presented by Fairfield et al. [JGR, 1994, 99, 11319] were used for studying statistical connection of the magnetic field with Dst and Kp indices, the dipole tilt angle The relationship of the ionospheric convection reversal to the boundary of hard auroral electron diffuse precipitation
O.A.Troshichev, E.M.Shishkina (Arctic and Antarctic Research Institute, St.Petersburg, Russia)
G.Lu, and A.D.Richmond (National Center for Atmospheric Research, Boulder, Colorado, USA)
Plasma drift and particle measurements from the DMSP spacecraft for the three GEM periods (January 27-29, March 28-29 and July 20-21,1992) containing disturbed and quiet intervals have been used to study the relationship between the plasma convection reversal in the polar regions and poleward boundary of the hard auroral electron diffuse (HAD) precipitation. This boundary is usually regarded as the ionospheric footprint of the border between central plasma sheet (CPS) and the boundary plasma sheet (BPS). On the basis of examination of simultaneous ion drift and particle measurements from about 500 satellite passes we have found that the large-scale plasma flow in the morning and evening sectors changes its direction within the auroral oval at the HAD boundary. Exclusions from this regularity are observed in sector 03-06MLT (in 30% of the crossings), where the convection reversal is sometimes displaced poleward relative to the HAD boundary. It is shown that the shape of the region bordered by the HAD boundary can be roughly presented by a circle, whose size is influenced by the IMF Bz component. There is a linear relationship between diameter of this circle and ionospheric potential, correlation being the best for winter season. Our study suggests that the HAD boundary corresponds to the magnetospheric boundary between the quasi-dipolar region and the region with more stretched field lines, and the source of the region 1 field-aligned current is located near the HAD boundary. A By-dependent shift of the HAD boundary with respect to the noon-midnight meridian is also found.
Alfven wave generation by ionospheric inhomogeneity in the field-aligned current region
A.E.Kozlovsky and W.B.Lyatsky (Polar Geophysical Institute, Apatity)
The problem of the Alfven wave generation over an ionospheric inhomogeneity in the ambient field-aligned current region is solved. It is shown that the field-aligned current of the outgoing Alfven wave appears not only at the boundary but inside the inhomogeneity too. If the ionosphere conductivity increases the additional field-aligned current of the outgoing Alfven wave inside the inhomogeneity is directed along the initial field-aligned current.
For the case of circular inhomogeneity the electric field of outgoing Alfven wave may be presented as a sum of electric fields of two-dimensional dipole, quadrupole and screened monopole. For the case of strip inhomogeneity the electric field of outgoing Alfven wave inside the strip is a sum of homogeneous and linearly-changing electric fields.
Оценка вклада токов магнитосферного происхождения в формирование токовой системы низкоширотной ионосферы
М.В.Белов, А.Г.Колесник, С.С.Королев
(Сибирский Физико-Технический Институт, Томск)В данной работе предпринимается попытка оценить вклад токов магнитосферного происхождения в формирование токовой системы низкоширотной ионосферы с учетом влияния стратифицированных по высоте слоев ионосферных токов друг на друга. Для достижения поставленной цели, используется моделъ электрического поля, разработанная для области средних и низких широт при заданной глобальной системе термосферной циркуляции. В основе этой модели лежит обобщенный закон Ома, связывающий объемную плотность тока j с электростатическим полем E и полем динамо, генерируемым системой термосферных ветров. Для записи системы уравнений модели привлекается дипольная система координат связанная с магнитным полем Земли. В стационарном случае при расмотрении крупномасштабных процессов исходные модельные уравнения удалось привести к уравнению относительно токовой функции, позволяющей описывать долготно-высотные вариации электрических полей и токов в низкоширотной ионосфере, и корректно задать граничные условия.
Анализ полученных уравнений показал, что задание вариаций токовой функции между границами рассматриваемой области, аналогично заданию соответствующей компоненты плотности тока, которую можно трактовать как "внешний" источник электрических токов. Это позволяет исследовать влияние "внешних" (магнитосферных) токов на формирование экваториальной токовой системы.
Приводятся и анализируются три варианта модельных расчетов для периода равноденствия и умеренных гелиогеомагнитных условий. :
(1) источником генерации ионосферных токов является только термосферный ветер;
(2) наряду с ветровым источником учитывается источник магнитосферного происхождения, когда полный продольный ток на полярной границе авроального овала равен 190 кА;
(3) то же, что в варианте 2, но величина продольного тока увеличена в 2 раза.
Показано, что хотя основным источником генерации экваториальной токовой системы являются термосферные ветры, токи магнитосферного происхождения способны вносить существенные (30%) изменения в конфигурацию электрических полей и токов ионосферной плазмы в области экваториальных широт. Влияние магнитосферных источников наиболее существенно в дневные часы (11 LT) в области динамо (100 - 140 км). Обсуждается механизм формирования послезакатного пика в зональной компоненте электрического поля.
Multi-jet structure of magnetospheric convection and formation of discrete auroral arcs
Yu.P.Maltsev, I.V.Golovchanskaya (Polar Geophysical Institute, Apatity)
At least for two reasons the multi-jet model of the magnetospheric convection seems more preferable than the model with continuously drifting plasma. First, it allows to avoid the "convection crisis" noted in [1] and, second, to meet the question: how the "empty" flux tubes of the polar cap are converted into the auroral-zone tubes filled with hot plasma. The answer is: the cold flux tubes are convecting through the almost motionless hot auroral-zone plasma in the form of "bubbles" [2,3] or jets. So far it is difficult to distinguish between these two kinds of the structures but in the case of jets the latter ones could be naturally connected with discrete auroral arcs, since the field-aligned currents flowing at edges of the jets could be responsible for the formation of elongated structures in the regions of the current flowing out of the ionosphere. The following discrete aurora manifestations can be readily interpreted under this assumption:
1) Direction of the convective flow in the jets is opposite for different MLT: the flow is westward in the dusk sector and eastward in the dawn one. Correspondingly the arc is located at the poleward edge of the jet in the dusk and at the equatorward edge in the dawn in agreement with the EISCAT observations [4].
2) The poleward edge of the "empty" flux tubes drifting inside a jet is rather stable whereas their equatorward edge is subjected to the interchange instability. Hence we can see why the arcs in the dusk sector are more regular and long-living.
3) The jets flow out of the polar cap at the nightside. A discontinuity between the dayside and nightside parts of the auroral oval must exist. Such a discontinuity has been really observed.
4) If motion in the jets, relative to the hot background plasma, is driven by the buoyancy force [2] the discrete auroral arcs can be formed only in the region of the closed magnetic field lines. This is in agreement with a high level of arc conjugancy under quiet conditions and disappearance of the arcs in the polar cap at the substorm growth stage, when the polar cap magnetic field lines turn open.
5) Curl and vortex structures which are often observed in discrete auroras can be interpreted in terms of the Kelvin-Helmholtz instability developing at edges of the jets.
References
1. Erickson G.M., Wolf R.A. Is the steady convection possible in the Earth's magnetotail? Geophys. Res. Lett., 7, p.897, 1980.
2. Pontius D.H., Wolf R.A. Transient flux tubes in the terrestrial magnetosphere. Geophys. Res. Lett., 17, p.49, 1990.
3. Chen C.X., Wolf R.A. Interpretation of high-speed flows in the plasma sheet. J. Geophys. Res., 98, p.21409, 1993.
4. Timofeev E.E., Vallinkoski M.K., Kozelova T.V., Yahnin A.G., Pellinen R.J. Systematics of arc-associated electric fields and currents as inferred from radar backscatter measurements. J. Geophys., 61, p.122, 1987.
MHD model of FTE in compressible plasma
V.S.Semenov, O.A.Drobysh (Institute of Physics, State University St.Petersburg, St.Petergof 198904, Russia)
M.F.Heyn (Institut fur Theoretische Physik, Technische Universitat Graz, Petersgasse 16, A-8010 Graz, Austria)
We present here a simple model of three-dimensional time-dependent Petschek-type reconnection where effect of surface waves is neglected. Reconnection is assumed to be caused by a local enhancement of the electrical resistivity in the diffusion region. Then, current sheet has to decay into a system of large-amplitude MHD waves, propagating outward from the reconnection line and producing disturbances in the surrounding media. We can find system of MHD discontinuities, their shapes in course of time and MHD parameters inside all regions between different discontinuities. It can be seen that in complicated structure of MHD discontinuities during switch-off phase the most part of the boundary of the outflow region is tangential discontinuity rather than shocks, as it was for the steady-state case or switch-on phase of reconnection. The model is applied for the case of reconnection at the magnetopause, so-called, FTEs and for magnetospheric substorm.
Cross-polar cap diameter and voltage as a function of PC-index and interplanetary quantities
E.M.Shishkina, O.A.Troshichev (Arctic and Antarctic Research Institute, St.Petersburg)
Measurements of precipitating particles and electric field on board EXOS-D spacecraft in January-June, 1990 and Viking spacecraft in April-May, 1986 have been used for estimation of diameter of the polar cap along the dawn-dusk meridian and polar cap voltage. The features of the diffuse ion and electron background precipitation have been taken into account to identify the polar cap boundaries. The data on the polar cap boundary location obtained for different geophysical conditions have been used to derive the statistical relationship between the polar cap diameter and PC-index. The analysis has shown approximately linear relationship between the polar cap diameter and PC-index for values PC < 3, the diameter being tended to asymptote when PC-index reaches large positive values. Cross-polar cap voltage derived from EXOS-D data isin a good correlation with interplanetary quantities including the IMF southward component. The best correlation is obtained for the merging electric field vB sin q/2, with coefficient of corr
elation higher than 0.82. Almost the same correlation is observed between polar cap voltage and PC-index. The effect of "saturation" is not traced in the voltage dependencies on PC-index and interplanetary quantities up to values /Bz/ѕ10 nT.
Морфология вторжений энергичных протонов в области полярной шапки
Н.П.Дмитриева, Т.В.Мирошникова, А.Г.Яхнин (Полярный геофизический институт, Апатиты)
По данным низковысотных спутников исследована морфология области высыпаний энергичных (30-80 kev) протонов на широтах полярных шапок (выше 80 градусов) и зависимость вероятности их появления в утреннем и вечернем секторах MLT от знака азимутальной компоненты ММП. Получены следующие результаты.
Высыпания энергичных протонов на широтах >80 градусов в подавляющем большинстве случаев являются непрерывным продолжением таких высыпаний из авроральной зоны (80%) и лишь в 20% случаев пространственно изолированы от нее. В 70% случаев энергичные протоны наблюдаются в этой области при Bz ММП >0. В южном полушарии вероятность
наблюдения изучаемого явления больше в утреннем секторе при Ву>0, в вечернем - при Ву<0. В северном полушарии вероятность больше в вечернем секторе при Ву>0 и примерно одинакова в обоих секторах при Ву<0. Граница протонных высыпаний в южном полушарии располагается полярнее в утреннем секторе при Ву>0, в вечернем секторе - при By<0. В северном полушарии наблюдается обратный сдвиг.На основании полученных результатов сделаны следующие выводы:
- морфология области высыпания энергичных протонов и зависимость вероятности их появления от знака азимутальной компоненты ММП аналогична таковым для сияний полярной шапки.
- наиболее вероятной областью локализации источника этих высыпаний (а также, возможно, сияний полярной шапки) является плазменный слой магнитосферы.
DEPENDENCE OF THE CUSP LATITUDE ON VARIOUS PARAMETERS
A.A.Ostapenko, Yu.P.Maltsev (Polar Geophysical Institute, Apatity)
More than 13,000 three-component magnetic measurements at the distances from 3 to 10 presented by Fairfield et al. [JGR, 1994, 99, 11319] were used for studying statistical connection of the magnetic field with Dst and Kp indices, the dipole tilt angle
(1)
where Dst and IMFz are in nT, and p in nPa. Every fraction in (1) presents a normalized value of the corresponding parameter, the second term in the numerator being the average magnitude of the parameter, the denominator being the dispersion. The positive tilt angle y corresponds to the summer conditions. Expression (1) shows that Dst index gives the most contribution to the cusp variation, which evidences the important role of the cross-tail current because the ring current is unlikely to affect the cusp position significantly. Dependence of the cusp latitude on Kp and IMFz is probably due to the effect of region 1 Birkeland currents. The cusp on the magnetopause is located in average at r = 10.6
at the latitude of 39.1° .
Влияние плазменного слоя на величину конвекции в высоких широтах при южном направлении ММП
Б.В.Реженов (Полярный геофизический институт, Апатиты)
При южном направлении ММП величина электрического поля утро-вечер в полярной шапке E
i=VswBsw(Bi /Bsw)1/2, где Vsw и Bsw-скорость солнечного ветра и величина южного ММП, Bi-магнитное поле в ионосфере, а соответствующая разность потенциалов D U1=2Ei r, где r- радиус полярной шапки. Полагая Vsw= 400 км/с, Bsw= -5 нТл, r=1650 км (15° ), Bi=5ґ 104 нТл, получим D U1= 660 кВ, что при взятых параметрах в 7 раз превышает наблюдаемую разность потенциалов. Обычно такое расхождение объясняют частичным проникновением ММП в магнитосферу.Рассмотрим горячие частицы плазменного слоя. В неоднородном геомагнитном поле они дрейфуют вдоль линий B=const, протоны к вечерней, а электроны - к утренней сторонам магнитосферы. Линии B=const при L<10 замкнуты, а при L>10 выходят на магнитопаузу. Следовательно, при L>10 на утренней стороне магнитосферы в результате дрейфа частиц возникает избыток электронов (протоны уходят, а электроны приходят), а на вечерней стороне наоборот - избыток протонов. Избыточные заряды снимаются продольными токами, замыкающимися в ионосфере.
Распределение потенциала в ионосфере находится численным решением уравнения div(J
i+Jm) = 0, где Ji = S pEi и Jm = eVgN- линейная плотность токов в ионосфере и магнитосфере, Ei- электрическое поле в ионосфере, Vg-скорость дрейфа частиц вдоль линий B=const и N=0,5 nL4RE- число горячих частиц в силовой трубке между ионосферой и экваториальной плоскостью магнитосферы. При существующих в плазменном слое концентрациях и скоростях дрейфа частиц, в полярной шапке возникает электрическое поле вечер-утро, а разность потенциалов поперек полярной шапки D U2=-480 кВ. Таким образом суммарная разность потенциалов в полярной шапке D U=D U1+D U2 @ 180 кВ, величина близкая к наблюдаемой.Величина
D U2 возрастает с увеличением скорости частиц вдоль линий B = const (т.е., с увеличением энергии частиц). Если предположить, что энергия частиц увеличивается к концу подготовительной фазы суббури, то может возникнуть ситуация, когда D U1 @ Ѕ D U2 Ѕ и электрическое поле как на ночной так и на дневной сторонах аврорального овала будет близко к нулю. Такое явление (фединг) действительно наблюдается за 5-10 мин. до брейкапа.Таким образом, учет дрейфа горячей плазмы вдоль линий B=const приводит к следующим выводам:
1.Степень проникновения южного ММП в магнитосферу > 0,5.
2.Возникновение фединга за ~10 мин до брейкапа суббури может быть связано с увеличением скорости дрейфа горячих частиц в плазменном слое вдоль линий B=const во время подготовительной фазы суббури и соответствующим увеличением электрического поля вечер-утро в полярной шапке.
The problem of field-aligned currents reconstruction
E.Shishkina, A.Kotikov (Arctic and Antarctic Research Institute, St.Petersburg, Russia)
M.Persson (Upsala department of IRF, Upsala, Sweden)
On the base of EISCAT cross chain of magnetometers the density of ionospheric currents were calculated. The comparison of them with auroral image obtained by Viking shows a good spatial correspondence. The motions of electrojets give us a possibility to estimate the east-west component of ionospheric electric field. The values of this component were confirmed by EISCAT electric field measurements. The measurements of precipitating electrons on board The Viking satellite were used to calculate ionospheric Hall and Pedersen conductivities. Therefrom we can estimate field-aligned currents. To prove the correctness of this methodics we consider in detail the event on April 9, 1986 for which satellite data on field-aligned currents are available.
This work is supported by the Grant N 95-05-15327a from the Russian Foundation of Fundamental Investigations.
Механизм передачи атмосфере момента импульса от солнечного ветра
П.Ф.Крымский (Институт космофизических исследований и аэрономии, г.Якутск)
В [1] предложен механизм передачи момента импульса магнитосфере от солнечного ветра в МГД приближении. В докладе этот механизм рассматривается на основе движения отдельных частиц плазмы [2]. Рассеяние протонов солнечного ветра на магнитопаузе создает передачу момента импульса магнитосфере, который вращением долей хвоста передается в ионосферу и атмосферу, приводя их во вращение вокруг геомагнитного полюса в восточном направлении. Протоны солнечного ветра после отражения от хвоста отклоняются от радиального течения от Солнца. Момент импульса системы солнечный ветер - атмосфера сохраняется. Магнитосфера получает вращательный момент 10
23динґ см. Рассмотрено возможное воздействие механизма на атмосферные процессы.1. Крымский П.Ф. Геомагнетизм и аэрономия. 1993. т.33. N3.С.7.
2. Крымский П.Ф. Возможный механизм влияния солнечного ветра на атмосферные и геофизические процессы и вращение Земли. Препринт ИКФИА 94-2(42), Якутск 1994.
Вариации геомагнитной активности в период прохождения метеорных потоков
В.А.Шафтан, А.М.Андреев, И.Н.Васильев
(Институт Космофизических исследований и аэрономии, Якутск)Исходя из предположения о том, что пыль метеорных потоков влияет на солнечный ветер и как следствие на геомагнитную активность, сравнивались геомагнитная активность, параметры солнечного ветра и периодические метеорные потоки. Периодические метеорные потоки пересекают орбиту Земли каждый год в одни и те же дни, поэтому данные геомагнитной активности (среднесуточный Кр-индекс) и параметры солнечного ветра осреднялись по календарным дням года. Для устранения влияния случайных факторов осреднены данные за 22 года (1966-1988 гг.). Достаточно надежно прослеживаются изменения Кр-индекса в периоды прохождения потоков. При прохождении метеорного потока среднесуточное значение Кр-индекса уменьшается, но наблюдаются минимумы Кр-индекса в отсутствие метеорных потоков по астрономическому календарю.
The relationship between interplanetary and magnetospheric disturbances on data of correlated IMF, cosmic ray and geomagnetic measurements
V.S.Smirnov, V.S.Ismagilov, E.V.Vashenyuk (Polar Geophysical Institute, Apatity, Russia)
H.Kananen, K.Mursula, P.Tanskanen (University of Oulu, Oulu, Finland)
A study of relationship between the geomagnetic activity and structural features of large-scale heliospheric disturbances: shock wave, magnetic cloud, etc. is of great interest nowadays.
This paper investigates the relationship between parameters of disturbed solar wind inside the interplanetary shock wave and the high-latitude geomagnetic activity. Data of correlated variations of the IMF, cosmic rays and geomagnetic field at stations of Scandinavian and Alaskan regions have been analyzed. It is shown that quasiperiodic geomagnetic variations of ~40 min periods at auroral stations are related with similar variations of the IMF Bz component. The disturbances of magnetosonic polarization seem to be not effective in production of geomagnetic variations.
Result of the mapping of the travelling convection vortices (TCVs) from the ionosphere to the magnetosphere
A.G.Yahnin (Polar Geophysical Institute, Apatity)
This report presents a review of two recent papers related to the mapping of the TCVs to the magnetosphere [1, 2]. In those papers we re-examined the published TCV events for which the location of of the vortices' centers could be determined. To map the TCVs from the ionosphere to the magnetosphere the location of the TCV centers was compared with the location of the particle precipitation boundaries determined from the low-altitude satellite measurements. The main result is that the TCVs map to the plasma sheet, but not to the LLBL as it is generally suggested.
References
1. Yahnin A.G., V.G.Vorobjev, T.Bosinger, R.Rasinkangas, D.G.Sibeck, P.T.Newell. On the source region of the travelling convection vortices. Submitted to Geophys. Res. Lett., 1996.
2. Yahnin A. and T.Moretto. Travelling convection vortices in the magnetosphere map to the plasma sheet. Submitted to Annales Geophysicae, 1996.