42. Mishin V.V. Velocity boundary layers in the distant geotail and the Kelvin-Helmholtz instability. Planet. Space Sci. 2005, vol. 53, no. 1-3, pp. 157-160. DOI:https://doi.org/10.1016/j.pss.2004.09.040.

43. Mishin V.M., Bazarzhapov A.D. Selection of the spectrum of Legendre polynomials approximating the observed Sq-field. Geomagnetic Res. 1966, no. 8, pp. 23-30. (In Russian).

44. Mishin V.M., Popov G.V. On field-aligned currents in the magnetosphere. Issledovaniya po geomagnetizmu, aeronomii i fizike Solntsa. [Research on Geomagnetism, Aeronomy and Solar Physics]. 1969, iss. 8, pp. 3-28. (In Russian).

45. Mishin V.M., Shpynev G.B., Bazarshapov A.D., Shirapov D.S. Electric field and currents in the nonuniformly-conductive high-latitude ionosphere. Issledovaniya po geomagnetizmu, aeronomii i fizike Solntsa. [Research on Geomagnetism, Aeronomy and Solar Physics]. 1981, iss. 53, pp. 116-133. (In Russian).

46. Mishin V.M., Saifudinova T.I., Shirapov D.S., Lunyushkin S.B., Shelomentzev V.V. The analysis of CDAW-6 substorms of 22 March 1979. Issledovaniya po geomagnetizmu, aeronomii i fizike Solntsa. [Research on Geomagnetism, Aeronomy and Solar Physics]. 1984, iss. 68, pp. 151-201. (In Russian).

47. Mishin V.M., Lunyushkin S.B., Shirapov D.S., Baumjohann W. A new method for generating instantaneous ionospheric conductivity models using ground-based magnetic data. Planet. Space Sci. 1986, vol. 34, no. 8, pp. 713-722. DOI:https://doi.org/10.1016/0032-0633(86)90125-x.

48. Mishin V.M., Bazarzhapov A.D., Saifudinova T.I., Lunyushkin S.B., Shirapov D.S., Woch J., et al. Different methods to determine the polar cap area. J. Geomag. Geoelectr. 1992, vol. 44, no. 12, pp. 1207-1214. DOI:https://doi.org/10.5636/jgg.44.1207.

49. Mishin V.M., Block L.P., Bazarzhapov A.D., Saifudinova T.I., Lunvushkin S.B., Shirapo D.Sh., et al. A study of the CDAW 9C substorm of May 3, 1986, using magnetograrn inversion technique 2, and a substorm scenario with two active phases. J. Geophys. Res. 1997, vol. 102, no. A9, pp. 19845-19859. DOI:https://doi.org/10.1029/97ja00154.

50. Mishin V.V., Mishin V.M., Pu Z., Lunyushkin S.B., Sapronova L.A., Sukhbaatar U., Baishev D.G. Old tail lobes effect on the solar wind - magnetosphere energy transport for the 27 August 2001 substorm. Adv. Space Res. 2014, vol. 54, no. 12, pp. 2540-2548. DOI:https://doi.org/10.1016/j.asr.2014.09.013.

51. Østgaard N., Reistad J.P., Tenfjord P., Laundal K.M., Rexer T., Haaland S.E., et al. The asymmetric geospace as displayed during the geomagnetic storm on August 17, 2001. Ann. Geophys. Discuss. 2018, vol. 36, pp. 1577-1596. DOI:https://doi.org/10.5194/angeo-2018-65.

52. Papitashvili V.O., Rich F.J. High-latitude ionospheric convection models derived from Defense Meteorological Satellite Program ion drift observations and parameterized by the interplanetary magnetic field strength and direction. J. Geophys. Res. 2002, vol. 107, no. A8, p. 1198. DOI:https://doi.org/10.1029/2001ja 000264.

53. Papitashvili V.O., Belov B.A., Faermark D.S., Feldstein Y.I., Golyshev S.A., Gromova L.I., Levitin A.E. Electric potential patterns in the northern and southern polar regions parameterized by the interplanetary magnetic field. J. Geophys. Res. 1994, vol. 99, no. A7, pp. 13251-13262. DOI:https://doi.org/10.1029/94ja00822.

54. Pettigrew E.D., Shepherd S.G., Ruohoniemi J.M. Climatological patterns of high-latitude convection in the Northern and Southern hemispheres: Dipole tilt dependencies and interhemispheric comparisons. J. Geophys. Res. 2010, vol. 115, no. A7, A07305. DOI:https://doi.org/10.1029/2009JA014956.

55. Reiff P.H. Models of auroral-zone conductances. Magnetospheric Currents. Ed. by T.A. Potemra. Washington, DC, AGU, 1984, pp. 180-191. DOI:https://doi.org/10.1029/GM028p0180.

56. Richmond A.D., Kamide Y. Mapping electrodynamic features of the high-latitude ionosphere from localized observations: Technique. J. Geophys. Res. 1988, vol. 93, no. A6, pp. 5741-5759. DOI:https://doi.org/10.1029/JA093iA06p05741.

57. Ridley A.J., Lu G., Clauer C.R., Papitashvili V.O. A statistical study of the ionospheric convection response to changing interplanetary magnetic field conditions using the assimilative mapping of ionospheric electrodynamics technique. J. Geophys. Res. 1998, vol. 103, no. A3, pp. 4023-4039. DOI: 10.1029/ 97ja03328.

58. Shirapov D.S., Mishin V.M., Bazarzhapov A.D., Saifudinova T.I. Adapted dynamic model of ionospheric conductivity. Geomagnetism and Aeronomy. 2000, vol. 40, no. 4, pp. 471-475.

59. Sun W., Lee L.C., Kamide Y., Akasofu S.I. An improvement of the Kamide-Richmond-Matsushita scheme for the estimation of the three-dimensional current system. J. Geophys. Res. 1985, vol. 90, no. A7, pp. 6469-6474. DOI:https://doi.org/10.1029/JA090iA07p06469.

60. Tenfjord P., Østgaard N., Snekvik K., Laundal K.M., Reistad J.P., Haaland S., Milan S.E. How the IMF By induces a By component in the closed magnetosphere and how it leads to asymmetric currents and convection patterns in the two hemispheres. J. Geophys. Res:. Space Phys. 2015, vol. 120, no. 11, pp. 9368-9384. DOI:https://doi.org/10.1002/2015ja021579.

61. Tenfjord P., Østgaard N., Strangeway R., Haaland S., Snekvik K., Laundal K.M., Reistad J.P., Milan S.E. Magnetospheric response and reconfiguration times following IMF By reversals. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2017, vol. 122, no. 1, pp. 417-431. DOI:https://doi.org/10.1002/2016ja023018.

62. Weimer D.R. Maps of ionospheric field-aligned currents as a function of the interplanetary magnetic field derived from Dynamics Explorer 2 data. J. Geophys. Res. 2001, vol. 106, no. A7, pp. 12889-12902. DOI:https://doi.org/10.1029/2000ja000295.

63. Weimer D.R. Improved ionospheric electrodynamic models and application to calculating Joule heating rates. J. Geophys. Res. 2005, vol. 110, no. A5, A05306. DOI:https://doi.org/10.1029/2004ja010884.

64. URL: https://omniweb.gsfc.nasa.gov (accessed December 22, 2018).

65. URL: http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/index.html (accessed December 22, 2018).

66. URL: http://supermag.jhuapl.edu (accessed December 22, 2018).

Войти или Создать
* Забыли пароль?