To the memory of Michail Pudovkin, Sveta Zaitceva, Yury Maltsev STORM-SUBSTORM RELATIONS L. Lazutin / SINP/ - презентация

1 To the memory of Michail Pudovkin, Sveta Zaitceva, Yury Maltsev STORM-SUBSTORM RELATIONS L. Lazutin / SINP/

2 Storms and substorm are certainly related, because the source of energy is the same ( solar wind). Суббури и бури питаются от общего источника энергии - Are storm- substorms different? And how? Чем отличаются штормовые суббури? - Are substorm activities important for the magnetic storm development? And how? Каков вклад суббурь в развитие мировых бурь? - The importance of Dst. Other storm signatures. Является ли Dst главным индексом бури? - Conclusion Заключение

3 Three types of magnetic activity Три класса магнитной активности - Permanent activity Outer magnetosphere Polar cap minutes - Перманентная Внешняя мсф. Шапка минуты -Substorm activity Quasi-trapping region Hours - Суббури Область квазизахвата Авр. зона Часы - Global Magnetic storms Inner magnetosphere Days Магнитные бури Внутренняя мсф. Дни

4

5

6 Troitsk, Moscow region

7 Shafer Institute of Cosmophysical Research and Aeromony, Yakutian Scientific Center, Siberian Division, RAS

8 Storm- substorms Изменение наклона силовой линии после брейкапа

9

10

11

12

13

14 Magnetic storms generated by interplanetary magnetic clouds are often found to lack classical substorm expansion phases. The typical auroral dynamical features at the peak of storm main phases are north-south aligned patches having physical sizes of ~15 deg longitude by ~ 5 deg latitude. The patches only last ~3 to 6 min (Tsurutani). В магнитных бурях вызванных межпланетными магнитными облаками суббуревая активность идет без фазы экспансии - есть лишь активизации в виде отрезков N-S дуг длительностью 3-6 минут.

15 Storm-substorms Суббури во время бури 1. Main features are similar to ordinary substorms. Основные свойства те же, что и у обычных суббурь 2. Equatorial boundary is shifted to middle latitudes, while polar boundary may move to lower or higher latitudes Экваториальная граница сияний сдвинута к средним широтам, полюсная граница может сдвигаться на более низкие или более высокие широты. 3. Effects of enhanced loading. Saw-tooth type of substorms introduced. Влияние мощной загрузки. Выявлен новый вид рекурентных суббурь "зубья пилы" 4. Unusual SC-substorm registered Необычная суббуря наблюдалась во время SC.

16

17

18 Two types of SW structures starting magnetic storms Два типа структур СВ, ответственных за магнитные бури

19 tModerate storms (Dst nT) Умеренные бури Strong storms (Dst nT) Сильные бури Double-storms Двойные бури SC Initial phase Начальная Main phase Главная Recovery Восстановления

20 Statistical analysis of over 1200 storms in which Dst attained values < 100 nT, Kamide et al. [1998] shows that more than half were double-dip storms. Более половины сильных бурь имеют двойную структуру. The intensity of a storm typically depends not on the form of Dst but on the strength of the southward IMF B z (and hence of the magnetospheric convection electric field) and also on the duration of the southward IMF B z [e.g., Tsurutani and Gonzalez, 1997; Yokoyama and Kamide, 1997]. Мощность бурь зависит от величины и от продолжительности южной Bz

21

22 Пудовкин и Зайцева, 1965 Pudovkin and Zaitseva, 1965 STORM-SUBSORM PROBLEM ПРОБЛЕМА БУРИ- СУББУРИ STORM-SUBSORM PROBLEM ПРОБЛЕМА БУРИ- СУББУРИ

23 Yakutsk chain of magnetometers

24 The relative contribution of different sources to Dst has recently become a point of controvercy. Analysis of the temporal behavior of the Dst variation indicates that the contribution of the partial ring current to Dst is not large as compared to that of the magnetotail current system. (Maltsev) Alexeev et al. with the use of the paraboloid magnetospheric model found that the contribution of the magnetotail current system to Dst can exceed that of the symmetrical ring current. Вклад в Dst токов хвоста магнитосферы может быть больше, чем частично-кольцевого тока и симметричного кольцевого тока. Ю.П. Мальцев, Алексеев и др.

25 Magnetopause Магнитопауза Ring current Кольцевой ток Tail current (+aur.r) Токи хвоста (+з.с.) Dst measured and model Dst изм. и модель Alexeev et al, 2004

26 Substorms are not a necessary to cause the growth of the storm- time depression. The depression growth can be easily explained through accumulation of the high-latitude magnetic flux in the course of the flux transport to the nightside under the southward IMF. Storms and strong substorms seem to be unrelated phenomena just having a common cause: the southward IMF. Yu. Maltsev Суббури не необходимы для роста депресcии Dst. Ее можно обЪяснить переносом с дневной стороны и накоплением в хвосте магнитного потока при южной компоненте ММП. Суббури и бури- явления не связанные, лишь имеющие общий источник - южное ММП. Ю.П. Мальцев

27 There are several models predicting the time history of Dst as a function of solar wind coupling appeared to be remarkably accurate, and they do not involve any measure of substorm activity Moreover, Iyemory [1994] and Iyemory and Rao [1996] demonstrated that the storm time depression grows at the substorm growth phase only. After the expansion onset some weakening of the depression occurs. Замечательно точные модели временного хода Dst основаны только на параметрах СВ, без учета суббурь. В работах Иемори показано, что депрессия Dst растет только на подготовительной фазе, а с началом экспансии слегка ослабевает.

28

29 Iemori effect can be explained as a substorm field-align current addition to Dst (Kamide). Эффект Иемори - вклад продольных токов в Dst

30 Sun and Akasofu [2000] showed that the Dst index is much better correlated with substorm related field- aligned current index, AF (k=0.93). Сан и Акасофу ввели индекс продольных суббуревых токов, который отлично коррелирует с Dst-индексом.

31 Ring current contribution to Dst is prevailing only during recovery phase. On the main phase contribution of the magnetopause current, magnetotail and auroral zone currents (including substorm current wedge) are also important. Dst индекс адекватно отражает мощность кольцевого тока только на стадии восстановления. На главной фазе Dst включает также токи на магнитопаузе, в хвосте и авроральной зоне, включая токовый клин суббури. Most of the storm-substorm studies discuss substorms influence on Dst, what about ring current particles? Обычно изучают влияние суббурь на формирование кольцевого тока. Что известно о носителях тока?

32

33

34 Access of 10- to 200-keV ions to L ~ may occurs due to the combined magnetic and ExB drift in enhanced convection electric field from the nightside plasma sheet or by radial diffusion from the impulsive electric field enhancements. Diffusive transport is more important for the longer and more intense storms, and for high-energy ions. Перенос ионов ( кэВ) на L ~ может быть связан с ЕхВ дрейфом при усиленном полем конвекции и с радиальной диффузией на импульсах электрического поля.

35 WHAT INFLUENCE ON RING CURRENT FORMATION #1 large-scale storm time enhanced convection + #2 Growth phase substorm convection- inseparable from #1 #3 Substorm injection (induced E field) #4 SC-induced E-field 1 Крупномасштабная усиленная конвекция 2 Конвекция подготовительной фазы суббури - не отделить от 1 3 Индукционное поле инжекции (диполизации) суббури 4 Индукционное поле импульса поджатия SC

36

37 SUBSTORMS - RING CURRENT FORMATION version #1 - both the dayside compression and nightside collapse of the magnetic field have very little influence on the development of a stormtime ring current. [Wolf et al.] - There is not much (if any) systematic influence on ion in the E

38 Version #2 One of the most important evidence of the substorm - ring current close relation was finding that ionospheric O+ ions, are often dominant ions in the storm-time ring current belt. - O+ are associated with the upward field-aligned currents during substorms and threfore ions injection into the ring current during substorms is evident. - Intense large-scale electric field during dipolarization brought far more ions into the ring current than either convection or substorms could do alone. [Fok et al., Ganushkina et al] -Важным подтверждением связи суббурь с кольцевым током явилось обнаружение в нем больших потоков ионов О+ ионосферного происхождения. -Только суббуревая активность может обеспечить их появление в кольцевом токе. - вместе поле конвекции и диполизации доставляют много больше ионов в кольцевой ток, чем каждое из этих полей отдельно.

39 Ganushkina et al Importance of thelow, middle and high-energy protons Вклад протонов разных энергий в формирование кольцевого тока

40 Magnetic storm can be described as a long lasting deviation of the magnetosphere from the normal, quiet condition on three directions: configuration, current systems (Dst) and particle population. Distortion of the configuration is a leading process during the main phase. Magnetospheric boundaries motion during magnetic storms.

41 Earthward shift of the auroral oval boundary went before the Dst during storm main phase Смещение к Земле границ овала сияний опережает рост кольцевого тока на главной фазе бури Менг, 1984

42

43

44

45

46 Conclusion 1. Storm-substorm relations are unlike for different storm phases. 2. On SSC fast change of the magnetosphere configuration and particle injection to the inner magnetosphere proceed simultaneously but independently on the current substorm activity. Possibly previous substorm activity is important. SC-substorms may differ greatly from ordinary substorms. 3. During the main storm phase Dst-index cannot be considered as a true representation of the processes in the magnetosphere. Substorms (along with the solar wind pressure) are responsible for the dynamics of the boundaries (QTR, auroral zone, inner plasmasheet). Substorm induced electric fields may be important for the ring current formation. Substorm accelerated particles are important for the development of the partial (asymmetric) ring current. Substorms during the main storm phase are in general similar to ordinary substorms but differ by location, intensity and some other features. 4. During storm recovery phase substorm activity is not important for the processes of the ring current decrease and magnetospheric reconfiguration. Выводы 1. Связь бурь и суббурь разная на разных фазах магнитной бури. 2. Во время SC и суббуря происходят одновременно с быстрыми изменениями конфигурации магнитосферы и с процессом инжекции частиц во внутреннюю магнитосферу, но без взаимного влияния. Возможно влияние предшествующей суббуревой активности. SC-суббури могут сильно отличаться от обычных суббурь. 3. Во время главной фазы бури Dst индекс не отражает состояние и динамику магнитосферы. Суббури (вместе с давлением солнечного ветра) управляют динамикой границ (ОКЗ, зоны сияний, плазменного слоя). Индукционные электрическое поле суббури может влиять на развитие кольцевого тока. Частицы, ускоренные во время суббурь, важны для формирования частичного (асимметричного) кольцевого тока. Суббури во время главной фазы повторяют главные свойства обычных суббурь, отличаясь положением, мощностью и рядом других свойств. 4. Во время фазы восстановления магнитной бури суббуревая активность не влияет на процессы распада кольцевого тока и реконфигурации магнитосферы.