1

PC индекс как средство мониторинга

космической погоды

ОАТрошичев и АСЯнжураАрктический и Антарктический НИИ СПетербург

2

Физические основания для расчёта РС индекса

3

Физические основания для расчёта РС индекса Природа магнитной активности в полярных шапках

[Troshichev and Kuznetsov 1977 Troshichev and Tsyganenko 1978]

bull Выделены различные типы магнитных возмущений в полярной шапке обусловленные вариациями южной азимутальной и северной компонент ММП

bull Возмущения связанные с Южным ММП оказались тождественными системе DP2 [Obayashi 1967]

bull 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 Kuznetsov 1977 Troshichev et al 1979]

4

Физические основания для расчёта РС индекса Продольные токи в магнитосфере

[Troshichev and Kuznetsov 1977 Troshichev and Tsyganenko 1978]

bull Воздействие межпланетного электрического поля на магнитосферу приводит к постоянному движению плазмы во всей магнитосфереbull В результате градиенты плазменного давления постоянно формируются в магнитосфере и генерируются соответствующие ортогональные к силовым линиям электрические токиbull На секторных границах магнитосферы разделяющих области с противоположно-направленными поперечными токами происходит формирование пространственных электрических зарядовbull Эти заряды служат постоянным источником магнитосферных продольных электрических токов связывающих экваториальную магнитосферу с полярной ионосферойbull Токи текущие в ионосфере полярных шапок вызывают магнитные возмущенияю

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

5

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 те 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 шапках которое наблюдается в действительности при южной компоненте ММП

6

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 Lee1978] EKL = Vsw(BZ

2 +BY2)12sin2(Θ2)

где Vsw - скорость солнечного ветра BZ BY - компоненты ММП Θ ndash 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]

EM=0 mVm05 05

18 18

31 31 36

Hall current

Potential

7

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 поля Em

8

Методика расчёта РС индекса

9

Особенности метода расчёта РС индекса Troshichev O A V G Andrezen et al Planet Space Sci 36 1095 1988

Troshichev O AJanzhura and HStauning J Geophes Res 2006AJanzhura and OATroshichev JAtmos Solar-Terr Phys 2009

bull 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

bull 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

bull 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

10

Method for calculation of the PC index [Troshichev et al 1988]

1 Vector of magnetic disturbances δF is determined using the data of magnetic observations from near-pole station

δF = δDmiddotsinγ plusmn δHmiddotcosγ where γ = λ plusmn 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 ndash β) α

where ξ is the scale coefficient

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 and parameterised by season UT and hemisphere

11

Определение спокойной суточной вариации

bull Метод итерационного подбора сегментов спокойного уровня магнитного поля на основе вариационных данных полученных на станции Восток в магнитовозмущенный период в июне 2002 года

12

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 показан ход КСД в наиболее спокойные дни 13-16 июня

13

Определение спокойной суточной вариации

bull Межгодовая изменчивость КСД Н-компоненты для ноября месяца в период с 1997 по 2002 год на станции Восток

14

Параметры используемые для расчёта РС индекса

15

Ход унифицированных PCN и PCS индексов в 1998-2002гг

1 Имеет место соответствие в хлде положительных значений PC в южном и северном полушариях

2 Экстремальные значения положительного PC индекса (до 20 мВм) наблюдаются на станциях Туле и Восток одновременно

3 Oтрицательные значения PC индекса наблюдаются только в летний сезон

16

Сопоставление PCN и PCS индексов с реальными измерениями межпланетного электрического электрического поля Em

Ход разностей (ЕKL-PCN) и (ЕKL-PCS) выраженных в мВм 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 мВм

РСN и PCS индексы хорошо согласуются друг с другом

17

Реакция РС индекса на внезапные изменения параметров солнечного ветрa

межпланетного электрического поля EKL и

динамического давления Psw

18

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 ndash 30 минs

PC отвечает на изменения EKL одинаковым образом в обеих полярных шапках но летний РС почти в полтора раза больше чем зимний РС

19

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 laquoидеальногоraquo (статистического) соответствия между EKL и PC (мВм) можно вывести приблизительное соотношение ΔPsw=1 nPa asymp EKL=033 mVm

20

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)

bull Отрицательные импульсы давления Psw не сопровождается заметными изменениями в EKL но PC индекс начинает уменьшаться сразу же после ldquoнулевого моментаrdquo Оценка эффекта уменьшения давления даёт соотношение 1 nPa asymp 025 mVm

bull Положительный импульс давления Psw при северном ММП (при EKL ~ 0) сопровождается явным ростом РС индекса Оценка соответствующего эффекта даёт 1 nPa asymp 04 mVm

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 1-15 часа

21

Взаимосвязь между поведением РС индекса и магнитосферными суббурями

Рассматривались следующие категории магнитных возмущений

bull Магнитные бухты (AL ~ 150 nT) bull Короткие суббури (AE ~ 300 nT) с длительностью lt 3 часовbull Длинные суббури (AE ~ 400 nT) с длительностью gt 3 часовbull Замедленные суббури (AE ~ 200 nT) максимум которых наблюдался через несколько часов после внезапного начала bull Периодически повторяющиеся бухтообразные возмущения с AL gt 400 nT (saw-tooth substorms) в периоды высокой и устойчивой магнитной активности

22

Cоотношение между AE и РС индексами изолированные магнитные бухты и короткие суббури

Рост РСN и PCS индексов начинается примерно за час до внезапного начала суббури

23

Cоотношение между AE и РС индексами длинные и замедленные магнитные суббури

Рост РСN и PCS индексов начинается примерно за час до внезапного начала суббури

24

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 gt 3 мВм имеют место пилообразные магнитные возмущения с периодом ~ 2-3 часов

Внезапному началу каждой конкретной суббури предшествует с задержкой от 15 до 60 минут увеличение РС индекса При падении РС индекса ниже уровня ~ 2 мВм суббуря затухает

25

Cоотношения между полем EKL и РС и AL индексами в случае периодически повторяющиеся бухтообразных возмущений

Суперпозиция хода РС и AUAL индексов (тонкие линии) для 43 периодических магнитных возмущений и соответствующий ход усреднённых вариаций BZ и BY компонент ММП электрического поля EKL и индексов РС AUAL

Результатbull Быстрый и согласованный рост поля

Em и индекса PC начинается в среднем за ~ 25 минут до незапного начала возмущения

bull Величина РС в момент внезапного начала во всех 43 событиях была больше 2 мVм

bull Рост EKL и РС продолжается и после внезапного начала суббури (~15 минут) Причиной роста EKL и РС является увеличение южной компоненты ММП

bull Магнитная возмущенность в авроральной зоне (AL-индекс) начинает расти в среднем через 15 минут после начала роста РС индекса

bull Таким образом каждая суббуря демонстрирует чётко выраженную фазу роста в РС индексе

26

Relations between PC index and substorm (AL) and storm (ASYM) indices under conditions of the steadily high solar wind energy input into the magnetosphere

The most intense saw-tooth substorms are observed under conditions of the steady powerful interplanetary electric field which ensures energy for their developmentThe 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

bull the substorm sudden onsets are preceded by the PC growth

bull the substorm development do not affect the PC growth rate

bull achievement of the magnetic disturbance maximum is followed by synchronous drop in the PC and AL indices roughly down to level preceding the substorm

bull the higher was the substorm intensity the larger is the AL drop in the decline phase

27

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 (те 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

ВыводУстойчивое увеличение магнитной активности в полярной шапке является первым

признаком начинающегося магнитного возмущения в авроральной зоне Затем в связи с усилением высыпания авроральных частиц начинает расти возмущённость в авроральной зоне

28

Зависимость длительности фазы роста (Tgro) от величины РС (PCmean) и

скорости увеличения РС (РCGR) перед внезапным началом суббури

bull 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 ndash при наибольших значениях PCgro

bull Если рассматривать скорость роста РС индекса перед внезапным началом суббури то оказывается что длительность фазы роста Tgro уменьшается по экспоненциальному закону при увеличением скорости роста PCGR

29

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)

РезультатВсе параметры магнитной суббури

показывают явную связь со скоростью роста PC индекса (PCGR = dPCdT)) перед внезапным началом и после него

30

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 = - 05 + 55 PCgr с коэфф корреляции R = 0996 Средние величины PCgr и ALmax

связаны соотношением ALmax = 114 + 6570PCgr с коэфф корреляции R = 0997

ВыводСкорость 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)

31

Взаимосвязь между РС индексом и магнитными бурями

Basic criteria taken to choose the magnetic storms for the analysis bullduration of magnetic storm should be longer than 12 hours bullthe 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 PCgt2 mVm

32

Поведение функции EKL и РС индекса и развитие магнитной бури (Dst)

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24-1

0

1

2

3

4

5

6

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

December 10 1998 (2207 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36

-100

-80

-60

-40

-20

0

February 28 1999 (1748 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

0 4 8 12 16 20 24 28 32-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Time hours

November 07 1998 (1102 UT)

0 4 8 12 16 20 24 28

024

8

12

16

20

24

0 4 8 12 16 20 24 28-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

April 11 2001 (1300 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20

0

4

8

12

16

20

24

28

0 4 8 12 16 20-400

-300

-200

-100

0

Time hours

November 07 2004 (1830 UT)

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-2

0

2

4

6

8

10

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-180

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

Em

(P

C)

m

Vm

October 01 2002 (0534 UT)

Dst

n

T

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-4

0

4

8

12

16

20

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-300

-250

-200

-150

-100

-50

Time hours

November 09 2004 (1105 UT)

33

Соотношение между Em РС и Dst для бурь разной мощности

0 4 8 12 16 20 24 28

0

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

(b) Dst = - (50-80) nT N=13

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

(c) Dst = - (80-100) nT N=11

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(e) Dst = - (130-160) nT N=10

0 4 8 12 16 20 240

2

4

6

8

10

12

0 4 8 12 16 20 24

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(f) Dst = - (160-240) nT N = 6

34

Results of examination for individual storms and for summary plots

bull The magnetic depression starts to develop when field EKL and PC index firmly as soon as PC and EKL exceed the threshold ~2 mVm

bull As a whole rule PC and EKL cross the threshold simultaneously although sometimes EKL goes ahead PC sometimes PC goes ahead EKL

bull 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

bull When EKL (PC) slowly rises and reaches the maximum value only by the end of disturbed period the slow start storm pattern takes place

bull When EKL (PC) demonstrates repetitive strong enhancements and decreases the magnetic storm displays the appropriate multiple depressions with growth and damping phases

bull The persistent descend of PC (EKL) below the threshold level 2 mVm is indicative on the end of the storm main phase (damping phase) and transition to the storm recovery phase

bull The ldquoPC saturation effectrdquo is typical of events with the PC and EKL values gt 6 mVm

35

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 = -1732 - 1933EKL and Dst = 2313 - 3215PC It is particularly remarkable that correlation

between Dstmin and PC index turned out to be higher (R= - 079) than between Dst(min) and interplanetary electric field Em (R = - 074)

There is also the high correlation (R=095) between values Dst(decay) estimated for moments when EKL and PC firmly fall below the threshold level 2mVm

36

Зависимость интенсивности бури Dst от величин функции Еkl и РС индекса

bull 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)

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

Dst

(tra

ns)

n

T

EKL

(PC) damp mVm

EKL

PC

(a) Storm intensity Dst(peak) vs EKL

and PC values

(b) Storm parameter Dst_trans vs EKL and PC values

Dst

(pe

ak)

n

T

EKL

(PC) growth mVm

PC

EKL

37

Магнитные бури и магнитосферные суббуриразвивающиеся 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 ldquothere was a first energy storage in the magnetotail and then a delayed energy injection into the magnetosphererdquo

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

38

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 gt 800 kms

The Em drop below 2 mVm is noted only for short period from 2215 to 2330UT on January 21 but this drop is not confirmed by the PC index which was larger than 4 mVm at this time the EKL and PC values grew again above 4 mVm by 0200 UT as a result the geomagnetic storm was being continued

ConclusionThe storm of 21-22 January 2005

should be regarded as nothing out of the ordinary event if we examine behavior of PC index

39

Магнитосферные суббури при северном ММП (список Lee et al 2010) ndash cуббури с выраженным началом в АL индексе

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 mVm 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

Effect of ldquoPC index saturationrdquo typical of high values of coupling function is clearly revealed during substorm event of November 16 2000

40

Суббури при северном ММП без внезапного начала в АL индексе (список Lee et al 2010)

Behavior 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)

In events (a) and (b) the IMF BZN component was insignificant The respective EKL and PC quantities were higher than 6 mVm 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

In events (c) and (d) the value of the IMF BZN component was steadily high (gt10-20 nT) The coupling function EKL well responds to the IMF BY and BZN variations In average EKL and PC quantities were close to the threshold level 2 mVm the substorm intensity was correspondingly low (AEasymp100-250nT)

41

Развитие магнитосферных суббурь в условиях северного ММП (список Lee et al 2010)

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 ldquoPC saturation effectrdquo

Conclusion The high level of the EKL (and PC) values

under conditions of northward IMF is provided by the IMF BY component

42

Суббури триггируемые внезапным поворотом ММП в северу (или изменением полярности BY сомпоненты)

There are some features typical of ldquotriggeredrdquo 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 20ndash30 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

ConclusionldquoTriggeredrdquo substorms have no

relation to ldquonorthward IMF turningrdquo or BY reverse

43

Соотношение между laquocoupling functionraquo 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 increasing By in spite of northward IMF orientation the EKL value can be as large as 5-10 mVm

44

Выводы

bull 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 mVm even даже при северном ММП PC индекс растёт в соответствии с ростом величины EKL

bull 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 laquoэкстраординарные возмущенияraquo являются вдействительности обычными возмущениями Происходящими при необходимом и достаточном условии для развития суббурь (PC ge 15-17 mVm) или магнитных бурь (PC ge 2 mVm)

bull Та же ситуация верна и для суббурь триггируемых резких поворотом ММП к северу (laquonorthward turningraquo) 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

45

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

bull магнитные бури и магнитосферные суббури начинаются только в том случае если величина PC индекса превышает некий пороговый уровень (~ 2 mVm для бурь и gt15mVm для суббурь)

bull длительность фазы роста суббури и интенсивность суббури определяются скоростью нарастания РС индекса развитие суббури прекращается как только величина PC индекса падает ниже 1-15 mVm

bull продолжительность магнитной бури определяется длительностью периода когда PCgt2mVm и интенсивность бури (Dst_peak) линейно связана с величиной РС индекса усреднённой за длительность главной фазы

bull периодичность saw-tooth substorms происходящих в условиях устойчивого высокого уровня функции EKL определяется продолжительностью laquoфазы роста РС индексаraquo и laquoфазы спада РС индексаraquo сменяющих друг друга

bull Развитие бурь и суббурь лучше согласуется с ходом РС индекса чем с вариациями функции EKL

bull ldquoнеобычныеrdquo бури и суббури происходящие при воздействии северной компоненты ММП оказываются обычными возмущениями если рассматривать их в отношении к РС индексу и функции EKL

bull PC индекс адекватно реагирует на резкие изменения динамического давления солнечного ветра

46

Все рассмотренные выше закономерности приводят к заключению что РС индекс следует рассматривать как адекватный и удобный показатель (laquoproxyraquo) энергии солнечного ветра поступившей в ионосферу

Если придерживаться этой точки зрения становится очевидным почему бури и суббури лучше коррелируют с РС индексом чем с laquocoupling functionraquo 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

bull PCN httpwwwdmidkdmibull PCS httpwwwgeophysaariru

2

Физические основания для расчёта РС индекса

3

Физические основания для расчёта РС индекса Природа магнитной активности в полярных шапках

[Troshichev and Kuznetsov 1977 Troshichev and Tsyganenko 1978]

bull Выделены различные типы магнитных возмущений в полярной шапке обусловленные вариациями южной азимутальной и северной компонент ММП

bull Возмущения связанные с Южным ММП оказались тождественными системе DP2 [Obayashi 1967]

bull 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 Kuznetsov 1977 Troshichev et al 1979]

4

Физические основания для расчёта РС индекса Продольные токи в магнитосфере

[Troshichev and Kuznetsov 1977 Troshichev and Tsyganenko 1978]

bull Воздействие межпланетного электрического поля на магнитосферу приводит к постоянному движению плазмы во всей магнитосфереbull В результате градиенты плазменного давления постоянно формируются в магнитосфере и генерируются соответствующие ортогональные к силовым линиям электрические токиbull На секторных границах магнитосферы разделяющих области с противоположно-направленными поперечными токами происходит формирование пространственных электрических зарядовbull Эти заряды служат постоянным источником магнитосферных продольных электрических токов связывающих экваториальную магнитосферу с полярной ионосферойbull Токи текущие в ионосфере полярных шапок вызывают магнитные возмущенияю

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

5

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 те 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 шапках которое наблюдается в действительности при южной компоненте ММП

6

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 Lee1978] EKL = Vsw(BZ

2 +BY2)12sin2(Θ2)

где Vsw - скорость солнечного ветра BZ BY - компоненты ММП Θ ndash 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]

EM=0 mVm05 05

18 18

31 31 36

Hall current

Potential

7

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 поля Em

8

Методика расчёта РС индекса

9

Особенности метода расчёта РС индекса Troshichev O A V G Andrezen et al Planet Space Sci 36 1095 1988

Troshichev O AJanzhura and HStauning J Geophes Res 2006AJanzhura and OATroshichev JAtmos Solar-Terr Phys 2009

bull 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

bull 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

bull 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

10

Method for calculation of the PC index [Troshichev et al 1988]

1 Vector of magnetic disturbances δF is determined using the data of magnetic observations from near-pole station

δF = δDmiddotsinγ plusmn δHmiddotcosγ where γ = λ plusmn 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 ndash β) α

where ξ is the scale coefficient

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 and parameterised by season UT and hemisphere

11

Определение спокойной суточной вариации

bull Метод итерационного подбора сегментов спокойного уровня магнитного поля на основе вариационных данных полученных на станции Восток в магнитовозмущенный период в июне 2002 года

12

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 показан ход КСД в наиболее спокойные дни 13-16 июня

13

Определение спокойной суточной вариации

bull Межгодовая изменчивость КСД Н-компоненты для ноября месяца в период с 1997 по 2002 год на станции Восток

14

Параметры используемые для расчёта РС индекса

15

Ход унифицированных PCN и PCS индексов в 1998-2002гг

1 Имеет место соответствие в хлде положительных значений PC в южном и северном полушариях

2 Экстремальные значения положительного PC индекса (до 20 мВм) наблюдаются на станциях Туле и Восток одновременно

3 Oтрицательные значения PC индекса наблюдаются только в летний сезон

16

Сопоставление PCN и PCS индексов с реальными измерениями межпланетного электрического электрического поля Em

Ход разностей (ЕKL-PCN) и (ЕKL-PCS) выраженных в мВм 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 мВм

РСN и PCS индексы хорошо согласуются друг с другом

17

Реакция РС индекса на внезапные изменения параметров солнечного ветрa

межпланетного электрического поля EKL и

динамического давления Psw

18

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 ndash 30 минs

PC отвечает на изменения EKL одинаковым образом в обеих полярных шапках но летний РС почти в полтора раза больше чем зимний РС

19

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 laquoидеальногоraquo (статистического) соответствия между EKL и PC (мВм) можно вывести приблизительное соотношение ΔPsw=1 nPa asymp EKL=033 mVm

20

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)

bull Отрицательные импульсы давления Psw не сопровождается заметными изменениями в EKL но PC индекс начинает уменьшаться сразу же после ldquoнулевого моментаrdquo Оценка эффекта уменьшения давления даёт соотношение 1 nPa asymp 025 mVm

bull Положительный импульс давления Psw при северном ММП (при EKL ~ 0) сопровождается явным ростом РС индекса Оценка соответствующего эффекта даёт 1 nPa asymp 04 mVm

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 1-15 часа

21

Взаимосвязь между поведением РС индекса и магнитосферными суббурями

Рассматривались следующие категории магнитных возмущений

bull Магнитные бухты (AL ~ 150 nT) bull Короткие суббури (AE ~ 300 nT) с длительностью lt 3 часовbull Длинные суббури (AE ~ 400 nT) с длительностью gt 3 часовbull Замедленные суббури (AE ~ 200 nT) максимум которых наблюдался через несколько часов после внезапного начала bull Периодически повторяющиеся бухтообразные возмущения с AL gt 400 nT (saw-tooth substorms) в периоды высокой и устойчивой магнитной активности

22

Cоотношение между AE и РС индексами изолированные магнитные бухты и короткие суббури

Рост РСN и PCS индексов начинается примерно за час до внезапного начала суббури

23

Cоотношение между AE и РС индексами длинные и замедленные магнитные суббури

Рост РСN и PCS индексов начинается примерно за час до внезапного начала суббури

24

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 gt 3 мВм имеют место пилообразные магнитные возмущения с периодом ~ 2-3 часов

Внезапному началу каждой конкретной суббури предшествует с задержкой от 15 до 60 минут увеличение РС индекса При падении РС индекса ниже уровня ~ 2 мВм суббуря затухает

25

Cоотношения между полем EKL и РС и AL индексами в случае периодически повторяющиеся бухтообразных возмущений

Суперпозиция хода РС и AUAL индексов (тонкие линии) для 43 периодических магнитных возмущений и соответствующий ход усреднённых вариаций BZ и BY компонент ММП электрического поля EKL и индексов РС AUAL

Результатbull Быстрый и согласованный рост поля

Em и индекса PC начинается в среднем за ~ 25 минут до незапного начала возмущения

bull Величина РС в момент внезапного начала во всех 43 событиях была больше 2 мVм

bull Рост EKL и РС продолжается и после внезапного начала суббури (~15 минут) Причиной роста EKL и РС является увеличение южной компоненты ММП

bull Магнитная возмущенность в авроральной зоне (AL-индекс) начинает расти в среднем через 15 минут после начала роста РС индекса

bull Таким образом каждая суббуря демонстрирует чётко выраженную фазу роста в РС индексе

26

Relations between PC index and substorm (AL) and storm (ASYM) indices under conditions of the steadily high solar wind energy input into the magnetosphere

The most intense saw-tooth substorms are observed under conditions of the steady powerful interplanetary electric field which ensures energy for their developmentThe 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

bull the substorm sudden onsets are preceded by the PC growth

bull the substorm development do not affect the PC growth rate

bull achievement of the magnetic disturbance maximum is followed by synchronous drop in the PC and AL indices roughly down to level preceding the substorm

bull the higher was the substorm intensity the larger is the AL drop in the decline phase

27

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 (те 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

ВыводУстойчивое увеличение магнитной активности в полярной шапке является первым

признаком начинающегося магнитного возмущения в авроральной зоне Затем в связи с усилением высыпания авроральных частиц начинает расти возмущённость в авроральной зоне

28

Зависимость длительности фазы роста (Tgro) от величины РС (PCmean) и

скорости увеличения РС (РCGR) перед внезапным началом суббури

bull 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 ndash при наибольших значениях PCgro

bull Если рассматривать скорость роста РС индекса перед внезапным началом суббури то оказывается что длительность фазы роста Tgro уменьшается по экспоненциальному закону при увеличением скорости роста PCGR

29

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)

РезультатВсе параметры магнитной суббури

показывают явную связь со скоростью роста PC индекса (PCGR = dPCdT)) перед внезапным началом и после него

30

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 = - 05 + 55 PCgr с коэфф корреляции R = 0996 Средние величины PCgr и ALmax

связаны соотношением ALmax = 114 + 6570PCgr с коэфф корреляции R = 0997

ВыводСкорость 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)

31

Взаимосвязь между РС индексом и магнитными бурями

Basic criteria taken to choose the magnetic storms for the analysis bullduration of magnetic storm should be longer than 12 hours bullthe 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 PCgt2 mVm

32

Поведение функции EKL и РС индекса и развитие магнитной бури (Dst)

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24-1

0

1

2

3

4

5

6

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

December 10 1998 (2207 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36

-100

-80

-60

-40

-20

0

February 28 1999 (1748 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

0 4 8 12 16 20 24 28 32-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Time hours

November 07 1998 (1102 UT)

0 4 8 12 16 20 24 28

024

8

12

16

20

24

0 4 8 12 16 20 24 28-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

April 11 2001 (1300 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20

0

4

8

12

16

20

24

28

0 4 8 12 16 20-400

-300

-200

-100

0

Time hours

November 07 2004 (1830 UT)

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-2

0

2

4

6

8

10

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-180

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

Em

(P

C)

m

Vm

October 01 2002 (0534 UT)

Dst

n

T

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-4

0

4

8

12

16

20

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-300

-250

-200

-150

-100

-50

Time hours

November 09 2004 (1105 UT)

33

Соотношение между Em РС и Dst для бурь разной мощности

0 4 8 12 16 20 24 28

0

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

(b) Dst = - (50-80) nT N=13

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

(c) Dst = - (80-100) nT N=11

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(e) Dst = - (130-160) nT N=10

0 4 8 12 16 20 240

2

4

6

8

10

12

0 4 8 12 16 20 24

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(f) Dst = - (160-240) nT N = 6

34

Results of examination for individual storms and for summary plots

bull The magnetic depression starts to develop when field EKL and PC index firmly as soon as PC and EKL exceed the threshold ~2 mVm

bull As a whole rule PC and EKL cross the threshold simultaneously although sometimes EKL goes ahead PC sometimes PC goes ahead EKL

bull 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

bull When EKL (PC) slowly rises and reaches the maximum value only by the end of disturbed period the slow start storm pattern takes place

bull When EKL (PC) demonstrates repetitive strong enhancements and decreases the magnetic storm displays the appropriate multiple depressions with growth and damping phases

bull The persistent descend of PC (EKL) below the threshold level 2 mVm is indicative on the end of the storm main phase (damping phase) and transition to the storm recovery phase

bull The ldquoPC saturation effectrdquo is typical of events with the PC and EKL values gt 6 mVm

35

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 = -1732 - 1933EKL and Dst = 2313 - 3215PC It is particularly remarkable that correlation

between Dstmin and PC index turned out to be higher (R= - 079) than between Dst(min) and interplanetary electric field Em (R = - 074)

There is also the high correlation (R=095) between values Dst(decay) estimated for moments when EKL and PC firmly fall below the threshold level 2mVm

36

Зависимость интенсивности бури Dst от величин функции Еkl и РС индекса

bull 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)

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

Dst

(tra

ns)

n

T

EKL

(PC) damp mVm

EKL

PC

(a) Storm intensity Dst(peak) vs EKL

and PC values

(b) Storm parameter Dst_trans vs EKL and PC values

Dst

(pe

ak)

n

T

EKL

(PC) growth mVm

PC

EKL

37

Магнитные бури и магнитосферные суббуриразвивающиеся 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 ldquothere was a first energy storage in the magnetotail and then a delayed energy injection into the magnetosphererdquo

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

38

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 gt 800 kms

The Em drop below 2 mVm is noted only for short period from 2215 to 2330UT on January 21 but this drop is not confirmed by the PC index which was larger than 4 mVm at this time the EKL and PC values grew again above 4 mVm by 0200 UT as a result the geomagnetic storm was being continued

ConclusionThe storm of 21-22 January 2005

should be regarded as nothing out of the ordinary event if we examine behavior of PC index

39

Магнитосферные суббури при северном ММП (список Lee et al 2010) ndash cуббури с выраженным началом в АL индексе

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 mVm 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

Effect of ldquoPC index saturationrdquo typical of high values of coupling function is clearly revealed during substorm event of November 16 2000

40

Суббури при северном ММП без внезапного начала в АL индексе (список Lee et al 2010)

Behavior 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)

In events (a) and (b) the IMF BZN component was insignificant The respective EKL and PC quantities were higher than 6 mVm 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

In events (c) and (d) the value of the IMF BZN component was steadily high (gt10-20 nT) The coupling function EKL well responds to the IMF BY and BZN variations In average EKL and PC quantities were close to the threshold level 2 mVm the substorm intensity was correspondingly low (AEasymp100-250nT)

41

Развитие магнитосферных суббурь в условиях северного ММП (список Lee et al 2010)

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 ldquoPC saturation effectrdquo

Conclusion The high level of the EKL (and PC) values

under conditions of northward IMF is provided by the IMF BY component

42

Суббури триггируемые внезапным поворотом ММП в северу (или изменением полярности BY сомпоненты)

There are some features typical of ldquotriggeredrdquo 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 20ndash30 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

ConclusionldquoTriggeredrdquo substorms have no

relation to ldquonorthward IMF turningrdquo or BY reverse

43

Соотношение между laquocoupling functionraquo 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 increasing By in spite of northward IMF orientation the EKL value can be as large as 5-10 mVm

44

Выводы

bull 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 mVm even даже при северном ММП PC индекс растёт в соответствии с ростом величины EKL

bull 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 laquoэкстраординарные возмущенияraquo являются вдействительности обычными возмущениями Происходящими при необходимом и достаточном условии для развития суббурь (PC ge 15-17 mVm) или магнитных бурь (PC ge 2 mVm)

bull Та же ситуация верна и для суббурь триггируемых резких поворотом ММП к северу (laquonorthward turningraquo) 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

45

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

bull магнитные бури и магнитосферные суббури начинаются только в том случае если величина PC индекса превышает некий пороговый уровень (~ 2 mVm для бурь и gt15mVm для суббурь)

bull длительность фазы роста суббури и интенсивность суббури определяются скоростью нарастания РС индекса развитие суббури прекращается как только величина PC индекса падает ниже 1-15 mVm

bull продолжительность магнитной бури определяется длительностью периода когда PCgt2mVm и интенсивность бури (Dst_peak) линейно связана с величиной РС индекса усреднённой за длительность главной фазы

bull периодичность saw-tooth substorms происходящих в условиях устойчивого высокого уровня функции EKL определяется продолжительностью laquoфазы роста РС индексаraquo и laquoфазы спада РС индексаraquo сменяющих друг друга

bull Развитие бурь и суббурь лучше согласуется с ходом РС индекса чем с вариациями функции EKL

bull ldquoнеобычныеrdquo бури и суббури происходящие при воздействии северной компоненты ММП оказываются обычными возмущениями если рассматривать их в отношении к РС индексу и функции EKL

bull PC индекс адекватно реагирует на резкие изменения динамического давления солнечного ветра

46

Все рассмотренные выше закономерности приводят к заключению что РС индекс следует рассматривать как адекватный и удобный показатель (laquoproxyraquo) энергии солнечного ветра поступившей в ионосферу

Если придерживаться этой точки зрения становится очевидным почему бури и суббури лучше коррелируют с РС индексом чем с laquocoupling functionraquo 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

bull PCN httpwwwdmidkdmibull PCS httpwwwgeophysaariru

3

Физические основания для расчёта РС индекса Природа магнитной активности в полярных шапках

[Troshichev and Kuznetsov 1977 Troshichev and Tsyganenko 1978]

bull Выделены различные типы магнитных возмущений в полярной шапке обусловленные вариациями южной азимутальной и северной компонент ММП

bull Возмущения связанные с Южным ММП оказались тождественными системе DP2 [Obayashi 1967]

bull 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 Kuznetsov 1977 Troshichev et al 1979]

4

Физические основания для расчёта РС индекса Продольные токи в магнитосфере

[Troshichev and Kuznetsov 1977 Troshichev and Tsyganenko 1978]

bull Воздействие межпланетного электрического поля на магнитосферу приводит к постоянному движению плазмы во всей магнитосфереbull В результате градиенты плазменного давления постоянно формируются в магнитосфере и генерируются соответствующие ортогональные к силовым линиям электрические токиbull На секторных границах магнитосферы разделяющих области с противоположно-направленными поперечными токами происходит формирование пространственных электрических зарядовbull Эти заряды служат постоянным источником магнитосферных продольных электрических токов связывающих экваториальную магнитосферу с полярной ионосферойbull Токи текущие в ионосфере полярных шапок вызывают магнитные возмущенияю

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

5

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 те 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 шапках которое наблюдается в действительности при южной компоненте ММП

6

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 Lee1978] EKL = Vsw(BZ

2 +BY2)12sin2(Θ2)

где Vsw - скорость солнечного ветра BZ BY - компоненты ММП Θ ndash 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]

EM=0 mVm05 05

18 18

31 31 36

Hall current

Potential

7

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 поля Em

8

Методика расчёта РС индекса

9

Особенности метода расчёта РС индекса Troshichev O A V G Andrezen et al Planet Space Sci 36 1095 1988

Troshichev O AJanzhura and HStauning J Geophes Res 2006AJanzhura and OATroshichev JAtmos Solar-Terr Phys 2009

bull 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

bull 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

bull 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

10

Method for calculation of the PC index [Troshichev et al 1988]

1 Vector of magnetic disturbances δF is determined using the data of magnetic observations from near-pole station

δF = δDmiddotsinγ plusmn δHmiddotcosγ where γ = λ plusmn 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 ndash β) α

where ξ is the scale coefficient

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 and parameterised by season UT and hemisphere

11

Определение спокойной суточной вариации

bull Метод итерационного подбора сегментов спокойного уровня магнитного поля на основе вариационных данных полученных на станции Восток в магнитовозмущенный период в июне 2002 года

12

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 показан ход КСД в наиболее спокойные дни 13-16 июня

13

Определение спокойной суточной вариации

bull Межгодовая изменчивость КСД Н-компоненты для ноября месяца в период с 1997 по 2002 год на станции Восток

14

Параметры используемые для расчёта РС индекса

15

Ход унифицированных PCN и PCS индексов в 1998-2002гг

1 Имеет место соответствие в хлде положительных значений PC в южном и северном полушариях

2 Экстремальные значения положительного PC индекса (до 20 мВм) наблюдаются на станциях Туле и Восток одновременно

3 Oтрицательные значения PC индекса наблюдаются только в летний сезон

16

Сопоставление PCN и PCS индексов с реальными измерениями межпланетного электрического электрического поля Em

Ход разностей (ЕKL-PCN) и (ЕKL-PCS) выраженных в мВм 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 мВм

РСN и PCS индексы хорошо согласуются друг с другом

17

Реакция РС индекса на внезапные изменения параметров солнечного ветрa

межпланетного электрического поля EKL и

динамического давления Psw

18

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 ndash 30 минs

PC отвечает на изменения EKL одинаковым образом в обеих полярных шапках но летний РС почти в полтора раза больше чем зимний РС

19

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 laquoидеальногоraquo (статистического) соответствия между EKL и PC (мВм) можно вывести приблизительное соотношение ΔPsw=1 nPa asymp EKL=033 mVm

20

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)

bull Отрицательные импульсы давления Psw не сопровождается заметными изменениями в EKL но PC индекс начинает уменьшаться сразу же после ldquoнулевого моментаrdquo Оценка эффекта уменьшения давления даёт соотношение 1 nPa asymp 025 mVm

bull Положительный импульс давления Psw при северном ММП (при EKL ~ 0) сопровождается явным ростом РС индекса Оценка соответствующего эффекта даёт 1 nPa asymp 04 mVm

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 1-15 часа

21

Взаимосвязь между поведением РС индекса и магнитосферными суббурями

Рассматривались следующие категории магнитных возмущений

bull Магнитные бухты (AL ~ 150 nT) bull Короткие суббури (AE ~ 300 nT) с длительностью lt 3 часовbull Длинные суббури (AE ~ 400 nT) с длительностью gt 3 часовbull Замедленные суббури (AE ~ 200 nT) максимум которых наблюдался через несколько часов после внезапного начала bull Периодически повторяющиеся бухтообразные возмущения с AL gt 400 nT (saw-tooth substorms) в периоды высокой и устойчивой магнитной активности

22

Cоотношение между AE и РС индексами изолированные магнитные бухты и короткие суббури

Рост РСN и PCS индексов начинается примерно за час до внезапного начала суббури

23

Cоотношение между AE и РС индексами длинные и замедленные магнитные суббури

Рост РСN и PCS индексов начинается примерно за час до внезапного начала суббури

24

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 gt 3 мВм имеют место пилообразные магнитные возмущения с периодом ~ 2-3 часов

Внезапному началу каждой конкретной суббури предшествует с задержкой от 15 до 60 минут увеличение РС индекса При падении РС индекса ниже уровня ~ 2 мВм суббуря затухает

25

Cоотношения между полем EKL и РС и AL индексами в случае периодически повторяющиеся бухтообразных возмущений

Суперпозиция хода РС и AUAL индексов (тонкие линии) для 43 периодических магнитных возмущений и соответствующий ход усреднённых вариаций BZ и BY компонент ММП электрического поля EKL и индексов РС AUAL

Результатbull Быстрый и согласованный рост поля

Em и индекса PC начинается в среднем за ~ 25 минут до незапного начала возмущения

bull Величина РС в момент внезапного начала во всех 43 событиях была больше 2 мVм

bull Рост EKL и РС продолжается и после внезапного начала суббури (~15 минут) Причиной роста EKL и РС является увеличение южной компоненты ММП

bull Магнитная возмущенность в авроральной зоне (AL-индекс) начинает расти в среднем через 15 минут после начала роста РС индекса

bull Таким образом каждая суббуря демонстрирует чётко выраженную фазу роста в РС индексе

26

Relations between PC index and substorm (AL) and storm (ASYM) indices under conditions of the steadily high solar wind energy input into the magnetosphere

The most intense saw-tooth substorms are observed under conditions of the steady powerful interplanetary electric field which ensures energy for their developmentThe 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

bull the substorm sudden onsets are preceded by the PC growth

bull the substorm development do not affect the PC growth rate

bull achievement of the magnetic disturbance maximum is followed by synchronous drop in the PC and AL indices roughly down to level preceding the substorm

bull the higher was the substorm intensity the larger is the AL drop in the decline phase

27

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 (те 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

ВыводУстойчивое увеличение магнитной активности в полярной шапке является первым

признаком начинающегося магнитного возмущения в авроральной зоне Затем в связи с усилением высыпания авроральных частиц начинает расти возмущённость в авроральной зоне

28

Зависимость длительности фазы роста (Tgro) от величины РС (PCmean) и

скорости увеличения РС (РCGR) перед внезапным началом суббури

bull 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 ndash при наибольших значениях PCgro

bull Если рассматривать скорость роста РС индекса перед внезапным началом суббури то оказывается что длительность фазы роста Tgro уменьшается по экспоненциальному закону при увеличением скорости роста PCGR

29

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)

РезультатВсе параметры магнитной суббури

показывают явную связь со скоростью роста PC индекса (PCGR = dPCdT)) перед внезапным началом и после него

30

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 = - 05 + 55 PCgr с коэфф корреляции R = 0996 Средние величины PCgr и ALmax

связаны соотношением ALmax = 114 + 6570PCgr с коэфф корреляции R = 0997

ВыводСкорость 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)

31

Взаимосвязь между РС индексом и магнитными бурями

Basic criteria taken to choose the magnetic storms for the analysis bullduration of magnetic storm should be longer than 12 hours bullthe 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 PCgt2 mVm

32

Поведение функции EKL и РС индекса и развитие магнитной бури (Dst)

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24-1

0

1

2

3

4

5

6

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

December 10 1998 (2207 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36

-100

-80

-60

-40

-20

0

February 28 1999 (1748 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

0 4 8 12 16 20 24 28 32-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Time hours

November 07 1998 (1102 UT)

0 4 8 12 16 20 24 28

024

8

12

16

20

24

0 4 8 12 16 20 24 28-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

April 11 2001 (1300 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20

0

4

8

12

16

20

24

28

0 4 8 12 16 20-400

-300

-200

-100

0

Time hours

November 07 2004 (1830 UT)

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-2

0

2

4

6

8

10

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-180

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

Em

(P

C)

m

Vm

October 01 2002 (0534 UT)

Dst

n

T

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-4

0

4

8

12

16

20

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-300

-250

-200

-150

-100

-50

Time hours

November 09 2004 (1105 UT)

33

Соотношение между Em РС и Dst для бурь разной мощности

0 4 8 12 16 20 24 28

0

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

(b) Dst = - (50-80) nT N=13

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

(c) Dst = - (80-100) nT N=11

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(e) Dst = - (130-160) nT N=10

0 4 8 12 16 20 240

2

4

6

8

10

12

0 4 8 12 16 20 24

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(f) Dst = - (160-240) nT N = 6

34

Results of examination for individual storms and for summary plots

bull The magnetic depression starts to develop when field EKL and PC index firmly as soon as PC and EKL exceed the threshold ~2 mVm

bull As a whole rule PC and EKL cross the threshold simultaneously although sometimes EKL goes ahead PC sometimes PC goes ahead EKL

bull 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

bull When EKL (PC) slowly rises and reaches the maximum value only by the end of disturbed period the slow start storm pattern takes place

bull When EKL (PC) demonstrates repetitive strong enhancements and decreases the magnetic storm displays the appropriate multiple depressions with growth and damping phases

bull The persistent descend of PC (EKL) below the threshold level 2 mVm is indicative on the end of the storm main phase (damping phase) and transition to the storm recovery phase

bull The ldquoPC saturation effectrdquo is typical of events with the PC and EKL values gt 6 mVm

35

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 = -1732 - 1933EKL and Dst = 2313 - 3215PC It is particularly remarkable that correlation

between Dstmin and PC index turned out to be higher (R= - 079) than between Dst(min) and interplanetary electric field Em (R = - 074)

There is also the high correlation (R=095) between values Dst(decay) estimated for moments when EKL and PC firmly fall below the threshold level 2mVm

36

Зависимость интенсивности бури Dst от величин функции Еkl и РС индекса

bull 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)

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

Dst

(tra

ns)

n

T

EKL

(PC) damp mVm

EKL

PC

(a) Storm intensity Dst(peak) vs EKL

and PC values

(b) Storm parameter Dst_trans vs EKL and PC values

Dst

(pe

ak)

n

T

EKL

(PC) growth mVm

PC

EKL

37

Магнитные бури и магнитосферные суббуриразвивающиеся 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 ldquothere was a first energy storage in the magnetotail and then a delayed energy injection into the magnetosphererdquo

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

38

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 gt 800 kms

The Em drop below 2 mVm is noted only for short period from 2215 to 2330UT on January 21 but this drop is not confirmed by the PC index which was larger than 4 mVm at this time the EKL and PC values grew again above 4 mVm by 0200 UT as a result the geomagnetic storm was being continued

ConclusionThe storm of 21-22 January 2005

should be regarded as nothing out of the ordinary event if we examine behavior of PC index

39

Магнитосферные суббури при северном ММП (список Lee et al 2010) ndash cуббури с выраженным началом в АL индексе

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 mVm 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

Effect of ldquoPC index saturationrdquo typical of high values of coupling function is clearly revealed during substorm event of November 16 2000

40

Суббури при северном ММП без внезапного начала в АL индексе (список Lee et al 2010)

Behavior 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)

In events (a) and (b) the IMF BZN component was insignificant The respective EKL and PC quantities were higher than 6 mVm 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

In events (c) and (d) the value of the IMF BZN component was steadily high (gt10-20 nT) The coupling function EKL well responds to the IMF BY and BZN variations In average EKL and PC quantities were close to the threshold level 2 mVm the substorm intensity was correspondingly low (AEasymp100-250nT)

41

Развитие магнитосферных суббурь в условиях северного ММП (список Lee et al 2010)

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 ldquoPC saturation effectrdquo

Conclusion The high level of the EKL (and PC) values

under conditions of northward IMF is provided by the IMF BY component

42

Суббури триггируемые внезапным поворотом ММП в северу (или изменением полярности BY сомпоненты)

There are some features typical of ldquotriggeredrdquo 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 20ndash30 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

ConclusionldquoTriggeredrdquo substorms have no

relation to ldquonorthward IMF turningrdquo or BY reverse

43

Соотношение между laquocoupling functionraquo 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 increasing By in spite of northward IMF orientation the EKL value can be as large as 5-10 mVm

44

Выводы

bull 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 mVm even даже при северном ММП PC индекс растёт в соответствии с ростом величины EKL

bull 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 laquoэкстраординарные возмущенияraquo являются вдействительности обычными возмущениями Происходящими при необходимом и достаточном условии для развития суббурь (PC ge 15-17 mVm) или магнитных бурь (PC ge 2 mVm)

bull Та же ситуация верна и для суббурь триггируемых резких поворотом ММП к северу (laquonorthward turningraquo) 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

45

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

bull магнитные бури и магнитосферные суббури начинаются только в том случае если величина PC индекса превышает некий пороговый уровень (~ 2 mVm для бурь и gt15mVm для суббурь)

bull длительность фазы роста суббури и интенсивность суббури определяются скоростью нарастания РС индекса развитие суббури прекращается как только величина PC индекса падает ниже 1-15 mVm

bull продолжительность магнитной бури определяется длительностью периода когда PCgt2mVm и интенсивность бури (Dst_peak) линейно связана с величиной РС индекса усреднённой за длительность главной фазы

bull периодичность saw-tooth substorms происходящих в условиях устойчивого высокого уровня функции EKL определяется продолжительностью laquoфазы роста РС индексаraquo и laquoфазы спада РС индексаraquo сменяющих друг друга

bull Развитие бурь и суббурь лучше согласуется с ходом РС индекса чем с вариациями функции EKL

bull ldquoнеобычныеrdquo бури и суббури происходящие при воздействии северной компоненты ММП оказываются обычными возмущениями если рассматривать их в отношении к РС индексу и функции EKL

bull PC индекс адекватно реагирует на резкие изменения динамического давления солнечного ветра

46

Все рассмотренные выше закономерности приводят к заключению что РС индекс следует рассматривать как адекватный и удобный показатель (laquoproxyraquo) энергии солнечного ветра поступившей в ионосферу

Если придерживаться этой точки зрения становится очевидным почему бури и суббури лучше коррелируют с РС индексом чем с laquocoupling functionraquo 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

bull PCN httpwwwdmidkdmibull PCS httpwwwgeophysaariru

4

Физические основания для расчёта РС индекса Продольные токи в магнитосфере

[Troshichev and Kuznetsov 1977 Troshichev and Tsyganenko 1978]

bull Воздействие межпланетного электрического поля на магнитосферу приводит к постоянному движению плазмы во всей магнитосфереbull В результате градиенты плазменного давления постоянно формируются в магнитосфере и генерируются соответствующие ортогональные к силовым линиям электрические токиbull На секторных границах магнитосферы разделяющих области с противоположно-направленными поперечными токами происходит формирование пространственных электрических зарядовbull Эти заряды служат постоянным источником магнитосферных продольных электрических токов связывающих экваториальную магнитосферу с полярной ионосферойbull Токи текущие в ионосфере полярных шапок вызывают магнитные возмущенияю

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

5

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 те 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 шапках которое наблюдается в действительности при южной компоненте ММП

6

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 Lee1978] EKL = Vsw(BZ

2 +BY2)12sin2(Θ2)

где Vsw - скорость солнечного ветра BZ BY - компоненты ММП Θ ndash 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]

EM=0 mVm05 05

18 18

31 31 36

Hall current

Potential

7

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 поля Em

8

Методика расчёта РС индекса

9

Особенности метода расчёта РС индекса Troshichev O A V G Andrezen et al Planet Space Sci 36 1095 1988

Troshichev O AJanzhura and HStauning J Geophes Res 2006AJanzhura and OATroshichev JAtmos Solar-Terr Phys 2009

bull 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

bull 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

bull 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

10

Method for calculation of the PC index [Troshichev et al 1988]

1 Vector of magnetic disturbances δF is determined using the data of magnetic observations from near-pole station

δF = δDmiddotsinγ plusmn δHmiddotcosγ where γ = λ plusmn 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 ndash β) α

where ξ is the scale coefficient

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 and parameterised by season UT and hemisphere

11

Определение спокойной суточной вариации

bull Метод итерационного подбора сегментов спокойного уровня магнитного поля на основе вариационных данных полученных на станции Восток в магнитовозмущенный период в июне 2002 года

12

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 показан ход КСД в наиболее спокойные дни 13-16 июня

13

Определение спокойной суточной вариации

bull Межгодовая изменчивость КСД Н-компоненты для ноября месяца в период с 1997 по 2002 год на станции Восток

14

Параметры используемые для расчёта РС индекса

15

Ход унифицированных PCN и PCS индексов в 1998-2002гг

1 Имеет место соответствие в хлде положительных значений PC в южном и северном полушариях

2 Экстремальные значения положительного PC индекса (до 20 мВм) наблюдаются на станциях Туле и Восток одновременно

3 Oтрицательные значения PC индекса наблюдаются только в летний сезон

16

Сопоставление PCN и PCS индексов с реальными измерениями межпланетного электрического электрического поля Em

Ход разностей (ЕKL-PCN) и (ЕKL-PCS) выраженных в мВм 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 мВм

РСN и PCS индексы хорошо согласуются друг с другом

17

Реакция РС индекса на внезапные изменения параметров солнечного ветрa

межпланетного электрического поля EKL и

динамического давления Psw

18

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 ndash 30 минs

PC отвечает на изменения EKL одинаковым образом в обеих полярных шапках но летний РС почти в полтора раза больше чем зимний РС

19

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 laquoидеальногоraquo (статистического) соответствия между EKL и PC (мВм) можно вывести приблизительное соотношение ΔPsw=1 nPa asymp EKL=033 mVm

20

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)

bull Отрицательные импульсы давления Psw не сопровождается заметными изменениями в EKL но PC индекс начинает уменьшаться сразу же после ldquoнулевого моментаrdquo Оценка эффекта уменьшения давления даёт соотношение 1 nPa asymp 025 mVm

bull Положительный импульс давления Psw при северном ММП (при EKL ~ 0) сопровождается явным ростом РС индекса Оценка соответствующего эффекта даёт 1 nPa asymp 04 mVm

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 1-15 часа

21

Взаимосвязь между поведением РС индекса и магнитосферными суббурями

Рассматривались следующие категории магнитных возмущений

bull Магнитные бухты (AL ~ 150 nT) bull Короткие суббури (AE ~ 300 nT) с длительностью lt 3 часовbull Длинные суббури (AE ~ 400 nT) с длительностью gt 3 часовbull Замедленные суббури (AE ~ 200 nT) максимум которых наблюдался через несколько часов после внезапного начала bull Периодически повторяющиеся бухтообразные возмущения с AL gt 400 nT (saw-tooth substorms) в периоды высокой и устойчивой магнитной активности

22

Cоотношение между AE и РС индексами изолированные магнитные бухты и короткие суббури

Рост РСN и PCS индексов начинается примерно за час до внезапного начала суббури

23

Cоотношение между AE и РС индексами длинные и замедленные магнитные суббури

Рост РСN и PCS индексов начинается примерно за час до внезапного начала суббури

24

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 gt 3 мВм имеют место пилообразные магнитные возмущения с периодом ~ 2-3 часов

Внезапному началу каждой конкретной суббури предшествует с задержкой от 15 до 60 минут увеличение РС индекса При падении РС индекса ниже уровня ~ 2 мВм суббуря затухает

25

Cоотношения между полем EKL и РС и AL индексами в случае периодически повторяющиеся бухтообразных возмущений

Суперпозиция хода РС и AUAL индексов (тонкие линии) для 43 периодических магнитных возмущений и соответствующий ход усреднённых вариаций BZ и BY компонент ММП электрического поля EKL и индексов РС AUAL

Результатbull Быстрый и согласованный рост поля

Em и индекса PC начинается в среднем за ~ 25 минут до незапного начала возмущения

bull Величина РС в момент внезапного начала во всех 43 событиях была больше 2 мVм

bull Рост EKL и РС продолжается и после внезапного начала суббури (~15 минут) Причиной роста EKL и РС является увеличение южной компоненты ММП

bull Магнитная возмущенность в авроральной зоне (AL-индекс) начинает расти в среднем через 15 минут после начала роста РС индекса

bull Таким образом каждая суббуря демонстрирует чётко выраженную фазу роста в РС индексе

26

Relations between PC index and substorm (AL) and storm (ASYM) indices under conditions of the steadily high solar wind energy input into the magnetosphere

The most intense saw-tooth substorms are observed under conditions of the steady powerful interplanetary electric field which ensures energy for their developmentThe 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

bull the substorm sudden onsets are preceded by the PC growth

bull the substorm development do not affect the PC growth rate

bull achievement of the magnetic disturbance maximum is followed by synchronous drop in the PC and AL indices roughly down to level preceding the substorm

bull the higher was the substorm intensity the larger is the AL drop in the decline phase

27

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 (те 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

ВыводУстойчивое увеличение магнитной активности в полярной шапке является первым

признаком начинающегося магнитного возмущения в авроральной зоне Затем в связи с усилением высыпания авроральных частиц начинает расти возмущённость в авроральной зоне

28

Зависимость длительности фазы роста (Tgro) от величины РС (PCmean) и

скорости увеличения РС (РCGR) перед внезапным началом суббури

bull 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 ndash при наибольших значениях PCgro

bull Если рассматривать скорость роста РС индекса перед внезапным началом суббури то оказывается что длительность фазы роста Tgro уменьшается по экспоненциальному закону при увеличением скорости роста PCGR

29

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)

РезультатВсе параметры магнитной суббури

показывают явную связь со скоростью роста PC индекса (PCGR = dPCdT)) перед внезапным началом и после него

30

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 = - 05 + 55 PCgr с коэфф корреляции R = 0996 Средние величины PCgr и ALmax

связаны соотношением ALmax = 114 + 6570PCgr с коэфф корреляции R = 0997

ВыводСкорость 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)

31

Взаимосвязь между РС индексом и магнитными бурями

Basic criteria taken to choose the magnetic storms for the analysis bullduration of magnetic storm should be longer than 12 hours bullthe 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 PCgt2 mVm

32

Поведение функции EKL и РС индекса и развитие магнитной бури (Dst)

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24-1

0

1

2

3

4

5

6

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

December 10 1998 (2207 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36

-100

-80

-60

-40

-20

0

February 28 1999 (1748 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

0 4 8 12 16 20 24 28 32-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Time hours

November 07 1998 (1102 UT)

0 4 8 12 16 20 24 28

024

8

12

16

20

24

0 4 8 12 16 20 24 28-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

April 11 2001 (1300 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20

0

4

8

12

16

20

24

28

0 4 8 12 16 20-400

-300

-200

-100

0

Time hours

November 07 2004 (1830 UT)

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-2

0

2

4

6

8

10

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-180

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

Em

(P

C)

m

Vm

October 01 2002 (0534 UT)

Dst

n

T

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-4

0

4

8

12

16

20

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-300

-250

-200

-150

-100

-50

Time hours

November 09 2004 (1105 UT)

33

Соотношение между Em РС и Dst для бурь разной мощности

0 4 8 12 16 20 24 28

0

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

(b) Dst = - (50-80) nT N=13

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

(c) Dst = - (80-100) nT N=11

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(e) Dst = - (130-160) nT N=10

0 4 8 12 16 20 240

2

4

6

8

10

12

0 4 8 12 16 20 24

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(f) Dst = - (160-240) nT N = 6

34

Results of examination for individual storms and for summary plots

bull The magnetic depression starts to develop when field EKL and PC index firmly as soon as PC and EKL exceed the threshold ~2 mVm

bull As a whole rule PC and EKL cross the threshold simultaneously although sometimes EKL goes ahead PC sometimes PC goes ahead EKL

bull 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

bull When EKL (PC) slowly rises and reaches the maximum value only by the end of disturbed period the slow start storm pattern takes place

bull When EKL (PC) demonstrates repetitive strong enhancements and decreases the magnetic storm displays the appropriate multiple depressions with growth and damping phases

bull The persistent descend of PC (EKL) below the threshold level 2 mVm is indicative on the end of the storm main phase (damping phase) and transition to the storm recovery phase

bull The ldquoPC saturation effectrdquo is typical of events with the PC and EKL values gt 6 mVm

35

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 = -1732 - 1933EKL and Dst = 2313 - 3215PC It is particularly remarkable that correlation

between Dstmin and PC index turned out to be higher (R= - 079) than between Dst(min) and interplanetary electric field Em (R = - 074)

There is also the high correlation (R=095) between values Dst(decay) estimated for moments when EKL and PC firmly fall below the threshold level 2mVm

36

Зависимость интенсивности бури Dst от величин функции Еkl и РС индекса

bull 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)

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

Dst

(tra

ns)

n

T

EKL

(PC) damp mVm

EKL

PC

(a) Storm intensity Dst(peak) vs EKL

and PC values

(b) Storm parameter Dst_trans vs EKL and PC values

Dst

(pe

ak)

n

T

EKL

(PC) growth mVm

PC

EKL

37

Магнитные бури и магнитосферные суббуриразвивающиеся 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 ldquothere was a first energy storage in the magnetotail and then a delayed energy injection into the magnetosphererdquo

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

38

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 gt 800 kms

The Em drop below 2 mVm is noted only for short period from 2215 to 2330UT on January 21 but this drop is not confirmed by the PC index which was larger than 4 mVm at this time the EKL and PC values grew again above 4 mVm by 0200 UT as a result the geomagnetic storm was being continued

ConclusionThe storm of 21-22 January 2005

should be regarded as nothing out of the ordinary event if we examine behavior of PC index

39

Магнитосферные суббури при северном ММП (список Lee et al 2010) ndash cуббури с выраженным началом в АL индексе

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 mVm 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

Effect of ldquoPC index saturationrdquo typical of high values of coupling function is clearly revealed during substorm event of November 16 2000

40

Суббури при северном ММП без внезапного начала в АL индексе (список Lee et al 2010)

Behavior 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)

In events (a) and (b) the IMF BZN component was insignificant The respective EKL and PC quantities were higher than 6 mVm 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

In events (c) and (d) the value of the IMF BZN component was steadily high (gt10-20 nT) The coupling function EKL well responds to the IMF BY and BZN variations In average EKL and PC quantities were close to the threshold level 2 mVm the substorm intensity was correspondingly low (AEasymp100-250nT)

41

Развитие магнитосферных суббурь в условиях северного ММП (список Lee et al 2010)

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 ldquoPC saturation effectrdquo

Conclusion The high level of the EKL (and PC) values

under conditions of northward IMF is provided by the IMF BY component

42

Суббури триггируемые внезапным поворотом ММП в северу (или изменением полярности BY сомпоненты)

There are some features typical of ldquotriggeredrdquo 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 20ndash30 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

ConclusionldquoTriggeredrdquo substorms have no

relation to ldquonorthward IMF turningrdquo or BY reverse

43

Соотношение между laquocoupling functionraquo 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 increasing By in spite of northward IMF orientation the EKL value can be as large as 5-10 mVm

44

Выводы

bull 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 mVm even даже при северном ММП PC индекс растёт в соответствии с ростом величины EKL

bull 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 laquoэкстраординарные возмущенияraquo являются вдействительности обычными возмущениями Происходящими при необходимом и достаточном условии для развития суббурь (PC ge 15-17 mVm) или магнитных бурь (PC ge 2 mVm)

bull Та же ситуация верна и для суббурь триггируемых резких поворотом ММП к северу (laquonorthward turningraquo) 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

45

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

bull магнитные бури и магнитосферные суббури начинаются только в том случае если величина PC индекса превышает некий пороговый уровень (~ 2 mVm для бурь и gt15mVm для суббурь)

bull длительность фазы роста суббури и интенсивность суббури определяются скоростью нарастания РС индекса развитие суббури прекращается как только величина PC индекса падает ниже 1-15 mVm

bull продолжительность магнитной бури определяется длительностью периода когда PCgt2mVm и интенсивность бури (Dst_peak) линейно связана с величиной РС индекса усреднённой за длительность главной фазы

bull периодичность saw-tooth substorms происходящих в условиях устойчивого высокого уровня функции EKL определяется продолжительностью laquoфазы роста РС индексаraquo и laquoфазы спада РС индексаraquo сменяющих друг друга

bull Развитие бурь и суббурь лучше согласуется с ходом РС индекса чем с вариациями функции EKL

bull ldquoнеобычныеrdquo бури и суббури происходящие при воздействии северной компоненты ММП оказываются обычными возмущениями если рассматривать их в отношении к РС индексу и функции EKL

bull PC индекс адекватно реагирует на резкие изменения динамического давления солнечного ветра

46

Все рассмотренные выше закономерности приводят к заключению что РС индекс следует рассматривать как адекватный и удобный показатель (laquoproxyraquo) энергии солнечного ветра поступившей в ионосферу

Если придерживаться этой точки зрения становится очевидным почему бури и суббури лучше коррелируют с РС индексом чем с laquocoupling functionraquo 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

bull PCN httpwwwdmidkdmibull PCS httpwwwgeophysaariru

5

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 те 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 шапках которое наблюдается в действительности при южной компоненте ММП

6

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 Lee1978] EKL = Vsw(BZ

2 +BY2)12sin2(Θ2)

где Vsw - скорость солнечного ветра BZ BY - компоненты ММП Θ ndash 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]

EM=0 mVm05 05

18 18

31 31 36

Hall current

Potential

7

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 поля Em

8

Методика расчёта РС индекса

9

Особенности метода расчёта РС индекса Troshichev O A V G Andrezen et al Planet Space Sci 36 1095 1988

Troshichev O AJanzhura and HStauning J Geophes Res 2006AJanzhura and OATroshichev JAtmos Solar-Terr Phys 2009

bull 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

bull 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

bull 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

10

Method for calculation of the PC index [Troshichev et al 1988]

1 Vector of magnetic disturbances δF is determined using the data of magnetic observations from near-pole station

δF = δDmiddotsinγ plusmn δHmiddotcosγ where γ = λ plusmn 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 ndash β) α

where ξ is the scale coefficient

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 and parameterised by season UT and hemisphere

11

Определение спокойной суточной вариации

bull Метод итерационного подбора сегментов спокойного уровня магнитного поля на основе вариационных данных полученных на станции Восток в магнитовозмущенный период в июне 2002 года

12

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 показан ход КСД в наиболее спокойные дни 13-16 июня

13

Определение спокойной суточной вариации

bull Межгодовая изменчивость КСД Н-компоненты для ноября месяца в период с 1997 по 2002 год на станции Восток

14

Параметры используемые для расчёта РС индекса

15

Ход унифицированных PCN и PCS индексов в 1998-2002гг

1 Имеет место соответствие в хлде положительных значений PC в южном и северном полушариях

2 Экстремальные значения положительного PC индекса (до 20 мВм) наблюдаются на станциях Туле и Восток одновременно

3 Oтрицательные значения PC индекса наблюдаются только в летний сезон

16

Сопоставление PCN и PCS индексов с реальными измерениями межпланетного электрического электрического поля Em

Ход разностей (ЕKL-PCN) и (ЕKL-PCS) выраженных в мВм 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 мВм

РСN и PCS индексы хорошо согласуются друг с другом

17

Реакция РС индекса на внезапные изменения параметров солнечного ветрa

межпланетного электрического поля EKL и

динамического давления Psw

18

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 ndash 30 минs

PC отвечает на изменения EKL одинаковым образом в обеих полярных шапках но летний РС почти в полтора раза больше чем зимний РС

19

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 laquoидеальногоraquo (статистического) соответствия между EKL и PC (мВм) можно вывести приблизительное соотношение ΔPsw=1 nPa asymp EKL=033 mVm

20

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)

bull Отрицательные импульсы давления Psw не сопровождается заметными изменениями в EKL но PC индекс начинает уменьшаться сразу же после ldquoнулевого моментаrdquo Оценка эффекта уменьшения давления даёт соотношение 1 nPa asymp 025 mVm

bull Положительный импульс давления Psw при северном ММП (при EKL ~ 0) сопровождается явным ростом РС индекса Оценка соответствующего эффекта даёт 1 nPa asymp 04 mVm

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 1-15 часа

21

Взаимосвязь между поведением РС индекса и магнитосферными суббурями

Рассматривались следующие категории магнитных возмущений

bull Магнитные бухты (AL ~ 150 nT) bull Короткие суббури (AE ~ 300 nT) с длительностью lt 3 часовbull Длинные суббури (AE ~ 400 nT) с длительностью gt 3 часовbull Замедленные суббури (AE ~ 200 nT) максимум которых наблюдался через несколько часов после внезапного начала bull Периодически повторяющиеся бухтообразные возмущения с AL gt 400 nT (saw-tooth substorms) в периоды высокой и устойчивой магнитной активности

22

Cоотношение между AE и РС индексами изолированные магнитные бухты и короткие суббури

Рост РСN и PCS индексов начинается примерно за час до внезапного начала суббури

23

Cоотношение между AE и РС индексами длинные и замедленные магнитные суббури

Рост РСN и PCS индексов начинается примерно за час до внезапного начала суббури

24

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 gt 3 мВм имеют место пилообразные магнитные возмущения с периодом ~ 2-3 часов

Внезапному началу каждой конкретной суббури предшествует с задержкой от 15 до 60 минут увеличение РС индекса При падении РС индекса ниже уровня ~ 2 мВм суббуря затухает

25

Cоотношения между полем EKL и РС и AL индексами в случае периодически повторяющиеся бухтообразных возмущений

Суперпозиция хода РС и AUAL индексов (тонкие линии) для 43 периодических магнитных возмущений и соответствующий ход усреднённых вариаций BZ и BY компонент ММП электрического поля EKL и индексов РС AUAL

Результатbull Быстрый и согласованный рост поля

Em и индекса PC начинается в среднем за ~ 25 минут до незапного начала возмущения

bull Величина РС в момент внезапного начала во всех 43 событиях была больше 2 мVм

bull Рост EKL и РС продолжается и после внезапного начала суббури (~15 минут) Причиной роста EKL и РС является увеличение южной компоненты ММП

bull Магнитная возмущенность в авроральной зоне (AL-индекс) начинает расти в среднем через 15 минут после начала роста РС индекса

bull Таким образом каждая суббуря демонстрирует чётко выраженную фазу роста в РС индексе

26

Relations between PC index and substorm (AL) and storm (ASYM) indices under conditions of the steadily high solar wind energy input into the magnetosphere

The most intense saw-tooth substorms are observed under conditions of the steady powerful interplanetary electric field which ensures energy for their developmentThe 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

bull the substorm sudden onsets are preceded by the PC growth

bull the substorm development do not affect the PC growth rate

bull achievement of the magnetic disturbance maximum is followed by synchronous drop in the PC and AL indices roughly down to level preceding the substorm

bull the higher was the substorm intensity the larger is the AL drop in the decline phase

27

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 (те 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

ВыводУстойчивое увеличение магнитной активности в полярной шапке является первым

признаком начинающегося магнитного возмущения в авроральной зоне Затем в связи с усилением высыпания авроральных частиц начинает расти возмущённость в авроральной зоне

28

Зависимость длительности фазы роста (Tgro) от величины РС (PCmean) и

скорости увеличения РС (РCGR) перед внезапным началом суббури

bull 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 ndash при наибольших значениях PCgro

bull Если рассматривать скорость роста РС индекса перед внезапным началом суббури то оказывается что длительность фазы роста Tgro уменьшается по экспоненциальному закону при увеличением скорости роста PCGR

29

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)

РезультатВсе параметры магнитной суббури

показывают явную связь со скоростью роста PC индекса (PCGR = dPCdT)) перед внезапным началом и после него

30

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 = - 05 + 55 PCgr с коэфф корреляции R = 0996 Средние величины PCgr и ALmax

связаны соотношением ALmax = 114 + 6570PCgr с коэфф корреляции R = 0997

ВыводСкорость 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)

31

Взаимосвязь между РС индексом и магнитными бурями

Basic criteria taken to choose the magnetic storms for the analysis bullduration of magnetic storm should be longer than 12 hours bullthe 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 PCgt2 mVm

32

Поведение функции EKL и РС индекса и развитие магнитной бури (Dst)

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24-1

0

1

2

3

4

5

6

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

December 10 1998 (2207 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36

-100

-80

-60

-40

-20

0

February 28 1999 (1748 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

0 4 8 12 16 20 24 28 32-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Time hours

November 07 1998 (1102 UT)

0 4 8 12 16 20 24 28

024

8

12

16

20

24

0 4 8 12 16 20 24 28-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

April 11 2001 (1300 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20

0

4

8

12

16

20

24

28

0 4 8 12 16 20-400

-300

-200

-100

0

Time hours

November 07 2004 (1830 UT)

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-2

0

2

4

6

8

10

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-180

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

Em

(P

C)

m

Vm

October 01 2002 (0534 UT)

Dst

n

T

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-4

0

4

8

12

16

20

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-300

-250

-200

-150

-100

-50

Time hours

November 09 2004 (1105 UT)

33

Соотношение между Em РС и Dst для бурь разной мощности

0 4 8 12 16 20 24 28

0

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

(b) Dst = - (50-80) nT N=13

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

(c) Dst = - (80-100) nT N=11

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(e) Dst = - (130-160) nT N=10

0 4 8 12 16 20 240

2

4

6

8

10

12

0 4 8 12 16 20 24

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(f) Dst = - (160-240) nT N = 6

34

Results of examination for individual storms and for summary plots

bull The magnetic depression starts to develop when field EKL and PC index firmly as soon as PC and EKL exceed the threshold ~2 mVm

bull As a whole rule PC and EKL cross the threshold simultaneously although sometimes EKL goes ahead PC sometimes PC goes ahead EKL

bull 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

bull When EKL (PC) slowly rises and reaches the maximum value only by the end of disturbed period the slow start storm pattern takes place

bull When EKL (PC) demonstrates repetitive strong enhancements and decreases the magnetic storm displays the appropriate multiple depressions with growth and damping phases

bull The persistent descend of PC (EKL) below the threshold level 2 mVm is indicative on the end of the storm main phase (damping phase) and transition to the storm recovery phase

bull The ldquoPC saturation effectrdquo is typical of events with the PC and EKL values gt 6 mVm

35

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 = -1732 - 1933EKL and Dst = 2313 - 3215PC It is particularly remarkable that correlation

between Dstmin and PC index turned out to be higher (R= - 079) than between Dst(min) and interplanetary electric field Em (R = - 074)

There is also the high correlation (R=095) between values Dst(decay) estimated for moments when EKL and PC firmly fall below the threshold level 2mVm

36

Зависимость интенсивности бури Dst от величин функции Еkl и РС индекса

bull 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)

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

Dst

(tra

ns)

n

T

EKL

(PC) damp mVm

EKL

PC

(a) Storm intensity Dst(peak) vs EKL

and PC values

(b) Storm parameter Dst_trans vs EKL and PC values

Dst

(pe

ak)

n

T

EKL

(PC) growth mVm

PC

EKL

37

Магнитные бури и магнитосферные суббуриразвивающиеся 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 ldquothere was a first energy storage in the magnetotail and then a delayed energy injection into the magnetosphererdquo

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

38

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 gt 800 kms

The Em drop below 2 mVm is noted only for short period from 2215 to 2330UT on January 21 but this drop is not confirmed by the PC index which was larger than 4 mVm at this time the EKL and PC values grew again above 4 mVm by 0200 UT as a result the geomagnetic storm was being continued

ConclusionThe storm of 21-22 January 2005

should be regarded as nothing out of the ordinary event if we examine behavior of PC index

39

Магнитосферные суббури при северном ММП (список Lee et al 2010) ndash cуббури с выраженным началом в АL индексе

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 mVm 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

Effect of ldquoPC index saturationrdquo typical of high values of coupling function is clearly revealed during substorm event of November 16 2000

40

Суббури при северном ММП без внезапного начала в АL индексе (список Lee et al 2010)

Behavior 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)

In events (a) and (b) the IMF BZN component was insignificant The respective EKL and PC quantities were higher than 6 mVm 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

In events (c) and (d) the value of the IMF BZN component was steadily high (gt10-20 nT) The coupling function EKL well responds to the IMF BY and BZN variations In average EKL and PC quantities were close to the threshold level 2 mVm the substorm intensity was correspondingly low (AEasymp100-250nT)

41

Развитие магнитосферных суббурь в условиях северного ММП (список Lee et al 2010)

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 ldquoPC saturation effectrdquo

Conclusion The high level of the EKL (and PC) values

under conditions of northward IMF is provided by the IMF BY component

42

Суббури триггируемые внезапным поворотом ММП в северу (или изменением полярности BY сомпоненты)

There are some features typical of ldquotriggeredrdquo 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 20ndash30 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

ConclusionldquoTriggeredrdquo substorms have no

relation to ldquonorthward IMF turningrdquo or BY reverse

43

Соотношение между laquocoupling functionraquo 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 increasing By in spite of northward IMF orientation the EKL value can be as large as 5-10 mVm

44

Выводы

bull 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 mVm even даже при северном ММП PC индекс растёт в соответствии с ростом величины EKL

bull 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 laquoэкстраординарные возмущенияraquo являются вдействительности обычными возмущениями Происходящими при необходимом и достаточном условии для развития суббурь (PC ge 15-17 mVm) или магнитных бурь (PC ge 2 mVm)

bull Та же ситуация верна и для суббурь триггируемых резких поворотом ММП к северу (laquonorthward turningraquo) 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

45

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

bull магнитные бури и магнитосферные суббури начинаются только в том случае если величина PC индекса превышает некий пороговый уровень (~ 2 mVm для бурь и gt15mVm для суббурь)

bull длительность фазы роста суббури и интенсивность суббури определяются скоростью нарастания РС индекса развитие суббури прекращается как только величина PC индекса падает ниже 1-15 mVm

bull продолжительность магнитной бури определяется длительностью периода когда PCgt2mVm и интенсивность бури (Dst_peak) линейно связана с величиной РС индекса усреднённой за длительность главной фазы

bull периодичность saw-tooth substorms происходящих в условиях устойчивого высокого уровня функции EKL определяется продолжительностью laquoфазы роста РС индексаraquo и laquoфазы спада РС индексаraquo сменяющих друг друга

bull Развитие бурь и суббурь лучше согласуется с ходом РС индекса чем с вариациями функции EKL

bull ldquoнеобычныеrdquo бури и суббури происходящие при воздействии северной компоненты ММП оказываются обычными возмущениями если рассматривать их в отношении к РС индексу и функции EKL

bull PC индекс адекватно реагирует на резкие изменения динамического давления солнечного ветра

46

Все рассмотренные выше закономерности приводят к заключению что РС индекс следует рассматривать как адекватный и удобный показатель (laquoproxyraquo) энергии солнечного ветра поступившей в ионосферу

Если придерживаться этой точки зрения становится очевидным почему бури и суббури лучше коррелируют с РС индексом чем с laquocoupling functionraquo 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

bull PCN httpwwwdmidkdmibull PCS httpwwwgeophysaariru

6

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 Lee1978] EKL = Vsw(BZ

2 +BY2)12sin2(Θ2)

где Vsw - скорость солнечного ветра BZ BY - компоненты ММП Θ ndash 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]

EM=0 mVm05 05

18 18

31 31 36

Hall current

Potential

7

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 поля Em

8

Методика расчёта РС индекса

9

Особенности метода расчёта РС индекса Troshichev O A V G Andrezen et al Planet Space Sci 36 1095 1988

Troshichev O AJanzhura and HStauning J Geophes Res 2006AJanzhura and OATroshichev JAtmos Solar-Terr Phys 2009

bull 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

bull 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

bull 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

10

Method for calculation of the PC index [Troshichev et al 1988]

1 Vector of magnetic disturbances δF is determined using the data of magnetic observations from near-pole station

δF = δDmiddotsinγ plusmn δHmiddotcosγ where γ = λ plusmn 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 ndash β) α

where ξ is the scale coefficient

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 and parameterised by season UT and hemisphere

11

Определение спокойной суточной вариации

bull Метод итерационного подбора сегментов спокойного уровня магнитного поля на основе вариационных данных полученных на станции Восток в магнитовозмущенный период в июне 2002 года

12

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 показан ход КСД в наиболее спокойные дни 13-16 июня

13

Определение спокойной суточной вариации

bull Межгодовая изменчивость КСД Н-компоненты для ноября месяца в период с 1997 по 2002 год на станции Восток

14

Параметры используемые для расчёта РС индекса

15

Ход унифицированных PCN и PCS индексов в 1998-2002гг

1 Имеет место соответствие в хлде положительных значений PC в южном и северном полушариях

2 Экстремальные значения положительного PC индекса (до 20 мВм) наблюдаются на станциях Туле и Восток одновременно

3 Oтрицательные значения PC индекса наблюдаются только в летний сезон

16

Сопоставление PCN и PCS индексов с реальными измерениями межпланетного электрического электрического поля Em

Ход разностей (ЕKL-PCN) и (ЕKL-PCS) выраженных в мВм 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 мВм

РСN и PCS индексы хорошо согласуются друг с другом

17

Реакция РС индекса на внезапные изменения параметров солнечного ветрa

межпланетного электрического поля EKL и

динамического давления Psw

18

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 ndash 30 минs

PC отвечает на изменения EKL одинаковым образом в обеих полярных шапках но летний РС почти в полтора раза больше чем зимний РС

19

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 laquoидеальногоraquo (статистического) соответствия между EKL и PC (мВм) можно вывести приблизительное соотношение ΔPsw=1 nPa asymp EKL=033 mVm

20

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)

bull Отрицательные импульсы давления Psw не сопровождается заметными изменениями в EKL но PC индекс начинает уменьшаться сразу же после ldquoнулевого моментаrdquo Оценка эффекта уменьшения давления даёт соотношение 1 nPa asymp 025 mVm

bull Положительный импульс давления Psw при северном ММП (при EKL ~ 0) сопровождается явным ростом РС индекса Оценка соответствующего эффекта даёт 1 nPa asymp 04 mVm

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 1-15 часа

21

Взаимосвязь между поведением РС индекса и магнитосферными суббурями

Рассматривались следующие категории магнитных возмущений

bull Магнитные бухты (AL ~ 150 nT) bull Короткие суббури (AE ~ 300 nT) с длительностью lt 3 часовbull Длинные суббури (AE ~ 400 nT) с длительностью gt 3 часовbull Замедленные суббури (AE ~ 200 nT) максимум которых наблюдался через несколько часов после внезапного начала bull Периодически повторяющиеся бухтообразные возмущения с AL gt 400 nT (saw-tooth substorms) в периоды высокой и устойчивой магнитной активности

22

Cоотношение между AE и РС индексами изолированные магнитные бухты и короткие суббури

Рост РСN и PCS индексов начинается примерно за час до внезапного начала суббури

23

Cоотношение между AE и РС индексами длинные и замедленные магнитные суббури

Рост РСN и PCS индексов начинается примерно за час до внезапного начала суббури

24

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 gt 3 мВм имеют место пилообразные магнитные возмущения с периодом ~ 2-3 часов

Внезапному началу каждой конкретной суббури предшествует с задержкой от 15 до 60 минут увеличение РС индекса При падении РС индекса ниже уровня ~ 2 мВм суббуря затухает

25

Cоотношения между полем EKL и РС и AL индексами в случае периодически повторяющиеся бухтообразных возмущений

Суперпозиция хода РС и AUAL индексов (тонкие линии) для 43 периодических магнитных возмущений и соответствующий ход усреднённых вариаций BZ и BY компонент ММП электрического поля EKL и индексов РС AUAL

Результатbull Быстрый и согласованный рост поля

Em и индекса PC начинается в среднем за ~ 25 минут до незапного начала возмущения

bull Величина РС в момент внезапного начала во всех 43 событиях была больше 2 мVм

bull Рост EKL и РС продолжается и после внезапного начала суббури (~15 минут) Причиной роста EKL и РС является увеличение южной компоненты ММП

bull Магнитная возмущенность в авроральной зоне (AL-индекс) начинает расти в среднем через 15 минут после начала роста РС индекса

bull Таким образом каждая суббуря демонстрирует чётко выраженную фазу роста в РС индексе

26

Relations between PC index and substorm (AL) and storm (ASYM) indices under conditions of the steadily high solar wind energy input into the magnetosphere

The most intense saw-tooth substorms are observed under conditions of the steady powerful interplanetary electric field which ensures energy for their developmentThe 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

bull the substorm sudden onsets are preceded by the PC growth

bull the substorm development do not affect the PC growth rate

bull achievement of the magnetic disturbance maximum is followed by synchronous drop in the PC and AL indices roughly down to level preceding the substorm

bull the higher was the substorm intensity the larger is the AL drop in the decline phase

27

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 (те 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

ВыводУстойчивое увеличение магнитной активности в полярной шапке является первым

признаком начинающегося магнитного возмущения в авроральной зоне Затем в связи с усилением высыпания авроральных частиц начинает расти возмущённость в авроральной зоне

28

Зависимость длительности фазы роста (Tgro) от величины РС (PCmean) и

скорости увеличения РС (РCGR) перед внезапным началом суббури

bull 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 ndash при наибольших значениях PCgro

bull Если рассматривать скорость роста РС индекса перед внезапным началом суббури то оказывается что длительность фазы роста Tgro уменьшается по экспоненциальному закону при увеличением скорости роста PCGR

29

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)

РезультатВсе параметры магнитной суббури

показывают явную связь со скоростью роста PC индекса (PCGR = dPCdT)) перед внезапным началом и после него

30

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 = - 05 + 55 PCgr с коэфф корреляции R = 0996 Средние величины PCgr и ALmax

связаны соотношением ALmax = 114 + 6570PCgr с коэфф корреляции R = 0997

ВыводСкорость 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)

31

Взаимосвязь между РС индексом и магнитными бурями

Basic criteria taken to choose the magnetic storms for the analysis bullduration of magnetic storm should be longer than 12 hours bullthe 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 PCgt2 mVm

32

Поведение функции EKL и РС индекса и развитие магнитной бури (Dst)

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24-1

0

1

2

3

4

5

6

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

December 10 1998 (2207 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36

-100

-80

-60

-40

-20

0

February 28 1999 (1748 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

0 4 8 12 16 20 24 28 32-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Time hours

November 07 1998 (1102 UT)

0 4 8 12 16 20 24 28

024

8

12

16

20

24

0 4 8 12 16 20 24 28-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

April 11 2001 (1300 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20

0

4

8

12

16

20

24

28

0 4 8 12 16 20-400

-300

-200

-100

0

Time hours

November 07 2004 (1830 UT)

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-2

0

2

4

6

8

10

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-180

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

Em

(P

C)

m

Vm

October 01 2002 (0534 UT)

Dst

n

T

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-4

0

4

8

12

16

20

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-300

-250

-200

-150

-100

-50

Time hours

November 09 2004 (1105 UT)

33

Соотношение между Em РС и Dst для бурь разной мощности

0 4 8 12 16 20 24 28

0

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

(b) Dst = - (50-80) nT N=13

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

(c) Dst = - (80-100) nT N=11

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(e) Dst = - (130-160) nT N=10

0 4 8 12 16 20 240

2

4

6

8

10

12

0 4 8 12 16 20 24

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(f) Dst = - (160-240) nT N = 6

34

Results of examination for individual storms and for summary plots

bull The magnetic depression starts to develop when field EKL and PC index firmly as soon as PC and EKL exceed the threshold ~2 mVm

bull As a whole rule PC and EKL cross the threshold simultaneously although sometimes EKL goes ahead PC sometimes PC goes ahead EKL

bull 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

bull When EKL (PC) slowly rises and reaches the maximum value only by the end of disturbed period the slow start storm pattern takes place

bull When EKL (PC) demonstrates repetitive strong enhancements and decreases the magnetic storm displays the appropriate multiple depressions with growth and damping phases

bull The persistent descend of PC (EKL) below the threshold level 2 mVm is indicative on the end of the storm main phase (damping phase) and transition to the storm recovery phase

bull The ldquoPC saturation effectrdquo is typical of events with the PC and EKL values gt 6 mVm

35

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 = -1732 - 1933EKL and Dst = 2313 - 3215PC It is particularly remarkable that correlation

between Dstmin and PC index turned out to be higher (R= - 079) than between Dst(min) and interplanetary electric field Em (R = - 074)

There is also the high correlation (R=095) between values Dst(decay) estimated for moments when EKL and PC firmly fall below the threshold level 2mVm

36

Зависимость интенсивности бури Dst от величин функции Еkl и РС индекса

bull 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)

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

Dst

(tra

ns)

n

T

EKL

(PC) damp mVm

EKL

PC

(a) Storm intensity Dst(peak) vs EKL

and PC values

(b) Storm parameter Dst_trans vs EKL and PC values

Dst

(pe

ak)

n

T

EKL

(PC) growth mVm

PC

EKL

37

Магнитные бури и магнитосферные суббуриразвивающиеся 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 ldquothere was a first energy storage in the magnetotail and then a delayed energy injection into the magnetosphererdquo

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

38

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 gt 800 kms

The Em drop below 2 mVm is noted only for short period from 2215 to 2330UT on January 21 but this drop is not confirmed by the PC index which was larger than 4 mVm at this time the EKL and PC values grew again above 4 mVm by 0200 UT as a result the geomagnetic storm was being continued

ConclusionThe storm of 21-22 January 2005

should be regarded as nothing out of the ordinary event if we examine behavior of PC index

39

Магнитосферные суббури при северном ММП (список Lee et al 2010) ndash cуббури с выраженным началом в АL индексе

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 mVm 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

Effect of ldquoPC index saturationrdquo typical of high values of coupling function is clearly revealed during substorm event of November 16 2000

40

Суббури при северном ММП без внезапного начала в АL индексе (список Lee et al 2010)

Behavior 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)

In events (a) and (b) the IMF BZN component was insignificant The respective EKL and PC quantities were higher than 6 mVm 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

In events (c) and (d) the value of the IMF BZN component was steadily high (gt10-20 nT) The coupling function EKL well responds to the IMF BY and BZN variations In average EKL and PC quantities were close to the threshold level 2 mVm the substorm intensity was correspondingly low (AEasymp100-250nT)

41

Развитие магнитосферных суббурь в условиях северного ММП (список Lee et al 2010)

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 ldquoPC saturation effectrdquo

Conclusion The high level of the EKL (and PC) values

under conditions of northward IMF is provided by the IMF BY component

42

Суббури триггируемые внезапным поворотом ММП в северу (или изменением полярности BY сомпоненты)

There are some features typical of ldquotriggeredrdquo 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 20ndash30 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

ConclusionldquoTriggeredrdquo substorms have no

relation to ldquonorthward IMF turningrdquo or BY reverse

43

Соотношение между laquocoupling functionraquo 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 increasing By in spite of northward IMF orientation the EKL value can be as large as 5-10 mVm

44

Выводы

bull 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 mVm even даже при северном ММП PC индекс растёт в соответствии с ростом величины EKL

bull 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 laquoэкстраординарные возмущенияraquo являются вдействительности обычными возмущениями Происходящими при необходимом и достаточном условии для развития суббурь (PC ge 15-17 mVm) или магнитных бурь (PC ge 2 mVm)

bull Та же ситуация верна и для суббурь триггируемых резких поворотом ММП к северу (laquonorthward turningraquo) 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

45

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

bull магнитные бури и магнитосферные суббури начинаются только в том случае если величина PC индекса превышает некий пороговый уровень (~ 2 mVm для бурь и gt15mVm для суббурь)

bull длительность фазы роста суббури и интенсивность суббури определяются скоростью нарастания РС индекса развитие суббури прекращается как только величина PC индекса падает ниже 1-15 mVm

bull продолжительность магнитной бури определяется длительностью периода когда PCgt2mVm и интенсивность бури (Dst_peak) линейно связана с величиной РС индекса усреднённой за длительность главной фазы

bull периодичность saw-tooth substorms происходящих в условиях устойчивого высокого уровня функции EKL определяется продолжительностью laquoфазы роста РС индексаraquo и laquoфазы спада РС индексаraquo сменяющих друг друга

bull Развитие бурь и суббурь лучше согласуется с ходом РС индекса чем с вариациями функции EKL

bull ldquoнеобычныеrdquo бури и суббури происходящие при воздействии северной компоненты ММП оказываются обычными возмущениями если рассматривать их в отношении к РС индексу и функции EKL

bull PC индекс адекватно реагирует на резкие изменения динамического давления солнечного ветра

46

Все рассмотренные выше закономерности приводят к заключению что РС индекс следует рассматривать как адекватный и удобный показатель (laquoproxyraquo) энергии солнечного ветра поступившей в ионосферу

Если придерживаться этой точки зрения становится очевидным почему бури и суббури лучше коррелируют с РС индексом чем с laquocoupling functionraquo 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

bull PCN httpwwwdmidkdmibull PCS httpwwwgeophysaariru

7

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 поля Em

8

Методика расчёта РС индекса

9

Особенности метода расчёта РС индекса Troshichev O A V G Andrezen et al Planet Space Sci 36 1095 1988

Troshichev O AJanzhura and HStauning J Geophes Res 2006AJanzhura and OATroshichev JAtmos Solar-Terr Phys 2009

bull 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

bull 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

bull 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

10

Method for calculation of the PC index [Troshichev et al 1988]

1 Vector of magnetic disturbances δF is determined using the data of magnetic observations from near-pole station

δF = δDmiddotsinγ plusmn δHmiddotcosγ where γ = λ plusmn 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 ndash β) α

where ξ is the scale coefficient

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 and parameterised by season UT and hemisphere

11

Определение спокойной суточной вариации

bull Метод итерационного подбора сегментов спокойного уровня магнитного поля на основе вариационных данных полученных на станции Восток в магнитовозмущенный период в июне 2002 года

12

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 показан ход КСД в наиболее спокойные дни 13-16 июня

13

Определение спокойной суточной вариации

bull Межгодовая изменчивость КСД Н-компоненты для ноября месяца в период с 1997 по 2002 год на станции Восток

14

Параметры используемые для расчёта РС индекса

15

Ход унифицированных PCN и PCS индексов в 1998-2002гг

1 Имеет место соответствие в хлде положительных значений PC в южном и северном полушариях

2 Экстремальные значения положительного PC индекса (до 20 мВм) наблюдаются на станциях Туле и Восток одновременно

3 Oтрицательные значения PC индекса наблюдаются только в летний сезон

16

Сопоставление PCN и PCS индексов с реальными измерениями межпланетного электрического электрического поля Em

Ход разностей (ЕKL-PCN) и (ЕKL-PCS) выраженных в мВм 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 мВм

РСN и PCS индексы хорошо согласуются друг с другом

17

Реакция РС индекса на внезапные изменения параметров солнечного ветрa

межпланетного электрического поля EKL и

динамического давления Psw

18

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 ndash 30 минs

PC отвечает на изменения EKL одинаковым образом в обеих полярных шапках но летний РС почти в полтора раза больше чем зимний РС

19

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 laquoидеальногоraquo (статистического) соответствия между EKL и PC (мВм) можно вывести приблизительное соотношение ΔPsw=1 nPa asymp EKL=033 mVm

20

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)

bull Отрицательные импульсы давления Psw не сопровождается заметными изменениями в EKL но PC индекс начинает уменьшаться сразу же после ldquoнулевого моментаrdquo Оценка эффекта уменьшения давления даёт соотношение 1 nPa asymp 025 mVm

bull Положительный импульс давления Psw при северном ММП (при EKL ~ 0) сопровождается явным ростом РС индекса Оценка соответствующего эффекта даёт 1 nPa asymp 04 mVm

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 1-15 часа

21

Взаимосвязь между поведением РС индекса и магнитосферными суббурями

Рассматривались следующие категории магнитных возмущений

bull Магнитные бухты (AL ~ 150 nT) bull Короткие суббури (AE ~ 300 nT) с длительностью lt 3 часовbull Длинные суббури (AE ~ 400 nT) с длительностью gt 3 часовbull Замедленные суббури (AE ~ 200 nT) максимум которых наблюдался через несколько часов после внезапного начала bull Периодически повторяющиеся бухтообразные возмущения с AL gt 400 nT (saw-tooth substorms) в периоды высокой и устойчивой магнитной активности

22

Cоотношение между AE и РС индексами изолированные магнитные бухты и короткие суббури

Рост РСN и PCS индексов начинается примерно за час до внезапного начала суббури

23

Cоотношение между AE и РС индексами длинные и замедленные магнитные суббури

Рост РСN и PCS индексов начинается примерно за час до внезапного начала суббури

24

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 gt 3 мВм имеют место пилообразные магнитные возмущения с периодом ~ 2-3 часов

Внезапному началу каждой конкретной суббури предшествует с задержкой от 15 до 60 минут увеличение РС индекса При падении РС индекса ниже уровня ~ 2 мВм суббуря затухает

25

Cоотношения между полем EKL и РС и AL индексами в случае периодически повторяющиеся бухтообразных возмущений

Суперпозиция хода РС и AUAL индексов (тонкие линии) для 43 периодических магнитных возмущений и соответствующий ход усреднённых вариаций BZ и BY компонент ММП электрического поля EKL и индексов РС AUAL

Результатbull Быстрый и согласованный рост поля

Em и индекса PC начинается в среднем за ~ 25 минут до незапного начала возмущения

bull Величина РС в момент внезапного начала во всех 43 событиях была больше 2 мVм

bull Рост EKL и РС продолжается и после внезапного начала суббури (~15 минут) Причиной роста EKL и РС является увеличение южной компоненты ММП

bull Магнитная возмущенность в авроральной зоне (AL-индекс) начинает расти в среднем через 15 минут после начала роста РС индекса

bull Таким образом каждая суббуря демонстрирует чётко выраженную фазу роста в РС индексе

26

Relations between PC index and substorm (AL) and storm (ASYM) indices under conditions of the steadily high solar wind energy input into the magnetosphere

The most intense saw-tooth substorms are observed under conditions of the steady powerful interplanetary electric field which ensures energy for their developmentThe 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

bull the substorm sudden onsets are preceded by the PC growth

bull the substorm development do not affect the PC growth rate

bull achievement of the magnetic disturbance maximum is followed by synchronous drop in the PC and AL indices roughly down to level preceding the substorm

bull the higher was the substorm intensity the larger is the AL drop in the decline phase

27

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 (те 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

ВыводУстойчивое увеличение магнитной активности в полярной шапке является первым

признаком начинающегося магнитного возмущения в авроральной зоне Затем в связи с усилением высыпания авроральных частиц начинает расти возмущённость в авроральной зоне

28

Зависимость длительности фазы роста (Tgro) от величины РС (PCmean) и

скорости увеличения РС (РCGR) перед внезапным началом суббури

bull 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 ndash при наибольших значениях PCgro

bull Если рассматривать скорость роста РС индекса перед внезапным началом суббури то оказывается что длительность фазы роста Tgro уменьшается по экспоненциальному закону при увеличением скорости роста PCGR

29

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)

РезультатВсе параметры магнитной суббури

показывают явную связь со скоростью роста PC индекса (PCGR = dPCdT)) перед внезапным началом и после него

30

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 = - 05 + 55 PCgr с коэфф корреляции R = 0996 Средние величины PCgr и ALmax

связаны соотношением ALmax = 114 + 6570PCgr с коэфф корреляции R = 0997

ВыводСкорость 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)

31

Взаимосвязь между РС индексом и магнитными бурями

Basic criteria taken to choose the magnetic storms for the analysis bullduration of magnetic storm should be longer than 12 hours bullthe 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 PCgt2 mVm

32

Поведение функции EKL и РС индекса и развитие магнитной бури (Dst)

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24-1

0

1

2

3

4

5

6

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

December 10 1998 (2207 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36

-100

-80

-60

-40

-20

0

February 28 1999 (1748 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

0 4 8 12 16 20 24 28 32-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Time hours

November 07 1998 (1102 UT)

0 4 8 12 16 20 24 28

024

8

12

16

20

24

0 4 8 12 16 20 24 28-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

April 11 2001 (1300 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20

0

4

8

12

16

20

24

28

0 4 8 12 16 20-400

-300

-200

-100

0

Time hours

November 07 2004 (1830 UT)

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-2

0

2

4

6

8

10

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-180

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

Em

(P

C)

m

Vm

October 01 2002 (0534 UT)

Dst

n

T

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-4

0

4

8

12

16

20

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-300

-250

-200

-150

-100

-50

Time hours

November 09 2004 (1105 UT)

33

Соотношение между Em РС и Dst для бурь разной мощности

0 4 8 12 16 20 24 28

0

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

(b) Dst = - (50-80) nT N=13

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

(c) Dst = - (80-100) nT N=11

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(e) Dst = - (130-160) nT N=10

0 4 8 12 16 20 240

2

4

6

8

10

12

0 4 8 12 16 20 24

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(f) Dst = - (160-240) nT N = 6

34

Results of examination for individual storms and for summary plots

bull The magnetic depression starts to develop when field EKL and PC index firmly as soon as PC and EKL exceed the threshold ~2 mVm

bull As a whole rule PC and EKL cross the threshold simultaneously although sometimes EKL goes ahead PC sometimes PC goes ahead EKL

bull 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

bull When EKL (PC) slowly rises and reaches the maximum value only by the end of disturbed period the slow start storm pattern takes place

bull When EKL (PC) demonstrates repetitive strong enhancements and decreases the magnetic storm displays the appropriate multiple depressions with growth and damping phases

bull The persistent descend of PC (EKL) below the threshold level 2 mVm is indicative on the end of the storm main phase (damping phase) and transition to the storm recovery phase

bull The ldquoPC saturation effectrdquo is typical of events with the PC and EKL values gt 6 mVm

35

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 = -1732 - 1933EKL and Dst = 2313 - 3215PC It is particularly remarkable that correlation

between Dstmin and PC index turned out to be higher (R= - 079) than between Dst(min) and interplanetary electric field Em (R = - 074)

There is also the high correlation (R=095) between values Dst(decay) estimated for moments when EKL and PC firmly fall below the threshold level 2mVm

36

Зависимость интенсивности бури Dst от величин функции Еkl и РС индекса

bull 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)

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

Dst

(tra

ns)

n

T

EKL

(PC) damp mVm

EKL

PC

(a) Storm intensity Dst(peak) vs EKL

and PC values

(b) Storm parameter Dst_trans vs EKL and PC values

Dst

(pe

ak)

n

T

EKL

(PC) growth mVm

PC

EKL

37

Магнитные бури и магнитосферные суббуриразвивающиеся 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 ldquothere was a first energy storage in the magnetotail and then a delayed energy injection into the magnetosphererdquo

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

38

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 gt 800 kms

The Em drop below 2 mVm is noted only for short period from 2215 to 2330UT on January 21 but this drop is not confirmed by the PC index which was larger than 4 mVm at this time the EKL and PC values grew again above 4 mVm by 0200 UT as a result the geomagnetic storm was being continued

ConclusionThe storm of 21-22 January 2005

should be regarded as nothing out of the ordinary event if we examine behavior of PC index

39

Магнитосферные суббури при северном ММП (список Lee et al 2010) ndash cуббури с выраженным началом в АL индексе

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 mVm 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

Effect of ldquoPC index saturationrdquo typical of high values of coupling function is clearly revealed during substorm event of November 16 2000

40

Суббури при северном ММП без внезапного начала в АL индексе (список Lee et al 2010)

Behavior 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)

In events (a) and (b) the IMF BZN component was insignificant The respective EKL and PC quantities were higher than 6 mVm 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

In events (c) and (d) the value of the IMF BZN component was steadily high (gt10-20 nT) The coupling function EKL well responds to the IMF BY and BZN variations In average EKL and PC quantities were close to the threshold level 2 mVm the substorm intensity was correspondingly low (AEasymp100-250nT)

41

Развитие магнитосферных суббурь в условиях северного ММП (список Lee et al 2010)

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 ldquoPC saturation effectrdquo

Conclusion The high level of the EKL (and PC) values

under conditions of northward IMF is provided by the IMF BY component

42

Суббури триггируемые внезапным поворотом ММП в северу (или изменением полярности BY сомпоненты)

There are some features typical of ldquotriggeredrdquo 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 20ndash30 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

ConclusionldquoTriggeredrdquo substorms have no

relation to ldquonorthward IMF turningrdquo or BY reverse

43

Соотношение между laquocoupling functionraquo 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 increasing By in spite of northward IMF orientation the EKL value can be as large as 5-10 mVm

44

Выводы

bull 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 mVm even даже при северном ММП PC индекс растёт в соответствии с ростом величины EKL

bull 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 laquoэкстраординарные возмущенияraquo являются вдействительности обычными возмущениями Происходящими при необходимом и достаточном условии для развития суббурь (PC ge 15-17 mVm) или магнитных бурь (PC ge 2 mVm)

bull Та же ситуация верна и для суббурь триггируемых резких поворотом ММП к северу (laquonorthward turningraquo) 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

45

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

bull магнитные бури и магнитосферные суббури начинаются только в том случае если величина PC индекса превышает некий пороговый уровень (~ 2 mVm для бурь и gt15mVm для суббурь)

bull длительность фазы роста суббури и интенсивность суббури определяются скоростью нарастания РС индекса развитие суббури прекращается как только величина PC индекса падает ниже 1-15 mVm

bull продолжительность магнитной бури определяется длительностью периода когда PCgt2mVm и интенсивность бури (Dst_peak) линейно связана с величиной РС индекса усреднённой за длительность главной фазы

bull периодичность saw-tooth substorms происходящих в условиях устойчивого высокого уровня функции EKL определяется продолжительностью laquoфазы роста РС индексаraquo и laquoфазы спада РС индексаraquo сменяющих друг друга

bull Развитие бурь и суббурь лучше согласуется с ходом РС индекса чем с вариациями функции EKL

bull ldquoнеобычныеrdquo бури и суббури происходящие при воздействии северной компоненты ММП оказываются обычными возмущениями если рассматривать их в отношении к РС индексу и функции EKL

bull PC индекс адекватно реагирует на резкие изменения динамического давления солнечного ветра

46

Все рассмотренные выше закономерности приводят к заключению что РС индекс следует рассматривать как адекватный и удобный показатель (laquoproxyraquo) энергии солнечного ветра поступившей в ионосферу

Если придерживаться этой точки зрения становится очевидным почему бури и суббури лучше коррелируют с РС индексом чем с laquocoupling functionraquo 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

bull PCN httpwwwdmidkdmibull PCS httpwwwgeophysaariru

8

Методика расчёта РС индекса

9

Особенности метода расчёта РС индекса Troshichev O A V G Andrezen et al Planet Space Sci 36 1095 1988

Troshichev O AJanzhura and HStauning J Geophes Res 2006AJanzhura and OATroshichev JAtmos Solar-Terr Phys 2009

bull 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

bull 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

bull 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

10

Method for calculation of the PC index [Troshichev et al 1988]

1 Vector of magnetic disturbances δF is determined using the data of magnetic observations from near-pole station

δF = δDmiddotsinγ plusmn δHmiddotcosγ where γ = λ plusmn 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 ndash β) α

where ξ is the scale coefficient

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 and parameterised by season UT and hemisphere

11

Определение спокойной суточной вариации

bull Метод итерационного подбора сегментов спокойного уровня магнитного поля на основе вариационных данных полученных на станции Восток в магнитовозмущенный период в июне 2002 года

12

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 показан ход КСД в наиболее спокойные дни 13-16 июня

13

Определение спокойной суточной вариации

bull Межгодовая изменчивость КСД Н-компоненты для ноября месяца в период с 1997 по 2002 год на станции Восток

14

Параметры используемые для расчёта РС индекса

15

Ход унифицированных PCN и PCS индексов в 1998-2002гг

1 Имеет место соответствие в хлде положительных значений PC в южном и северном полушариях

2 Экстремальные значения положительного PC индекса (до 20 мВм) наблюдаются на станциях Туле и Восток одновременно

3 Oтрицательные значения PC индекса наблюдаются только в летний сезон

16

Сопоставление PCN и PCS индексов с реальными измерениями межпланетного электрического электрического поля Em

Ход разностей (ЕKL-PCN) и (ЕKL-PCS) выраженных в мВм 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 мВм

РСN и PCS индексы хорошо согласуются друг с другом

17

Реакция РС индекса на внезапные изменения параметров солнечного ветрa

межпланетного электрического поля EKL и

динамического давления Psw

18

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 ndash 30 минs

PC отвечает на изменения EKL одинаковым образом в обеих полярных шапках но летний РС почти в полтора раза больше чем зимний РС

19

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 laquoидеальногоraquo (статистического) соответствия между EKL и PC (мВм) можно вывести приблизительное соотношение ΔPsw=1 nPa asymp EKL=033 mVm

20

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)

bull Отрицательные импульсы давления Psw не сопровождается заметными изменениями в EKL но PC индекс начинает уменьшаться сразу же после ldquoнулевого моментаrdquo Оценка эффекта уменьшения давления даёт соотношение 1 nPa asymp 025 mVm

bull Положительный импульс давления Psw при северном ММП (при EKL ~ 0) сопровождается явным ростом РС индекса Оценка соответствующего эффекта даёт 1 nPa asymp 04 mVm

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 1-15 часа

21

Взаимосвязь между поведением РС индекса и магнитосферными суббурями

Рассматривались следующие категории магнитных возмущений

bull Магнитные бухты (AL ~ 150 nT) bull Короткие суббури (AE ~ 300 nT) с длительностью lt 3 часовbull Длинные суббури (AE ~ 400 nT) с длительностью gt 3 часовbull Замедленные суббури (AE ~ 200 nT) максимум которых наблюдался через несколько часов после внезапного начала bull Периодически повторяющиеся бухтообразные возмущения с AL gt 400 nT (saw-tooth substorms) в периоды высокой и устойчивой магнитной активности

22

Cоотношение между AE и РС индексами изолированные магнитные бухты и короткие суббури

Рост РСN и PCS индексов начинается примерно за час до внезапного начала суббури

23

Cоотношение между AE и РС индексами длинные и замедленные магнитные суббури

Рост РСN и PCS индексов начинается примерно за час до внезапного начала суббури

24

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 gt 3 мВм имеют место пилообразные магнитные возмущения с периодом ~ 2-3 часов

Внезапному началу каждой конкретной суббури предшествует с задержкой от 15 до 60 минут увеличение РС индекса При падении РС индекса ниже уровня ~ 2 мВм суббуря затухает

25

Cоотношения между полем EKL и РС и AL индексами в случае периодически повторяющиеся бухтообразных возмущений

Суперпозиция хода РС и AUAL индексов (тонкие линии) для 43 периодических магнитных возмущений и соответствующий ход усреднённых вариаций BZ и BY компонент ММП электрического поля EKL и индексов РС AUAL

Результатbull Быстрый и согласованный рост поля

Em и индекса PC начинается в среднем за ~ 25 минут до незапного начала возмущения

bull Величина РС в момент внезапного начала во всех 43 событиях была больше 2 мVм

bull Рост EKL и РС продолжается и после внезапного начала суббури (~15 минут) Причиной роста EKL и РС является увеличение южной компоненты ММП

bull Магнитная возмущенность в авроральной зоне (AL-индекс) начинает расти в среднем через 15 минут после начала роста РС индекса

bull Таким образом каждая суббуря демонстрирует чётко выраженную фазу роста в РС индексе

26

Relations between PC index and substorm (AL) and storm (ASYM) indices under conditions of the steadily high solar wind energy input into the magnetosphere

The most intense saw-tooth substorms are observed under conditions of the steady powerful interplanetary electric field which ensures energy for their developmentThe 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

bull the substorm sudden onsets are preceded by the PC growth

bull the substorm development do not affect the PC growth rate

bull achievement of the magnetic disturbance maximum is followed by synchronous drop in the PC and AL indices roughly down to level preceding the substorm

bull the higher was the substorm intensity the larger is the AL drop in the decline phase

27

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 (те 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

ВыводУстойчивое увеличение магнитной активности в полярной шапке является первым

признаком начинающегося магнитного возмущения в авроральной зоне Затем в связи с усилением высыпания авроральных частиц начинает расти возмущённость в авроральной зоне

28

Зависимость длительности фазы роста (Tgro) от величины РС (PCmean) и

скорости увеличения РС (РCGR) перед внезапным началом суббури

bull 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 ndash при наибольших значениях PCgro

bull Если рассматривать скорость роста РС индекса перед внезапным началом суббури то оказывается что длительность фазы роста Tgro уменьшается по экспоненциальному закону при увеличением скорости роста PCGR

29

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)

РезультатВсе параметры магнитной суббури

показывают явную связь со скоростью роста PC индекса (PCGR = dPCdT)) перед внезапным началом и после него

30

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 = - 05 + 55 PCgr с коэфф корреляции R = 0996 Средние величины PCgr и ALmax

связаны соотношением ALmax = 114 + 6570PCgr с коэфф корреляции R = 0997

ВыводСкорость 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)

31

Взаимосвязь между РС индексом и магнитными бурями

Basic criteria taken to choose the magnetic storms for the analysis bullduration of magnetic storm should be longer than 12 hours bullthe 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 PCgt2 mVm

32

Поведение функции EKL и РС индекса и развитие магнитной бури (Dst)

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24-1

0

1

2

3

4

5

6

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

December 10 1998 (2207 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36

-100

-80

-60

-40

-20

0

February 28 1999 (1748 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

0 4 8 12 16 20 24 28 32-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Time hours

November 07 1998 (1102 UT)

0 4 8 12 16 20 24 28

024

8

12

16

20

24

0 4 8 12 16 20 24 28-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

April 11 2001 (1300 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20

0

4

8

12

16

20

24

28

0 4 8 12 16 20-400

-300

-200

-100

0

Time hours

November 07 2004 (1830 UT)

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-2

0

2

4

6

8

10

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-180

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

Em

(P

C)

m

Vm

October 01 2002 (0534 UT)

Dst

n

T

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-4

0

4

8

12

16

20

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-300

-250

-200

-150

-100

-50

Time hours

November 09 2004 (1105 UT)

33

Соотношение между Em РС и Dst для бурь разной мощности

0 4 8 12 16 20 24 28

0

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

(b) Dst = - (50-80) nT N=13

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

(c) Dst = - (80-100) nT N=11

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(e) Dst = - (130-160) nT N=10

0 4 8 12 16 20 240

2

4

6

8

10

12

0 4 8 12 16 20 24

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(f) Dst = - (160-240) nT N = 6

34

Results of examination for individual storms and for summary plots

bull The magnetic depression starts to develop when field EKL and PC index firmly as soon as PC and EKL exceed the threshold ~2 mVm

bull As a whole rule PC and EKL cross the threshold simultaneously although sometimes EKL goes ahead PC sometimes PC goes ahead EKL

bull 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

bull When EKL (PC) slowly rises and reaches the maximum value only by the end of disturbed period the slow start storm pattern takes place

bull When EKL (PC) demonstrates repetitive strong enhancements and decreases the magnetic storm displays the appropriate multiple depressions with growth and damping phases

bull The persistent descend of PC (EKL) below the threshold level 2 mVm is indicative on the end of the storm main phase (damping phase) and transition to the storm recovery phase

bull The ldquoPC saturation effectrdquo is typical of events with the PC and EKL values gt 6 mVm

35

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 = -1732 - 1933EKL and Dst = 2313 - 3215PC It is particularly remarkable that correlation

between Dstmin and PC index turned out to be higher (R= - 079) than between Dst(min) and interplanetary electric field Em (R = - 074)

There is also the high correlation (R=095) between values Dst(decay) estimated for moments when EKL and PC firmly fall below the threshold level 2mVm

36

Зависимость интенсивности бури Dst от величин функции Еkl и РС индекса

bull 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)

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

Dst

(tra

ns)

n

T

EKL

(PC) damp mVm

EKL

PC

(a) Storm intensity Dst(peak) vs EKL

and PC values

(b) Storm parameter Dst_trans vs EKL and PC values

Dst

(pe

ak)

n

T

EKL

(PC) growth mVm

PC

EKL

37

Магнитные бури и магнитосферные суббуриразвивающиеся 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 ldquothere was a first energy storage in the magnetotail and then a delayed energy injection into the magnetosphererdquo

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

38

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 gt 800 kms

The Em drop below 2 mVm is noted only for short period from 2215 to 2330UT on January 21 but this drop is not confirmed by the PC index which was larger than 4 mVm at this time the EKL and PC values grew again above 4 mVm by 0200 UT as a result the geomagnetic storm was being continued

ConclusionThe storm of 21-22 January 2005

should be regarded as nothing out of the ordinary event if we examine behavior of PC index

39

Магнитосферные суббури при северном ММП (список Lee et al 2010) ndash cуббури с выраженным началом в АL индексе

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 mVm 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

Effect of ldquoPC index saturationrdquo typical of high values of coupling function is clearly revealed during substorm event of November 16 2000

40

Суббури при северном ММП без внезапного начала в АL индексе (список Lee et al 2010)

Behavior 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)

In events (a) and (b) the IMF BZN component was insignificant The respective EKL and PC quantities were higher than 6 mVm 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

In events (c) and (d) the value of the IMF BZN component was steadily high (gt10-20 nT) The coupling function EKL well responds to the IMF BY and BZN variations In average EKL and PC quantities were close to the threshold level 2 mVm the substorm intensity was correspondingly low (AEasymp100-250nT)

41

Развитие магнитосферных суббурь в условиях северного ММП (список Lee et al 2010)

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 ldquoPC saturation effectrdquo

Conclusion The high level of the EKL (and PC) values

under conditions of northward IMF is provided by the IMF BY component

42

Суббури триггируемые внезапным поворотом ММП в северу (или изменением полярности BY сомпоненты)

There are some features typical of ldquotriggeredrdquo 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 20ndash30 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

ConclusionldquoTriggeredrdquo substorms have no

relation to ldquonorthward IMF turningrdquo or BY reverse

43

Соотношение между laquocoupling functionraquo 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 increasing By in spite of northward IMF orientation the EKL value can be as large as 5-10 mVm

44

Выводы

bull 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 mVm even даже при северном ММП PC индекс растёт в соответствии с ростом величины EKL

bull 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 laquoэкстраординарные возмущенияraquo являются вдействительности обычными возмущениями Происходящими при необходимом и достаточном условии для развития суббурь (PC ge 15-17 mVm) или магнитных бурь (PC ge 2 mVm)

bull Та же ситуация верна и для суббурь триггируемых резких поворотом ММП к северу (laquonorthward turningraquo) 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

45

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

bull магнитные бури и магнитосферные суббури начинаются только в том случае если величина PC индекса превышает некий пороговый уровень (~ 2 mVm для бурь и gt15mVm для суббурь)

bull длительность фазы роста суббури и интенсивность суббури определяются скоростью нарастания РС индекса развитие суббури прекращается как только величина PC индекса падает ниже 1-15 mVm

bull продолжительность магнитной бури определяется длительностью периода когда PCgt2mVm и интенсивность бури (Dst_peak) линейно связана с величиной РС индекса усреднённой за длительность главной фазы

bull периодичность saw-tooth substorms происходящих в условиях устойчивого высокого уровня функции EKL определяется продолжительностью laquoфазы роста РС индексаraquo и laquoфазы спада РС индексаraquo сменяющих друг друга

bull Развитие бурь и суббурь лучше согласуется с ходом РС индекса чем с вариациями функции EKL

bull ldquoнеобычныеrdquo бури и суббури происходящие при воздействии северной компоненты ММП оказываются обычными возмущениями если рассматривать их в отношении к РС индексу и функции EKL

bull PC индекс адекватно реагирует на резкие изменения динамического давления солнечного ветра

46

Все рассмотренные выше закономерности приводят к заключению что РС индекс следует рассматривать как адекватный и удобный показатель (laquoproxyraquo) энергии солнечного ветра поступившей в ионосферу

Если придерживаться этой точки зрения становится очевидным почему бури и суббури лучше коррелируют с РС индексом чем с laquocoupling functionraquo 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

bull PCN httpwwwdmidkdmibull PCS httpwwwgeophysaariru

9

Особенности метода расчёта РС индекса Troshichev O A V G Andrezen et al Planet Space Sci 36 1095 1988

Troshichev O AJanzhura and HStauning J Geophes Res 2006AJanzhura and OATroshichev JAtmos Solar-Terr Phys 2009

bull 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

bull 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

bull 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

10

Method for calculation of the PC index [Troshichev et al 1988]

1 Vector of magnetic disturbances δF is determined using the data of magnetic observations from near-pole station

δF = δDmiddotsinγ plusmn δHmiddotcosγ where γ = λ plusmn 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 ndash β) α

where ξ is the scale coefficient

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 and parameterised by season UT and hemisphere

11

Определение спокойной суточной вариации

bull Метод итерационного подбора сегментов спокойного уровня магнитного поля на основе вариационных данных полученных на станции Восток в магнитовозмущенный период в июне 2002 года

12

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 показан ход КСД в наиболее спокойные дни 13-16 июня

13

Определение спокойной суточной вариации

bull Межгодовая изменчивость КСД Н-компоненты для ноября месяца в период с 1997 по 2002 год на станции Восток

14

Параметры используемые для расчёта РС индекса

15

Ход унифицированных PCN и PCS индексов в 1998-2002гг

1 Имеет место соответствие в хлде положительных значений PC в южном и северном полушариях

2 Экстремальные значения положительного PC индекса (до 20 мВм) наблюдаются на станциях Туле и Восток одновременно

3 Oтрицательные значения PC индекса наблюдаются только в летний сезон

16

Сопоставление PCN и PCS индексов с реальными измерениями межпланетного электрического электрического поля Em

Ход разностей (ЕKL-PCN) и (ЕKL-PCS) выраженных в мВм 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 мВм

РСN и PCS индексы хорошо согласуются друг с другом

17

Реакция РС индекса на внезапные изменения параметров солнечного ветрa

межпланетного электрического поля EKL и

динамического давления Psw

18

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 ndash 30 минs

PC отвечает на изменения EKL одинаковым образом в обеих полярных шапках но летний РС почти в полтора раза больше чем зимний РС

19

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 laquoидеальногоraquo (статистического) соответствия между EKL и PC (мВм) можно вывести приблизительное соотношение ΔPsw=1 nPa asymp EKL=033 mVm

20

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)

bull Отрицательные импульсы давления Psw не сопровождается заметными изменениями в EKL но PC индекс начинает уменьшаться сразу же после ldquoнулевого моментаrdquo Оценка эффекта уменьшения давления даёт соотношение 1 nPa asymp 025 mVm

bull Положительный импульс давления Psw при северном ММП (при EKL ~ 0) сопровождается явным ростом РС индекса Оценка соответствующего эффекта даёт 1 nPa asymp 04 mVm

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 1-15 часа

21

Взаимосвязь между поведением РС индекса и магнитосферными суббурями

Рассматривались следующие категории магнитных возмущений

bull Магнитные бухты (AL ~ 150 nT) bull Короткие суббури (AE ~ 300 nT) с длительностью lt 3 часовbull Длинные суббури (AE ~ 400 nT) с длительностью gt 3 часовbull Замедленные суббури (AE ~ 200 nT) максимум которых наблюдался через несколько часов после внезапного начала bull Периодически повторяющиеся бухтообразные возмущения с AL gt 400 nT (saw-tooth substorms) в периоды высокой и устойчивой магнитной активности

22

Cоотношение между AE и РС индексами изолированные магнитные бухты и короткие суббури

Рост РСN и PCS индексов начинается примерно за час до внезапного начала суббури

23

Cоотношение между AE и РС индексами длинные и замедленные магнитные суббури

Рост РСN и PCS индексов начинается примерно за час до внезапного начала суббури

24

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 gt 3 мВм имеют место пилообразные магнитные возмущения с периодом ~ 2-3 часов

Внезапному началу каждой конкретной суббури предшествует с задержкой от 15 до 60 минут увеличение РС индекса При падении РС индекса ниже уровня ~ 2 мВм суббуря затухает

25

Cоотношения между полем EKL и РС и AL индексами в случае периодически повторяющиеся бухтообразных возмущений

Суперпозиция хода РС и AUAL индексов (тонкие линии) для 43 периодических магнитных возмущений и соответствующий ход усреднённых вариаций BZ и BY компонент ММП электрического поля EKL и индексов РС AUAL

Результатbull Быстрый и согласованный рост поля

Em и индекса PC начинается в среднем за ~ 25 минут до незапного начала возмущения

bull Величина РС в момент внезапного начала во всех 43 событиях была больше 2 мVм

bull Рост EKL и РС продолжается и после внезапного начала суббури (~15 минут) Причиной роста EKL и РС является увеличение южной компоненты ММП

bull Магнитная возмущенность в авроральной зоне (AL-индекс) начинает расти в среднем через 15 минут после начала роста РС индекса

bull Таким образом каждая суббуря демонстрирует чётко выраженную фазу роста в РС индексе

26

Relations between PC index and substorm (AL) and storm (ASYM) indices under conditions of the steadily high solar wind energy input into the magnetosphere

The most intense saw-tooth substorms are observed under conditions of the steady powerful interplanetary electric field which ensures energy for their developmentThe 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

bull the substorm sudden onsets are preceded by the PC growth

bull the substorm development do not affect the PC growth rate

bull achievement of the magnetic disturbance maximum is followed by synchronous drop in the PC and AL indices roughly down to level preceding the substorm

bull the higher was the substorm intensity the larger is the AL drop in the decline phase

27

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 (те 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

ВыводУстойчивое увеличение магнитной активности в полярной шапке является первым

признаком начинающегося магнитного возмущения в авроральной зоне Затем в связи с усилением высыпания авроральных частиц начинает расти возмущённость в авроральной зоне

28

Зависимость длительности фазы роста (Tgro) от величины РС (PCmean) и

скорости увеличения РС (РCGR) перед внезапным началом суббури

bull 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 ndash при наибольших значениях PCgro

bull Если рассматривать скорость роста РС индекса перед внезапным началом суббури то оказывается что длительность фазы роста Tgro уменьшается по экспоненциальному закону при увеличением скорости роста PCGR

29

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)

РезультатВсе параметры магнитной суббури

показывают явную связь со скоростью роста PC индекса (PCGR = dPCdT)) перед внезапным началом и после него

30

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 = - 05 + 55 PCgr с коэфф корреляции R = 0996 Средние величины PCgr и ALmax

связаны соотношением ALmax = 114 + 6570PCgr с коэфф корреляции R = 0997

ВыводСкорость 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)

31

Взаимосвязь между РС индексом и магнитными бурями

Basic criteria taken to choose the magnetic storms for the analysis bullduration of magnetic storm should be longer than 12 hours bullthe 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 PCgt2 mVm

32

Поведение функции EKL и РС индекса и развитие магнитной бури (Dst)

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24-1

0

1

2

3

4

5

6

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

December 10 1998 (2207 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36

-100

-80

-60

-40

-20

0

February 28 1999 (1748 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

0 4 8 12 16 20 24 28 32-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Time hours

November 07 1998 (1102 UT)

0 4 8 12 16 20 24 28

024

8

12

16

20

24

0 4 8 12 16 20 24 28-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

April 11 2001 (1300 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20

0

4

8

12

16

20

24

28

0 4 8 12 16 20-400

-300

-200

-100

0

Time hours

November 07 2004 (1830 UT)

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-2

0

2

4

6

8

10

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-180

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

Em

(P

C)

m

Vm

October 01 2002 (0534 UT)

Dst

n

T

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-4

0

4

8

12

16

20

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-300

-250

-200

-150

-100

-50

Time hours

November 09 2004 (1105 UT)

33

Соотношение между Em РС и Dst для бурь разной мощности

0 4 8 12 16 20 24 28

0

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

(b) Dst = - (50-80) nT N=13

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

(c) Dst = - (80-100) nT N=11

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(e) Dst = - (130-160) nT N=10

0 4 8 12 16 20 240

2

4

6

8

10

12

0 4 8 12 16 20 24

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(f) Dst = - (160-240) nT N = 6

34

Results of examination for individual storms and for summary plots

bull The magnetic depression starts to develop when field EKL and PC index firmly as soon as PC and EKL exceed the threshold ~2 mVm

bull As a whole rule PC and EKL cross the threshold simultaneously although sometimes EKL goes ahead PC sometimes PC goes ahead EKL

bull 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

bull When EKL (PC) slowly rises and reaches the maximum value only by the end of disturbed period the slow start storm pattern takes place

bull When EKL (PC) demonstrates repetitive strong enhancements and decreases the magnetic storm displays the appropriate multiple depressions with growth and damping phases

bull The persistent descend of PC (EKL) below the threshold level 2 mVm is indicative on the end of the storm main phase (damping phase) and transition to the storm recovery phase

bull The ldquoPC saturation effectrdquo is typical of events with the PC and EKL values gt 6 mVm

35

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 = -1732 - 1933EKL and Dst = 2313 - 3215PC It is particularly remarkable that correlation

between Dstmin and PC index turned out to be higher (R= - 079) than between Dst(min) and interplanetary electric field Em (R = - 074)

There is also the high correlation (R=095) between values Dst(decay) estimated for moments when EKL and PC firmly fall below the threshold level 2mVm

36

Зависимость интенсивности бури Dst от величин функции Еkl и РС индекса

bull 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)

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

Dst

(tra

ns)

n

T

EKL

(PC) damp mVm

EKL

PC

(a) Storm intensity Dst(peak) vs EKL

and PC values

(b) Storm parameter Dst_trans vs EKL and PC values

Dst

(pe

ak)

n

T

EKL

(PC) growth mVm

PC

EKL

37

Магнитные бури и магнитосферные суббуриразвивающиеся 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 ldquothere was a first energy storage in the magnetotail and then a delayed energy injection into the magnetosphererdquo

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

38

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 gt 800 kms

The Em drop below 2 mVm is noted only for short period from 2215 to 2330UT on January 21 but this drop is not confirmed by the PC index which was larger than 4 mVm at this time the EKL and PC values grew again above 4 mVm by 0200 UT as a result the geomagnetic storm was being continued

ConclusionThe storm of 21-22 January 2005

should be regarded as nothing out of the ordinary event if we examine behavior of PC index

39

Магнитосферные суббури при северном ММП (список Lee et al 2010) ndash cуббури с выраженным началом в АL индексе

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 mVm 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

Effect of ldquoPC index saturationrdquo typical of high values of coupling function is clearly revealed during substorm event of November 16 2000

40

Суббури при северном ММП без внезапного начала в АL индексе (список Lee et al 2010)

Behavior 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)

In events (a) and (b) the IMF BZN component was insignificant The respective EKL and PC quantities were higher than 6 mVm 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

In events (c) and (d) the value of the IMF BZN component was steadily high (gt10-20 nT) The coupling function EKL well responds to the IMF BY and BZN variations In average EKL and PC quantities were close to the threshold level 2 mVm the substorm intensity was correspondingly low (AEasymp100-250nT)

41

Развитие магнитосферных суббурь в условиях северного ММП (список Lee et al 2010)

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 ldquoPC saturation effectrdquo

Conclusion The high level of the EKL (and PC) values

under conditions of northward IMF is provided by the IMF BY component

42

Суббури триггируемые внезапным поворотом ММП в северу (или изменением полярности BY сомпоненты)

There are some features typical of ldquotriggeredrdquo 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 20ndash30 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

ConclusionldquoTriggeredrdquo substorms have no

relation to ldquonorthward IMF turningrdquo or BY reverse

43

Соотношение между laquocoupling functionraquo 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 increasing By in spite of northward IMF orientation the EKL value can be as large as 5-10 mVm

44

Выводы

bull 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 mVm even даже при северном ММП PC индекс растёт в соответствии с ростом величины EKL

bull 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 laquoэкстраординарные возмущенияraquo являются вдействительности обычными возмущениями Происходящими при необходимом и достаточном условии для развития суббурь (PC ge 15-17 mVm) или магнитных бурь (PC ge 2 mVm)

bull Та же ситуация верна и для суббурь триггируемых резких поворотом ММП к северу (laquonorthward turningraquo) 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

45

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

bull магнитные бури и магнитосферные суббури начинаются только в том случае если величина PC индекса превышает некий пороговый уровень (~ 2 mVm для бурь и gt15mVm для суббурь)

bull длительность фазы роста суббури и интенсивность суббури определяются скоростью нарастания РС индекса развитие суббури прекращается как только величина PC индекса падает ниже 1-15 mVm

bull продолжительность магнитной бури определяется длительностью периода когда PCgt2mVm и интенсивность бури (Dst_peak) линейно связана с величиной РС индекса усреднённой за длительность главной фазы

bull периодичность saw-tooth substorms происходящих в условиях устойчивого высокого уровня функции EKL определяется продолжительностью laquoфазы роста РС индексаraquo и laquoфазы спада РС индексаraquo сменяющих друг друга

bull Развитие бурь и суббурь лучше согласуется с ходом РС индекса чем с вариациями функции EKL

bull ldquoнеобычныеrdquo бури и суббури происходящие при воздействии северной компоненты ММП оказываются обычными возмущениями если рассматривать их в отношении к РС индексу и функции EKL

bull PC индекс адекватно реагирует на резкие изменения динамического давления солнечного ветра

46

Все рассмотренные выше закономерности приводят к заключению что РС индекс следует рассматривать как адекватный и удобный показатель (laquoproxyraquo) энергии солнечного ветра поступившей в ионосферу

Если придерживаться этой точки зрения становится очевидным почему бури и суббури лучше коррелируют с РС индексом чем с laquocoupling functionraquo 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

bull PCN httpwwwdmidkdmibull PCS httpwwwgeophysaariru

10

Method for calculation of the PC index [Troshichev et al 1988]

1 Vector of magnetic disturbances δF is determined using the data of magnetic observations from near-pole station

δF = δDmiddotsinγ plusmn δHmiddotcosγ where γ = λ plusmn 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 ndash β) α

where ξ is the scale coefficient

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 and parameterised by season UT and hemisphere

11

Определение спокойной суточной вариации

bull Метод итерационного подбора сегментов спокойного уровня магнитного поля на основе вариационных данных полученных на станции Восток в магнитовозмущенный период в июне 2002 года

12

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 показан ход КСД в наиболее спокойные дни 13-16 июня

13

Определение спокойной суточной вариации

bull Межгодовая изменчивость КСД Н-компоненты для ноября месяца в период с 1997 по 2002 год на станции Восток

14

Параметры используемые для расчёта РС индекса

15

Ход унифицированных PCN и PCS индексов в 1998-2002гг

1 Имеет место соответствие в хлде положительных значений PC в южном и северном полушариях

2 Экстремальные значения положительного PC индекса (до 20 мВм) наблюдаются на станциях Туле и Восток одновременно

3 Oтрицательные значения PC индекса наблюдаются только в летний сезон

16

Сопоставление PCN и PCS индексов с реальными измерениями межпланетного электрического электрического поля Em

Ход разностей (ЕKL-PCN) и (ЕKL-PCS) выраженных в мВм 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 мВм

РСN и PCS индексы хорошо согласуются друг с другом

17

Реакция РС индекса на внезапные изменения параметров солнечного ветрa

межпланетного электрического поля EKL и

динамического давления Psw

18

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 ndash 30 минs

PC отвечает на изменения EKL одинаковым образом в обеих полярных шапках но летний РС почти в полтора раза больше чем зимний РС

19

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 laquoидеальногоraquo (статистического) соответствия между EKL и PC (мВм) можно вывести приблизительное соотношение ΔPsw=1 nPa asymp EKL=033 mVm

20

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)

bull Отрицательные импульсы давления Psw не сопровождается заметными изменениями в EKL но PC индекс начинает уменьшаться сразу же после ldquoнулевого моментаrdquo Оценка эффекта уменьшения давления даёт соотношение 1 nPa asymp 025 mVm

bull Положительный импульс давления Psw при северном ММП (при EKL ~ 0) сопровождается явным ростом РС индекса Оценка соответствующего эффекта даёт 1 nPa asymp 04 mVm

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 1-15 часа

21

Взаимосвязь между поведением РС индекса и магнитосферными суббурями

Рассматривались следующие категории магнитных возмущений

bull Магнитные бухты (AL ~ 150 nT) bull Короткие суббури (AE ~ 300 nT) с длительностью lt 3 часовbull Длинные суббури (AE ~ 400 nT) с длительностью gt 3 часовbull Замедленные суббури (AE ~ 200 nT) максимум которых наблюдался через несколько часов после внезапного начала bull Периодически повторяющиеся бухтообразные возмущения с AL gt 400 nT (saw-tooth substorms) в периоды высокой и устойчивой магнитной активности

22

Cоотношение между AE и РС индексами изолированные магнитные бухты и короткие суббури

Рост РСN и PCS индексов начинается примерно за час до внезапного начала суббури

23

Cоотношение между AE и РС индексами длинные и замедленные магнитные суббури

Рост РСN и PCS индексов начинается примерно за час до внезапного начала суббури

24

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 gt 3 мВм имеют место пилообразные магнитные возмущения с периодом ~ 2-3 часов

Внезапному началу каждой конкретной суббури предшествует с задержкой от 15 до 60 минут увеличение РС индекса При падении РС индекса ниже уровня ~ 2 мВм суббуря затухает

25

Cоотношения между полем EKL и РС и AL индексами в случае периодически повторяющиеся бухтообразных возмущений

Суперпозиция хода РС и AUAL индексов (тонкие линии) для 43 периодических магнитных возмущений и соответствующий ход усреднённых вариаций BZ и BY компонент ММП электрического поля EKL и индексов РС AUAL

Результатbull Быстрый и согласованный рост поля

Em и индекса PC начинается в среднем за ~ 25 минут до незапного начала возмущения

bull Величина РС в момент внезапного начала во всех 43 событиях была больше 2 мVм

bull Рост EKL и РС продолжается и после внезапного начала суббури (~15 минут) Причиной роста EKL и РС является увеличение южной компоненты ММП

bull Магнитная возмущенность в авроральной зоне (AL-индекс) начинает расти в среднем через 15 минут после начала роста РС индекса

bull Таким образом каждая суббуря демонстрирует чётко выраженную фазу роста в РС индексе

26

Relations between PC index and substorm (AL) and storm (ASYM) indices under conditions of the steadily high solar wind energy input into the magnetosphere

The most intense saw-tooth substorms are observed under conditions of the steady powerful interplanetary electric field which ensures energy for their developmentThe 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

bull the substorm sudden onsets are preceded by the PC growth

bull the substorm development do not affect the PC growth rate

bull achievement of the magnetic disturbance maximum is followed by synchronous drop in the PC and AL indices roughly down to level preceding the substorm

bull the higher was the substorm intensity the larger is the AL drop in the decline phase

27

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 (те 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

ВыводУстойчивое увеличение магнитной активности в полярной шапке является первым

признаком начинающегося магнитного возмущения в авроральной зоне Затем в связи с усилением высыпания авроральных частиц начинает расти возмущённость в авроральной зоне

28

Зависимость длительности фазы роста (Tgro) от величины РС (PCmean) и

скорости увеличения РС (РCGR) перед внезапным началом суббури

bull 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 ndash при наибольших значениях PCgro

bull Если рассматривать скорость роста РС индекса перед внезапным началом суббури то оказывается что длительность фазы роста Tgro уменьшается по экспоненциальному закону при увеличением скорости роста PCGR

29

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)

РезультатВсе параметры магнитной суббури

показывают явную связь со скоростью роста PC индекса (PCGR = dPCdT)) перед внезапным началом и после него

30

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 = - 05 + 55 PCgr с коэфф корреляции R = 0996 Средние величины PCgr и ALmax

связаны соотношением ALmax = 114 + 6570PCgr с коэфф корреляции R = 0997

ВыводСкорость 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)

31

Взаимосвязь между РС индексом и магнитными бурями

Basic criteria taken to choose the magnetic storms for the analysis bullduration of magnetic storm should be longer than 12 hours bullthe 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 PCgt2 mVm

32

Поведение функции EKL и РС индекса и развитие магнитной бури (Dst)

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24-1

0

1

2

3

4

5

6

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

December 10 1998 (2207 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36

-100

-80

-60

-40

-20

0

February 28 1999 (1748 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

0 4 8 12 16 20 24 28 32-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Time hours

November 07 1998 (1102 UT)

0 4 8 12 16 20 24 28

024

8

12

16

20

24

0 4 8 12 16 20 24 28-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

April 11 2001 (1300 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20

0

4

8

12

16

20

24

28

0 4 8 12 16 20-400

-300

-200

-100

0

Time hours

November 07 2004 (1830 UT)

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-2

0

2

4

6

8

10

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-180

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

Em

(P

C)

m

Vm

October 01 2002 (0534 UT)

Dst

n

T

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-4

0

4

8

12

16

20

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-300

-250

-200

-150

-100

-50

Time hours

November 09 2004 (1105 UT)

33

Соотношение между Em РС и Dst для бурь разной мощности

0 4 8 12 16 20 24 28

0

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

(b) Dst = - (50-80) nT N=13

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

(c) Dst = - (80-100) nT N=11

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(e) Dst = - (130-160) nT N=10

0 4 8 12 16 20 240

2

4

6

8

10

12

0 4 8 12 16 20 24

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(f) Dst = - (160-240) nT N = 6

34

Results of examination for individual storms and for summary plots

bull The magnetic depression starts to develop when field EKL and PC index firmly as soon as PC and EKL exceed the threshold ~2 mVm

bull As a whole rule PC and EKL cross the threshold simultaneously although sometimes EKL goes ahead PC sometimes PC goes ahead EKL

bull 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

bull When EKL (PC) slowly rises and reaches the maximum value only by the end of disturbed period the slow start storm pattern takes place

bull When EKL (PC) demonstrates repetitive strong enhancements and decreases the magnetic storm displays the appropriate multiple depressions with growth and damping phases

bull The persistent descend of PC (EKL) below the threshold level 2 mVm is indicative on the end of the storm main phase (damping phase) and transition to the storm recovery phase

bull The ldquoPC saturation effectrdquo is typical of events with the PC and EKL values gt 6 mVm

35

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 = -1732 - 1933EKL and Dst = 2313 - 3215PC It is particularly remarkable that correlation

between Dstmin and PC index turned out to be higher (R= - 079) than between Dst(min) and interplanetary electric field Em (R = - 074)

There is also the high correlation (R=095) between values Dst(decay) estimated for moments when EKL and PC firmly fall below the threshold level 2mVm

36

Зависимость интенсивности бури Dst от величин функции Еkl и РС индекса

bull 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)

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

Dst

(tra

ns)

n

T

EKL

(PC) damp mVm

EKL

PC

(a) Storm intensity Dst(peak) vs EKL

and PC values

(b) Storm parameter Dst_trans vs EKL and PC values

Dst

(pe

ak)

n

T

EKL

(PC) growth mVm

PC

EKL

37

Магнитные бури и магнитосферные суббуриразвивающиеся 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 ldquothere was a first energy storage in the magnetotail and then a delayed energy injection into the magnetosphererdquo

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

38

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 gt 800 kms

The Em drop below 2 mVm is noted only for short period from 2215 to 2330UT on January 21 but this drop is not confirmed by the PC index which was larger than 4 mVm at this time the EKL and PC values grew again above 4 mVm by 0200 UT as a result the geomagnetic storm was being continued

ConclusionThe storm of 21-22 January 2005

should be regarded as nothing out of the ordinary event if we examine behavior of PC index

39

Магнитосферные суббури при северном ММП (список Lee et al 2010) ndash cуббури с выраженным началом в АL индексе

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 mVm 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

Effect of ldquoPC index saturationrdquo typical of high values of coupling function is clearly revealed during substorm event of November 16 2000

40

Суббури при северном ММП без внезапного начала в АL индексе (список Lee et al 2010)

Behavior 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)

In events (a) and (b) the IMF BZN component was insignificant The respective EKL and PC quantities were higher than 6 mVm 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

In events (c) and (d) the value of the IMF BZN component was steadily high (gt10-20 nT) The coupling function EKL well responds to the IMF BY and BZN variations In average EKL and PC quantities were close to the threshold level 2 mVm the substorm intensity was correspondingly low (AEasymp100-250nT)

41

Развитие магнитосферных суббурь в условиях северного ММП (список Lee et al 2010)

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 ldquoPC saturation effectrdquo

Conclusion The high level of the EKL (and PC) values

under conditions of northward IMF is provided by the IMF BY component

42

Суббури триггируемые внезапным поворотом ММП в северу (или изменением полярности BY сомпоненты)

There are some features typical of ldquotriggeredrdquo 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 20ndash30 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

ConclusionldquoTriggeredrdquo substorms have no

relation to ldquonorthward IMF turningrdquo or BY reverse

43

Соотношение между laquocoupling functionraquo 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 increasing By in spite of northward IMF orientation the EKL value can be as large as 5-10 mVm

44

Выводы

bull 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 mVm even даже при северном ММП PC индекс растёт в соответствии с ростом величины EKL

bull 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 laquoэкстраординарные возмущенияraquo являются вдействительности обычными возмущениями Происходящими при необходимом и достаточном условии для развития суббурь (PC ge 15-17 mVm) или магнитных бурь (PC ge 2 mVm)

bull Та же ситуация верна и для суббурь триггируемых резких поворотом ММП к северу (laquonorthward turningraquo) 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

45

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

bull магнитные бури и магнитосферные суббури начинаются только в том случае если величина PC индекса превышает некий пороговый уровень (~ 2 mVm для бурь и gt15mVm для суббурь)

bull длительность фазы роста суббури и интенсивность суббури определяются скоростью нарастания РС индекса развитие суббури прекращается как только величина PC индекса падает ниже 1-15 mVm

bull продолжительность магнитной бури определяется длительностью периода когда PCgt2mVm и интенсивность бури (Dst_peak) линейно связана с величиной РС индекса усреднённой за длительность главной фазы

bull периодичность saw-tooth substorms происходящих в условиях устойчивого высокого уровня функции EKL определяется продолжительностью laquoфазы роста РС индексаraquo и laquoфазы спада РС индексаraquo сменяющих друг друга

bull Развитие бурь и суббурь лучше согласуется с ходом РС индекса чем с вариациями функции EKL

bull ldquoнеобычныеrdquo бури и суббури происходящие при воздействии северной компоненты ММП оказываются обычными возмущениями если рассматривать их в отношении к РС индексу и функции EKL

bull PC индекс адекватно реагирует на резкие изменения динамического давления солнечного ветра

46

Все рассмотренные выше закономерности приводят к заключению что РС индекс следует рассматривать как адекватный и удобный показатель (laquoproxyraquo) энергии солнечного ветра поступившей в ионосферу

Если придерживаться этой точки зрения становится очевидным почему бури и суббури лучше коррелируют с РС индексом чем с laquocoupling functionraquo 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

bull PCN httpwwwdmidkdmibull PCS httpwwwgeophysaariru

11

Определение спокойной суточной вариации

bull Метод итерационного подбора сегментов спокойного уровня магнитного поля на основе вариационных данных полученных на станции Восток в магнитовозмущенный период в июне 2002 года

12

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 показан ход КСД в наиболее спокойные дни 13-16 июня

13

Определение спокойной суточной вариации

bull Межгодовая изменчивость КСД Н-компоненты для ноября месяца в период с 1997 по 2002 год на станции Восток

14

Параметры используемые для расчёта РС индекса

15

Ход унифицированных PCN и PCS индексов в 1998-2002гг

1 Имеет место соответствие в хлде положительных значений PC в южном и северном полушариях

2 Экстремальные значения положительного PC индекса (до 20 мВм) наблюдаются на станциях Туле и Восток одновременно

3 Oтрицательные значения PC индекса наблюдаются только в летний сезон

16

Сопоставление PCN и PCS индексов с реальными измерениями межпланетного электрического электрического поля Em

Ход разностей (ЕKL-PCN) и (ЕKL-PCS) выраженных в мВм 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 мВм

РСN и PCS индексы хорошо согласуются друг с другом

17

Реакция РС индекса на внезапные изменения параметров солнечного ветрa

межпланетного электрического поля EKL и

динамического давления Psw

18

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 ndash 30 минs

PC отвечает на изменения EKL одинаковым образом в обеих полярных шапках но летний РС почти в полтора раза больше чем зимний РС

19

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 laquoидеальногоraquo (статистического) соответствия между EKL и PC (мВм) можно вывести приблизительное соотношение ΔPsw=1 nPa asymp EKL=033 mVm

20

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)

bull Отрицательные импульсы давления Psw не сопровождается заметными изменениями в EKL но PC индекс начинает уменьшаться сразу же после ldquoнулевого моментаrdquo Оценка эффекта уменьшения давления даёт соотношение 1 nPa asymp 025 mVm

bull Положительный импульс давления Psw при северном ММП (при EKL ~ 0) сопровождается явным ростом РС индекса Оценка соответствующего эффекта даёт 1 nPa asymp 04 mVm

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 1-15 часа

21

Взаимосвязь между поведением РС индекса и магнитосферными суббурями

Рассматривались следующие категории магнитных возмущений

bull Магнитные бухты (AL ~ 150 nT) bull Короткие суббури (AE ~ 300 nT) с длительностью lt 3 часовbull Длинные суббури (AE ~ 400 nT) с длительностью gt 3 часовbull Замедленные суббури (AE ~ 200 nT) максимум которых наблюдался через несколько часов после внезапного начала bull Периодически повторяющиеся бухтообразные возмущения с AL gt 400 nT (saw-tooth substorms) в периоды высокой и устойчивой магнитной активности

22

Cоотношение между AE и РС индексами изолированные магнитные бухты и короткие суббури

Рост РСN и PCS индексов начинается примерно за час до внезапного начала суббури

23

Cоотношение между AE и РС индексами длинные и замедленные магнитные суббури

Рост РСN и PCS индексов начинается примерно за час до внезапного начала суббури

24

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 gt 3 мВм имеют место пилообразные магнитные возмущения с периодом ~ 2-3 часов

Внезапному началу каждой конкретной суббури предшествует с задержкой от 15 до 60 минут увеличение РС индекса При падении РС индекса ниже уровня ~ 2 мВм суббуря затухает

25

Cоотношения между полем EKL и РС и AL индексами в случае периодически повторяющиеся бухтообразных возмущений

Суперпозиция хода РС и AUAL индексов (тонкие линии) для 43 периодических магнитных возмущений и соответствующий ход усреднённых вариаций BZ и BY компонент ММП электрического поля EKL и индексов РС AUAL

Результатbull Быстрый и согласованный рост поля

Em и индекса PC начинается в среднем за ~ 25 минут до незапного начала возмущения

bull Величина РС в момент внезапного начала во всех 43 событиях была больше 2 мVм

bull Рост EKL и РС продолжается и после внезапного начала суббури (~15 минут) Причиной роста EKL и РС является увеличение южной компоненты ММП

bull Магнитная возмущенность в авроральной зоне (AL-индекс) начинает расти в среднем через 15 минут после начала роста РС индекса

bull Таким образом каждая суббуря демонстрирует чётко выраженную фазу роста в РС индексе

26

Relations between PC index and substorm (AL) and storm (ASYM) indices under conditions of the steadily high solar wind energy input into the magnetosphere

The most intense saw-tooth substorms are observed under conditions of the steady powerful interplanetary electric field which ensures energy for their developmentThe 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

bull the substorm sudden onsets are preceded by the PC growth

bull the substorm development do not affect the PC growth rate

bull achievement of the magnetic disturbance maximum is followed by synchronous drop in the PC and AL indices roughly down to level preceding the substorm

bull the higher was the substorm intensity the larger is the AL drop in the decline phase

27

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 (те 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

ВыводУстойчивое увеличение магнитной активности в полярной шапке является первым

признаком начинающегося магнитного возмущения в авроральной зоне Затем в связи с усилением высыпания авроральных частиц начинает расти возмущённость в авроральной зоне

28

Зависимость длительности фазы роста (Tgro) от величины РС (PCmean) и

скорости увеличения РС (РCGR) перед внезапным началом суббури

bull 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 ndash при наибольших значениях PCgro

bull Если рассматривать скорость роста РС индекса перед внезапным началом суббури то оказывается что длительность фазы роста Tgro уменьшается по экспоненциальному закону при увеличением скорости роста PCGR

29

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)

РезультатВсе параметры магнитной суббури

показывают явную связь со скоростью роста PC индекса (PCGR = dPCdT)) перед внезапным началом и после него

30

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 = - 05 + 55 PCgr с коэфф корреляции R = 0996 Средние величины PCgr и ALmax

связаны соотношением ALmax = 114 + 6570PCgr с коэфф корреляции R = 0997

ВыводСкорость 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)

31

Взаимосвязь между РС индексом и магнитными бурями

Basic criteria taken to choose the magnetic storms for the analysis bullduration of magnetic storm should be longer than 12 hours bullthe 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 PCgt2 mVm

32

Поведение функции EKL и РС индекса и развитие магнитной бури (Dst)

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24-1

0

1

2

3

4

5

6

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

December 10 1998 (2207 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36

-100

-80

-60

-40

-20

0

February 28 1999 (1748 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

0 4 8 12 16 20 24 28 32-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Time hours

November 07 1998 (1102 UT)

0 4 8 12 16 20 24 28

024

8

12

16

20

24

0 4 8 12 16 20 24 28-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

April 11 2001 (1300 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20

0

4

8

12

16

20

24

28

0 4 8 12 16 20-400

-300

-200

-100

0

Time hours

November 07 2004 (1830 UT)

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-2

0

2

4

6

8

10

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-180

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

Em

(P

C)

m

Vm

October 01 2002 (0534 UT)

Dst

n

T

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-4

0

4

8

12

16

20

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-300

-250

-200

-150

-100

-50

Time hours

November 09 2004 (1105 UT)

33

Соотношение между Em РС и Dst для бурь разной мощности

0 4 8 12 16 20 24 28

0

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

(b) Dst = - (50-80) nT N=13

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

(c) Dst = - (80-100) nT N=11

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(e) Dst = - (130-160) nT N=10

0 4 8 12 16 20 240

2

4

6

8

10

12

0 4 8 12 16 20 24

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(f) Dst = - (160-240) nT N = 6

34

Results of examination for individual storms and for summary plots

bull The magnetic depression starts to develop when field EKL and PC index firmly as soon as PC and EKL exceed the threshold ~2 mVm

bull As a whole rule PC and EKL cross the threshold simultaneously although sometimes EKL goes ahead PC sometimes PC goes ahead EKL

bull 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

bull When EKL (PC) slowly rises and reaches the maximum value only by the end of disturbed period the slow start storm pattern takes place

bull When EKL (PC) demonstrates repetitive strong enhancements and decreases the magnetic storm displays the appropriate multiple depressions with growth and damping phases

bull The persistent descend of PC (EKL) below the threshold level 2 mVm is indicative on the end of the storm main phase (damping phase) and transition to the storm recovery phase

bull The ldquoPC saturation effectrdquo is typical of events with the PC and EKL values gt 6 mVm

35

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 = -1732 - 1933EKL and Dst = 2313 - 3215PC It is particularly remarkable that correlation

between Dstmin and PC index turned out to be higher (R= - 079) than between Dst(min) and interplanetary electric field Em (R = - 074)

There is also the high correlation (R=095) between values Dst(decay) estimated for moments when EKL and PC firmly fall below the threshold level 2mVm

36

Зависимость интенсивности бури Dst от величин функции Еkl и РС индекса

bull 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)

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

Dst

(tra

ns)

n

T

EKL

(PC) damp mVm

EKL

PC

(a) Storm intensity Dst(peak) vs EKL

and PC values

(b) Storm parameter Dst_trans vs EKL and PC values

Dst

(pe

ak)

n

T

EKL

(PC) growth mVm

PC

EKL

37

Магнитные бури и магнитосферные суббуриразвивающиеся 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 ldquothere was a first energy storage in the magnetotail and then a delayed energy injection into the magnetosphererdquo

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

38

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 gt 800 kms

The Em drop below 2 mVm is noted only for short period from 2215 to 2330UT on January 21 but this drop is not confirmed by the PC index which was larger than 4 mVm at this time the EKL and PC values grew again above 4 mVm by 0200 UT as a result the geomagnetic storm was being continued

ConclusionThe storm of 21-22 January 2005

should be regarded as nothing out of the ordinary event if we examine behavior of PC index

39

Магнитосферные суббури при северном ММП (список Lee et al 2010) ndash cуббури с выраженным началом в АL индексе

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 mVm 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

Effect of ldquoPC index saturationrdquo typical of high values of coupling function is clearly revealed during substorm event of November 16 2000

40

Суббури при северном ММП без внезапного начала в АL индексе (список Lee et al 2010)

Behavior 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)

In events (a) and (b) the IMF BZN component was insignificant The respective EKL and PC quantities were higher than 6 mVm 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

In events (c) and (d) the value of the IMF BZN component was steadily high (gt10-20 nT) The coupling function EKL well responds to the IMF BY and BZN variations In average EKL and PC quantities were close to the threshold level 2 mVm the substorm intensity was correspondingly low (AEasymp100-250nT)

41

Развитие магнитосферных суббурь в условиях северного ММП (список Lee et al 2010)

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 ldquoPC saturation effectrdquo

Conclusion The high level of the EKL (and PC) values

under conditions of northward IMF is provided by the IMF BY component

42

Суббури триггируемые внезапным поворотом ММП в северу (или изменением полярности BY сомпоненты)

There are some features typical of ldquotriggeredrdquo 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 20ndash30 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

ConclusionldquoTriggeredrdquo substorms have no

relation to ldquonorthward IMF turningrdquo or BY reverse

43

Соотношение между laquocoupling functionraquo 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 increasing By in spite of northward IMF orientation the EKL value can be as large as 5-10 mVm

44

Выводы

bull 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 mVm even даже при северном ММП PC индекс растёт в соответствии с ростом величины EKL

bull 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 laquoэкстраординарные возмущенияraquo являются вдействительности обычными возмущениями Происходящими при необходимом и достаточном условии для развития суббурь (PC ge 15-17 mVm) или магнитных бурь (PC ge 2 mVm)

bull Та же ситуация верна и для суббурь триггируемых резких поворотом ММП к северу (laquonorthward turningraquo) 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

45

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

bull магнитные бури и магнитосферные суббури начинаются только в том случае если величина PC индекса превышает некий пороговый уровень (~ 2 mVm для бурь и gt15mVm для суббурь)

bull длительность фазы роста суббури и интенсивность суббури определяются скоростью нарастания РС индекса развитие суббури прекращается как только величина PC индекса падает ниже 1-15 mVm

bull продолжительность магнитной бури определяется длительностью периода когда PCgt2mVm и интенсивность бури (Dst_peak) линейно связана с величиной РС индекса усреднённой за длительность главной фазы

bull периодичность saw-tooth substorms происходящих в условиях устойчивого высокого уровня функции EKL определяется продолжительностью laquoфазы роста РС индексаraquo и laquoфазы спада РС индексаraquo сменяющих друг друга

bull Развитие бурь и суббурь лучше согласуется с ходом РС индекса чем с вариациями функции EKL

bull ldquoнеобычныеrdquo бури и суббури происходящие при воздействии северной компоненты ММП оказываются обычными возмущениями если рассматривать их в отношении к РС индексу и функции EKL

bull PC индекс адекватно реагирует на резкие изменения динамического давления солнечного ветра

46

Все рассмотренные выше закономерности приводят к заключению что РС индекс следует рассматривать как адекватный и удобный показатель (laquoproxyraquo) энергии солнечного ветра поступившей в ионосферу

Если придерживаться этой точки зрения становится очевидным почему бури и суббури лучше коррелируют с РС индексом чем с laquocoupling functionraquo 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

bull PCN httpwwwdmidkdmibull PCS httpwwwgeophysaariru

12

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 показан ход КСД в наиболее спокойные дни 13-16 июня

13

Определение спокойной суточной вариации

bull Межгодовая изменчивость КСД Н-компоненты для ноября месяца в период с 1997 по 2002 год на станции Восток

14

Параметры используемые для расчёта РС индекса

15

Ход унифицированных PCN и PCS индексов в 1998-2002гг

1 Имеет место соответствие в хлде положительных значений PC в южном и северном полушариях

2 Экстремальные значения положительного PC индекса (до 20 мВм) наблюдаются на станциях Туле и Восток одновременно

3 Oтрицательные значения PC индекса наблюдаются только в летний сезон

16

Сопоставление PCN и PCS индексов с реальными измерениями межпланетного электрического электрического поля Em

Ход разностей (ЕKL-PCN) и (ЕKL-PCS) выраженных в мВм 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 мВм

РСN и PCS индексы хорошо согласуются друг с другом

17

Реакция РС индекса на внезапные изменения параметров солнечного ветрa

межпланетного электрического поля EKL и

динамического давления Psw

18

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 ndash 30 минs

PC отвечает на изменения EKL одинаковым образом в обеих полярных шапках но летний РС почти в полтора раза больше чем зимний РС

19

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 laquoидеальногоraquo (статистического) соответствия между EKL и PC (мВм) можно вывести приблизительное соотношение ΔPsw=1 nPa asymp EKL=033 mVm

20

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)

bull Отрицательные импульсы давления Psw не сопровождается заметными изменениями в EKL но PC индекс начинает уменьшаться сразу же после ldquoнулевого моментаrdquo Оценка эффекта уменьшения давления даёт соотношение 1 nPa asymp 025 mVm

bull Положительный импульс давления Psw при северном ММП (при EKL ~ 0) сопровождается явным ростом РС индекса Оценка соответствующего эффекта даёт 1 nPa asymp 04 mVm

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 1-15 часа

21

Взаимосвязь между поведением РС индекса и магнитосферными суббурями

Рассматривались следующие категории магнитных возмущений

bull Магнитные бухты (AL ~ 150 nT) bull Короткие суббури (AE ~ 300 nT) с длительностью lt 3 часовbull Длинные суббури (AE ~ 400 nT) с длительностью gt 3 часовbull Замедленные суббури (AE ~ 200 nT) максимум которых наблюдался через несколько часов после внезапного начала bull Периодически повторяющиеся бухтообразные возмущения с AL gt 400 nT (saw-tooth substorms) в периоды высокой и устойчивой магнитной активности

22

Cоотношение между AE и РС индексами изолированные магнитные бухты и короткие суббури

Рост РСN и PCS индексов начинается примерно за час до внезапного начала суббури

23

Cоотношение между AE и РС индексами длинные и замедленные магнитные суббури

Рост РСN и PCS индексов начинается примерно за час до внезапного начала суббури

24

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 gt 3 мВм имеют место пилообразные магнитные возмущения с периодом ~ 2-3 часов

Внезапному началу каждой конкретной суббури предшествует с задержкой от 15 до 60 минут увеличение РС индекса При падении РС индекса ниже уровня ~ 2 мВм суббуря затухает

25

Cоотношения между полем EKL и РС и AL индексами в случае периодически повторяющиеся бухтообразных возмущений

Суперпозиция хода РС и AUAL индексов (тонкие линии) для 43 периодических магнитных возмущений и соответствующий ход усреднённых вариаций BZ и BY компонент ММП электрического поля EKL и индексов РС AUAL

Результатbull Быстрый и согласованный рост поля

Em и индекса PC начинается в среднем за ~ 25 минут до незапного начала возмущения

bull Величина РС в момент внезапного начала во всех 43 событиях была больше 2 мVм

bull Рост EKL и РС продолжается и после внезапного начала суббури (~15 минут) Причиной роста EKL и РС является увеличение южной компоненты ММП

bull Магнитная возмущенность в авроральной зоне (AL-индекс) начинает расти в среднем через 15 минут после начала роста РС индекса

bull Таким образом каждая суббуря демонстрирует чётко выраженную фазу роста в РС индексе

26

Relations between PC index and substorm (AL) and storm (ASYM) indices under conditions of the steadily high solar wind energy input into the magnetosphere

The most intense saw-tooth substorms are observed under conditions of the steady powerful interplanetary electric field which ensures energy for their developmentThe 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

bull the substorm sudden onsets are preceded by the PC growth

bull the substorm development do not affect the PC growth rate

bull achievement of the magnetic disturbance maximum is followed by synchronous drop in the PC and AL indices roughly down to level preceding the substorm

bull the higher was the substorm intensity the larger is the AL drop in the decline phase

27

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 (те 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

ВыводУстойчивое увеличение магнитной активности в полярной шапке является первым

признаком начинающегося магнитного возмущения в авроральной зоне Затем в связи с усилением высыпания авроральных частиц начинает расти возмущённость в авроральной зоне

28

Зависимость длительности фазы роста (Tgro) от величины РС (PCmean) и

скорости увеличения РС (РCGR) перед внезапным началом суббури

bull 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 ndash при наибольших значениях PCgro

bull Если рассматривать скорость роста РС индекса перед внезапным началом суббури то оказывается что длительность фазы роста Tgro уменьшается по экспоненциальному закону при увеличением скорости роста PCGR

29

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)

РезультатВсе параметры магнитной суббури

показывают явную связь со скоростью роста PC индекса (PCGR = dPCdT)) перед внезапным началом и после него

30

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 = - 05 + 55 PCgr с коэфф корреляции R = 0996 Средние величины PCgr и ALmax

связаны соотношением ALmax = 114 + 6570PCgr с коэфф корреляции R = 0997

ВыводСкорость 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)

31

Взаимосвязь между РС индексом и магнитными бурями

Basic criteria taken to choose the magnetic storms for the analysis bullduration of magnetic storm should be longer than 12 hours bullthe 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 PCgt2 mVm

32

Поведение функции EKL и РС индекса и развитие магнитной бури (Dst)

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24-1

0

1

2

3

4

5

6

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

December 10 1998 (2207 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36

-100

-80

-60

-40

-20

0

February 28 1999 (1748 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

0 4 8 12 16 20 24 28 32-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Time hours

November 07 1998 (1102 UT)

0 4 8 12 16 20 24 28

024

8

12

16

20

24

0 4 8 12 16 20 24 28-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

April 11 2001 (1300 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20

0

4

8

12

16

20

24

28

0 4 8 12 16 20-400

-300

-200

-100

0

Time hours

November 07 2004 (1830 UT)

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-2

0

2

4

6

8

10

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-180

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

Em

(P

C)

m

Vm

October 01 2002 (0534 UT)

Dst

n

T

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-4

0

4

8

12

16

20

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-300

-250

-200

-150

-100

-50

Time hours

November 09 2004 (1105 UT)

33

Соотношение между Em РС и Dst для бурь разной мощности

0 4 8 12 16 20 24 28

0

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

(b) Dst = - (50-80) nT N=13

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

(c) Dst = - (80-100) nT N=11

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(e) Dst = - (130-160) nT N=10

0 4 8 12 16 20 240

2

4

6

8

10

12

0 4 8 12 16 20 24

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(f) Dst = - (160-240) nT N = 6

34

Results of examination for individual storms and for summary plots

bull The magnetic depression starts to develop when field EKL and PC index firmly as soon as PC and EKL exceed the threshold ~2 mVm

bull As a whole rule PC and EKL cross the threshold simultaneously although sometimes EKL goes ahead PC sometimes PC goes ahead EKL

bull 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

bull When EKL (PC) slowly rises and reaches the maximum value only by the end of disturbed period the slow start storm pattern takes place

bull When EKL (PC) demonstrates repetitive strong enhancements and decreases the magnetic storm displays the appropriate multiple depressions with growth and damping phases

bull The persistent descend of PC (EKL) below the threshold level 2 mVm is indicative on the end of the storm main phase (damping phase) and transition to the storm recovery phase

bull The ldquoPC saturation effectrdquo is typical of events with the PC and EKL values gt 6 mVm

35

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 = -1732 - 1933EKL and Dst = 2313 - 3215PC It is particularly remarkable that correlation

between Dstmin and PC index turned out to be higher (R= - 079) than between Dst(min) and interplanetary electric field Em (R = - 074)

There is also the high correlation (R=095) between values Dst(decay) estimated for moments when EKL and PC firmly fall below the threshold level 2mVm

36

Зависимость интенсивности бури Dst от величин функции Еkl и РС индекса

bull 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)

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

Dst

(tra

ns)

n

T

EKL

(PC) damp mVm

EKL

PC

(a) Storm intensity Dst(peak) vs EKL

and PC values

(b) Storm parameter Dst_trans vs EKL and PC values

Dst

(pe

ak)

n

T

EKL

(PC) growth mVm

PC

EKL

37

Магнитные бури и магнитосферные суббуриразвивающиеся 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 ldquothere was a first energy storage in the magnetotail and then a delayed energy injection into the magnetosphererdquo

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

38

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 gt 800 kms

The Em drop below 2 mVm is noted only for short period from 2215 to 2330UT on January 21 but this drop is not confirmed by the PC index which was larger than 4 mVm at this time the EKL and PC values grew again above 4 mVm by 0200 UT as a result the geomagnetic storm was being continued

ConclusionThe storm of 21-22 January 2005

should be regarded as nothing out of the ordinary event if we examine behavior of PC index

39

Магнитосферные суббури при северном ММП (список Lee et al 2010) ndash cуббури с выраженным началом в АL индексе

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 mVm 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

Effect of ldquoPC index saturationrdquo typical of high values of coupling function is clearly revealed during substorm event of November 16 2000

40

Суббури при северном ММП без внезапного начала в АL индексе (список Lee et al 2010)

Behavior 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)

In events (a) and (b) the IMF BZN component was insignificant The respective EKL and PC quantities were higher than 6 mVm 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

In events (c) and (d) the value of the IMF BZN component was steadily high (gt10-20 nT) The coupling function EKL well responds to the IMF BY and BZN variations In average EKL and PC quantities were close to the threshold level 2 mVm the substorm intensity was correspondingly low (AEasymp100-250nT)

41

Развитие магнитосферных суббурь в условиях северного ММП (список Lee et al 2010)

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 ldquoPC saturation effectrdquo

Conclusion The high level of the EKL (and PC) values

under conditions of northward IMF is provided by the IMF BY component

42

Суббури триггируемые внезапным поворотом ММП в северу (или изменением полярности BY сомпоненты)

There are some features typical of ldquotriggeredrdquo 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 20ndash30 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

ConclusionldquoTriggeredrdquo substorms have no

relation to ldquonorthward IMF turningrdquo or BY reverse

43

Соотношение между laquocoupling functionraquo 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 increasing By in spite of northward IMF orientation the EKL value can be as large as 5-10 mVm

44

Выводы

bull 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 mVm even даже при северном ММП PC индекс растёт в соответствии с ростом величины EKL

bull 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 laquoэкстраординарные возмущенияraquo являются вдействительности обычными возмущениями Происходящими при необходимом и достаточном условии для развития суббурь (PC ge 15-17 mVm) или магнитных бурь (PC ge 2 mVm)

bull Та же ситуация верна и для суббурь триггируемых резких поворотом ММП к северу (laquonorthward turningraquo) 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

45

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

bull магнитные бури и магнитосферные суббури начинаются только в том случае если величина PC индекса превышает некий пороговый уровень (~ 2 mVm для бурь и gt15mVm для суббурь)

bull длительность фазы роста суббури и интенсивность суббури определяются скоростью нарастания РС индекса развитие суббури прекращается как только величина PC индекса падает ниже 1-15 mVm

bull продолжительность магнитной бури определяется длительностью периода когда PCgt2mVm и интенсивность бури (Dst_peak) линейно связана с величиной РС индекса усреднённой за длительность главной фазы

bull периодичность saw-tooth substorms происходящих в условиях устойчивого высокого уровня функции EKL определяется продолжительностью laquoфазы роста РС индексаraquo и laquoфазы спада РС индексаraquo сменяющих друг друга

bull Развитие бурь и суббурь лучше согласуется с ходом РС индекса чем с вариациями функции EKL

bull ldquoнеобычныеrdquo бури и суббури происходящие при воздействии северной компоненты ММП оказываются обычными возмущениями если рассматривать их в отношении к РС индексу и функции EKL

bull PC индекс адекватно реагирует на резкие изменения динамического давления солнечного ветра

46

Все рассмотренные выше закономерности приводят к заключению что РС индекс следует рассматривать как адекватный и удобный показатель (laquoproxyraquo) энергии солнечного ветра поступившей в ионосферу

Если придерживаться этой точки зрения становится очевидным почему бури и суббури лучше коррелируют с РС индексом чем с laquocoupling functionraquo 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

bull PCN httpwwwdmidkdmibull PCS httpwwwgeophysaariru

13

Определение спокойной суточной вариации

bull Межгодовая изменчивость КСД Н-компоненты для ноября месяца в период с 1997 по 2002 год на станции Восток

14

Параметры используемые для расчёта РС индекса

15

Ход унифицированных PCN и PCS индексов в 1998-2002гг

1 Имеет место соответствие в хлде положительных значений PC в южном и северном полушариях

2 Экстремальные значения положительного PC индекса (до 20 мВм) наблюдаются на станциях Туле и Восток одновременно

3 Oтрицательные значения PC индекса наблюдаются только в летний сезон

16

Сопоставление PCN и PCS индексов с реальными измерениями межпланетного электрического электрического поля Em

Ход разностей (ЕKL-PCN) и (ЕKL-PCS) выраженных в мВм 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 мВм

РСN и PCS индексы хорошо согласуются друг с другом

17

Реакция РС индекса на внезапные изменения параметров солнечного ветрa

межпланетного электрического поля EKL и

динамического давления Psw

18

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 ndash 30 минs

PC отвечает на изменения EKL одинаковым образом в обеих полярных шапках но летний РС почти в полтора раза больше чем зимний РС

19

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 laquoидеальногоraquo (статистического) соответствия между EKL и PC (мВм) можно вывести приблизительное соотношение ΔPsw=1 nPa asymp EKL=033 mVm

20

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)

bull Отрицательные импульсы давления Psw не сопровождается заметными изменениями в EKL но PC индекс начинает уменьшаться сразу же после ldquoнулевого моментаrdquo Оценка эффекта уменьшения давления даёт соотношение 1 nPa asymp 025 mVm

bull Положительный импульс давления Psw при северном ММП (при EKL ~ 0) сопровождается явным ростом РС индекса Оценка соответствующего эффекта даёт 1 nPa asymp 04 mVm

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 1-15 часа

21

Взаимосвязь между поведением РС индекса и магнитосферными суббурями

Рассматривались следующие категории магнитных возмущений

bull Магнитные бухты (AL ~ 150 nT) bull Короткие суббури (AE ~ 300 nT) с длительностью lt 3 часовbull Длинные суббури (AE ~ 400 nT) с длительностью gt 3 часовbull Замедленные суббури (AE ~ 200 nT) максимум которых наблюдался через несколько часов после внезапного начала bull Периодически повторяющиеся бухтообразные возмущения с AL gt 400 nT (saw-tooth substorms) в периоды высокой и устойчивой магнитной активности

22

Cоотношение между AE и РС индексами изолированные магнитные бухты и короткие суббури

Рост РСN и PCS индексов начинается примерно за час до внезапного начала суббури

23

Cоотношение между AE и РС индексами длинные и замедленные магнитные суббури

Рост РСN и PCS индексов начинается примерно за час до внезапного начала суббури

24

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 gt 3 мВм имеют место пилообразные магнитные возмущения с периодом ~ 2-3 часов

Внезапному началу каждой конкретной суббури предшествует с задержкой от 15 до 60 минут увеличение РС индекса При падении РС индекса ниже уровня ~ 2 мВм суббуря затухает

25

Cоотношения между полем EKL и РС и AL индексами в случае периодически повторяющиеся бухтообразных возмущений

Суперпозиция хода РС и AUAL индексов (тонкие линии) для 43 периодических магнитных возмущений и соответствующий ход усреднённых вариаций BZ и BY компонент ММП электрического поля EKL и индексов РС AUAL

Результатbull Быстрый и согласованный рост поля

Em и индекса PC начинается в среднем за ~ 25 минут до незапного начала возмущения

bull Величина РС в момент внезапного начала во всех 43 событиях была больше 2 мVм

bull Рост EKL и РС продолжается и после внезапного начала суббури (~15 минут) Причиной роста EKL и РС является увеличение южной компоненты ММП

bull Магнитная возмущенность в авроральной зоне (AL-индекс) начинает расти в среднем через 15 минут после начала роста РС индекса

bull Таким образом каждая суббуря демонстрирует чётко выраженную фазу роста в РС индексе

26

Relations between PC index and substorm (AL) and storm (ASYM) indices under conditions of the steadily high solar wind energy input into the magnetosphere

The most intense saw-tooth substorms are observed under conditions of the steady powerful interplanetary electric field which ensures energy for their developmentThe 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

bull the substorm sudden onsets are preceded by the PC growth

bull the substorm development do not affect the PC growth rate

bull achievement of the magnetic disturbance maximum is followed by synchronous drop in the PC and AL indices roughly down to level preceding the substorm

bull the higher was the substorm intensity the larger is the AL drop in the decline phase

27

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 (те 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

ВыводУстойчивое увеличение магнитной активности в полярной шапке является первым

признаком начинающегося магнитного возмущения в авроральной зоне Затем в связи с усилением высыпания авроральных частиц начинает расти возмущённость в авроральной зоне

28

Зависимость длительности фазы роста (Tgro) от величины РС (PCmean) и

скорости увеличения РС (РCGR) перед внезапным началом суббури

bull 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 ndash при наибольших значениях PCgro

bull Если рассматривать скорость роста РС индекса перед внезапным началом суббури то оказывается что длительность фазы роста Tgro уменьшается по экспоненциальному закону при увеличением скорости роста PCGR

29

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)

РезультатВсе параметры магнитной суббури

показывают явную связь со скоростью роста PC индекса (PCGR = dPCdT)) перед внезапным началом и после него

30

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 = - 05 + 55 PCgr с коэфф корреляции R = 0996 Средние величины PCgr и ALmax

связаны соотношением ALmax = 114 + 6570PCgr с коэфф корреляции R = 0997

ВыводСкорость 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)

31

Взаимосвязь между РС индексом и магнитными бурями

Basic criteria taken to choose the magnetic storms for the analysis bullduration of magnetic storm should be longer than 12 hours bullthe 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 PCgt2 mVm

32

Поведение функции EKL и РС индекса и развитие магнитной бури (Dst)

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24-1

0

1

2

3

4

5

6

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

December 10 1998 (2207 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36

-100

-80

-60

-40

-20

0

February 28 1999 (1748 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

0 4 8 12 16 20 24 28 32-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Time hours

November 07 1998 (1102 UT)

0 4 8 12 16 20 24 28

024

8

12

16

20

24

0 4 8 12 16 20 24 28-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

April 11 2001 (1300 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20

0

4

8

12

16

20

24

28

0 4 8 12 16 20-400

-300

-200

-100

0

Time hours

November 07 2004 (1830 UT)

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-2

0

2

4

6

8

10

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-180

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

Em

(P

C)

m

Vm

October 01 2002 (0534 UT)

Dst

n

T

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-4

0

4

8

12

16

20

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-300

-250

-200

-150

-100

-50

Time hours

November 09 2004 (1105 UT)

33

Соотношение между Em РС и Dst для бурь разной мощности

0 4 8 12 16 20 24 28

0

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

(b) Dst = - (50-80) nT N=13

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

(c) Dst = - (80-100) nT N=11

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(e) Dst = - (130-160) nT N=10

0 4 8 12 16 20 240

2

4

6

8

10

12

0 4 8 12 16 20 24

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(f) Dst = - (160-240) nT N = 6

34

Results of examination for individual storms and for summary plots

bull The magnetic depression starts to develop when field EKL and PC index firmly as soon as PC and EKL exceed the threshold ~2 mVm

bull As a whole rule PC and EKL cross the threshold simultaneously although sometimes EKL goes ahead PC sometimes PC goes ahead EKL

bull 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

bull When EKL (PC) slowly rises and reaches the maximum value only by the end of disturbed period the slow start storm pattern takes place

bull When EKL (PC) demonstrates repetitive strong enhancements and decreases the magnetic storm displays the appropriate multiple depressions with growth and damping phases

bull The persistent descend of PC (EKL) below the threshold level 2 mVm is indicative on the end of the storm main phase (damping phase) and transition to the storm recovery phase

bull The ldquoPC saturation effectrdquo is typical of events with the PC and EKL values gt 6 mVm

35

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 = -1732 - 1933EKL and Dst = 2313 - 3215PC It is particularly remarkable that correlation

between Dstmin and PC index turned out to be higher (R= - 079) than between Dst(min) and interplanetary electric field Em (R = - 074)

There is also the high correlation (R=095) between values Dst(decay) estimated for moments when EKL and PC firmly fall below the threshold level 2mVm

36

Зависимость интенсивности бури Dst от величин функции Еkl и РС индекса

bull 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)

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

Dst

(tra

ns)

n

T

EKL

(PC) damp mVm

EKL

PC

(a) Storm intensity Dst(peak) vs EKL

and PC values

(b) Storm parameter Dst_trans vs EKL and PC values

Dst

(pe

ak)

n

T

EKL

(PC) growth mVm

PC

EKL

37

Магнитные бури и магнитосферные суббуриразвивающиеся 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 ldquothere was a first energy storage in the magnetotail and then a delayed energy injection into the magnetosphererdquo

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

38

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 gt 800 kms

The Em drop below 2 mVm is noted only for short period from 2215 to 2330UT on January 21 but this drop is not confirmed by the PC index which was larger than 4 mVm at this time the EKL and PC values grew again above 4 mVm by 0200 UT as a result the geomagnetic storm was being continued

ConclusionThe storm of 21-22 January 2005

should be regarded as nothing out of the ordinary event if we examine behavior of PC index

39

Магнитосферные суббури при северном ММП (список Lee et al 2010) ndash cуббури с выраженным началом в АL индексе

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 mVm 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

Effect of ldquoPC index saturationrdquo typical of high values of coupling function is clearly revealed during substorm event of November 16 2000

40

Суббури при северном ММП без внезапного начала в АL индексе (список Lee et al 2010)

Behavior 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)

In events (a) and (b) the IMF BZN component was insignificant The respective EKL and PC quantities were higher than 6 mVm 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

In events (c) and (d) the value of the IMF BZN component was steadily high (gt10-20 nT) The coupling function EKL well responds to the IMF BY and BZN variations In average EKL and PC quantities were close to the threshold level 2 mVm the substorm intensity was correspondingly low (AEasymp100-250nT)

41

Развитие магнитосферных суббурь в условиях северного ММП (список Lee et al 2010)

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 ldquoPC saturation effectrdquo

Conclusion The high level of the EKL (and PC) values

under conditions of northward IMF is provided by the IMF BY component

42

Суббури триггируемые внезапным поворотом ММП в северу (или изменением полярности BY сомпоненты)

There are some features typical of ldquotriggeredrdquo 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 20ndash30 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

ConclusionldquoTriggeredrdquo substorms have no

relation to ldquonorthward IMF turningrdquo or BY reverse

43

Соотношение между laquocoupling functionraquo 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 increasing By in spite of northward IMF orientation the EKL value can be as large as 5-10 mVm

44

Выводы

bull 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 mVm even даже при северном ММП PC индекс растёт в соответствии с ростом величины EKL

bull 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 laquoэкстраординарные возмущенияraquo являются вдействительности обычными возмущениями Происходящими при необходимом и достаточном условии для развития суббурь (PC ge 15-17 mVm) или магнитных бурь (PC ge 2 mVm)

bull Та же ситуация верна и для суббурь триггируемых резких поворотом ММП к северу (laquonorthward turningraquo) 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

45

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

bull магнитные бури и магнитосферные суббури начинаются только в том случае если величина PC индекса превышает некий пороговый уровень (~ 2 mVm для бурь и gt15mVm для суббурь)

bull длительность фазы роста суббури и интенсивность суббури определяются скоростью нарастания РС индекса развитие суббури прекращается как только величина PC индекса падает ниже 1-15 mVm

bull продолжительность магнитной бури определяется длительностью периода когда PCgt2mVm и интенсивность бури (Dst_peak) линейно связана с величиной РС индекса усреднённой за длительность главной фазы

bull периодичность saw-tooth substorms происходящих в условиях устойчивого высокого уровня функции EKL определяется продолжительностью laquoфазы роста РС индексаraquo и laquoфазы спада РС индексаraquo сменяющих друг друга

bull Развитие бурь и суббурь лучше согласуется с ходом РС индекса чем с вариациями функции EKL

bull ldquoнеобычныеrdquo бури и суббури происходящие при воздействии северной компоненты ММП оказываются обычными возмущениями если рассматривать их в отношении к РС индексу и функции EKL

bull PC индекс адекватно реагирует на резкие изменения динамического давления солнечного ветра

46

Все рассмотренные выше закономерности приводят к заключению что РС индекс следует рассматривать как адекватный и удобный показатель (laquoproxyraquo) энергии солнечного ветра поступившей в ионосферу

Если придерживаться этой точки зрения становится очевидным почему бури и суббури лучше коррелируют с РС индексом чем с laquocoupling functionraquo 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

bull PCN httpwwwdmidkdmibull PCS httpwwwgeophysaariru

14

Параметры используемые для расчёта РС индекса

15

Ход унифицированных PCN и PCS индексов в 1998-2002гг

1 Имеет место соответствие в хлде положительных значений PC в южном и северном полушариях

2 Экстремальные значения положительного PC индекса (до 20 мВм) наблюдаются на станциях Туле и Восток одновременно

3 Oтрицательные значения PC индекса наблюдаются только в летний сезон

16

Сопоставление PCN и PCS индексов с реальными измерениями межпланетного электрического электрического поля Em

Ход разностей (ЕKL-PCN) и (ЕKL-PCS) выраженных в мВм 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 мВм

РСN и PCS индексы хорошо согласуются друг с другом

17

Реакция РС индекса на внезапные изменения параметров солнечного ветрa

межпланетного электрического поля EKL и

динамического давления Psw

18

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 ndash 30 минs

PC отвечает на изменения EKL одинаковым образом в обеих полярных шапках но летний РС почти в полтора раза больше чем зимний РС

19

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 laquoидеальногоraquo (статистического) соответствия между EKL и PC (мВм) можно вывести приблизительное соотношение ΔPsw=1 nPa asymp EKL=033 mVm

20

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)

bull Отрицательные импульсы давления Psw не сопровождается заметными изменениями в EKL но PC индекс начинает уменьшаться сразу же после ldquoнулевого моментаrdquo Оценка эффекта уменьшения давления даёт соотношение 1 nPa asymp 025 mVm

bull Положительный импульс давления Psw при северном ММП (при EKL ~ 0) сопровождается явным ростом РС индекса Оценка соответствующего эффекта даёт 1 nPa asymp 04 mVm

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 1-15 часа

21

Взаимосвязь между поведением РС индекса и магнитосферными суббурями

Рассматривались следующие категории магнитных возмущений

bull Магнитные бухты (AL ~ 150 nT) bull Короткие суббури (AE ~ 300 nT) с длительностью lt 3 часовbull Длинные суббури (AE ~ 400 nT) с длительностью gt 3 часовbull Замедленные суббури (AE ~ 200 nT) максимум которых наблюдался через несколько часов после внезапного начала bull Периодически повторяющиеся бухтообразные возмущения с AL gt 400 nT (saw-tooth substorms) в периоды высокой и устойчивой магнитной активности

22

Cоотношение между AE и РС индексами изолированные магнитные бухты и короткие суббури

Рост РСN и PCS индексов начинается примерно за час до внезапного начала суббури

23

Cоотношение между AE и РС индексами длинные и замедленные магнитные суббури

Рост РСN и PCS индексов начинается примерно за час до внезапного начала суббури

24

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 gt 3 мВм имеют место пилообразные магнитные возмущения с периодом ~ 2-3 часов

Внезапному началу каждой конкретной суббури предшествует с задержкой от 15 до 60 минут увеличение РС индекса При падении РС индекса ниже уровня ~ 2 мВм суббуря затухает

25

Cоотношения между полем EKL и РС и AL индексами в случае периодически повторяющиеся бухтообразных возмущений

Суперпозиция хода РС и AUAL индексов (тонкие линии) для 43 периодических магнитных возмущений и соответствующий ход усреднённых вариаций BZ и BY компонент ММП электрического поля EKL и индексов РС AUAL

Результатbull Быстрый и согласованный рост поля

Em и индекса PC начинается в среднем за ~ 25 минут до незапного начала возмущения

bull Величина РС в момент внезапного начала во всех 43 событиях была больше 2 мVм

bull Рост EKL и РС продолжается и после внезапного начала суббури (~15 минут) Причиной роста EKL и РС является увеличение южной компоненты ММП

bull Магнитная возмущенность в авроральной зоне (AL-индекс) начинает расти в среднем через 15 минут после начала роста РС индекса

bull Таким образом каждая суббуря демонстрирует чётко выраженную фазу роста в РС индексе

26

Relations between PC index and substorm (AL) and storm (ASYM) indices under conditions of the steadily high solar wind energy input into the magnetosphere

The most intense saw-tooth substorms are observed under conditions of the steady powerful interplanetary electric field which ensures energy for their developmentThe 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

bull the substorm sudden onsets are preceded by the PC growth

bull the substorm development do not affect the PC growth rate

bull achievement of the magnetic disturbance maximum is followed by synchronous drop in the PC and AL indices roughly down to level preceding the substorm

bull the higher was the substorm intensity the larger is the AL drop in the decline phase

27

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 (те 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

ВыводУстойчивое увеличение магнитной активности в полярной шапке является первым

признаком начинающегося магнитного возмущения в авроральной зоне Затем в связи с усилением высыпания авроральных частиц начинает расти возмущённость в авроральной зоне

28

Зависимость длительности фазы роста (Tgro) от величины РС (PCmean) и

скорости увеличения РС (РCGR) перед внезапным началом суббури

bull 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 ndash при наибольших значениях PCgro

bull Если рассматривать скорость роста РС индекса перед внезапным началом суббури то оказывается что длительность фазы роста Tgro уменьшается по экспоненциальному закону при увеличением скорости роста PCGR

29

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)

РезультатВсе параметры магнитной суббури

показывают явную связь со скоростью роста PC индекса (PCGR = dPCdT)) перед внезапным началом и после него

30

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 = - 05 + 55 PCgr с коэфф корреляции R = 0996 Средние величины PCgr и ALmax

связаны соотношением ALmax = 114 + 6570PCgr с коэфф корреляции R = 0997

ВыводСкорость 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)

31

Взаимосвязь между РС индексом и магнитными бурями

Basic criteria taken to choose the magnetic storms for the analysis bullduration of magnetic storm should be longer than 12 hours bullthe 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 PCgt2 mVm

32

Поведение функции EKL и РС индекса и развитие магнитной бури (Dst)

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24-1

0

1

2

3

4

5

6

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

December 10 1998 (2207 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36

-100

-80

-60

-40

-20

0

February 28 1999 (1748 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

0 4 8 12 16 20 24 28 32-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Time hours

November 07 1998 (1102 UT)

0 4 8 12 16 20 24 28

024

8

12

16

20

24

0 4 8 12 16 20 24 28-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

April 11 2001 (1300 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20

0

4

8

12

16

20

24

28

0 4 8 12 16 20-400

-300

-200

-100

0

Time hours

November 07 2004 (1830 UT)

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-2

0

2

4

6

8

10

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-180

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

Em

(P

C)

m

Vm

October 01 2002 (0534 UT)

Dst

n

T

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-4

0

4

8

12

16

20

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-300

-250

-200

-150

-100

-50

Time hours

November 09 2004 (1105 UT)

33

Соотношение между Em РС и Dst для бурь разной мощности

0 4 8 12 16 20 24 28

0

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

(b) Dst = - (50-80) nT N=13

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

(c) Dst = - (80-100) nT N=11

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(e) Dst = - (130-160) nT N=10

0 4 8 12 16 20 240

2

4

6

8

10

12

0 4 8 12 16 20 24

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(f) Dst = - (160-240) nT N = 6

34

Results of examination for individual storms and for summary plots

bull The magnetic depression starts to develop when field EKL and PC index firmly as soon as PC and EKL exceed the threshold ~2 mVm

bull As a whole rule PC and EKL cross the threshold simultaneously although sometimes EKL goes ahead PC sometimes PC goes ahead EKL

bull 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

bull When EKL (PC) slowly rises and reaches the maximum value only by the end of disturbed period the slow start storm pattern takes place

bull When EKL (PC) demonstrates repetitive strong enhancements and decreases the magnetic storm displays the appropriate multiple depressions with growth and damping phases

bull The persistent descend of PC (EKL) below the threshold level 2 mVm is indicative on the end of the storm main phase (damping phase) and transition to the storm recovery phase

bull The ldquoPC saturation effectrdquo is typical of events with the PC and EKL values gt 6 mVm

35

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 = -1732 - 1933EKL and Dst = 2313 - 3215PC It is particularly remarkable that correlation

between Dstmin and PC index turned out to be higher (R= - 079) than between Dst(min) and interplanetary electric field Em (R = - 074)

There is also the high correlation (R=095) between values Dst(decay) estimated for moments when EKL and PC firmly fall below the threshold level 2mVm

36

Зависимость интенсивности бури Dst от величин функции Еkl и РС индекса

bull 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)

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

Dst

(tra

ns)

n

T

EKL

(PC) damp mVm

EKL

PC

(a) Storm intensity Dst(peak) vs EKL

and PC values

(b) Storm parameter Dst_trans vs EKL and PC values

Dst

(pe

ak)

n

T

EKL

(PC) growth mVm

PC

EKL

37

Магнитные бури и магнитосферные суббуриразвивающиеся 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 ldquothere was a first energy storage in the magnetotail and then a delayed energy injection into the magnetosphererdquo

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

38

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 gt 800 kms

The Em drop below 2 mVm is noted only for short period from 2215 to 2330UT on January 21 but this drop is not confirmed by the PC index which was larger than 4 mVm at this time the EKL and PC values grew again above 4 mVm by 0200 UT as a result the geomagnetic storm was being continued

ConclusionThe storm of 21-22 January 2005

should be regarded as nothing out of the ordinary event if we examine behavior of PC index

39

Магнитосферные суббури при северном ММП (список Lee et al 2010) ndash cуббури с выраженным началом в АL индексе

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 mVm 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

Effect of ldquoPC index saturationrdquo typical of high values of coupling function is clearly revealed during substorm event of November 16 2000

40

Суббури при северном ММП без внезапного начала в АL индексе (список Lee et al 2010)

Behavior 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)

In events (a) and (b) the IMF BZN component was insignificant The respective EKL and PC quantities were higher than 6 mVm 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

In events (c) and (d) the value of the IMF BZN component was steadily high (gt10-20 nT) The coupling function EKL well responds to the IMF BY and BZN variations In average EKL and PC quantities were close to the threshold level 2 mVm the substorm intensity was correspondingly low (AEasymp100-250nT)

41

Развитие магнитосферных суббурь в условиях северного ММП (список Lee et al 2010)

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 ldquoPC saturation effectrdquo

Conclusion The high level of the EKL (and PC) values

under conditions of northward IMF is provided by the IMF BY component

42

Суббури триггируемые внезапным поворотом ММП в северу (или изменением полярности BY сомпоненты)

There are some features typical of ldquotriggeredrdquo 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 20ndash30 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

ConclusionldquoTriggeredrdquo substorms have no

relation to ldquonorthward IMF turningrdquo or BY reverse

43

Соотношение между laquocoupling functionraquo 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 increasing By in spite of northward IMF orientation the EKL value can be as large as 5-10 mVm

44

Выводы

bull 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 mVm even даже при северном ММП PC индекс растёт в соответствии с ростом величины EKL

bull 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 laquoэкстраординарные возмущенияraquo являются вдействительности обычными возмущениями Происходящими при необходимом и достаточном условии для развития суббурь (PC ge 15-17 mVm) или магнитных бурь (PC ge 2 mVm)

bull Та же ситуация верна и для суббурь триггируемых резких поворотом ММП к северу (laquonorthward turningraquo) 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

45

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

bull магнитные бури и магнитосферные суббури начинаются только в том случае если величина PC индекса превышает некий пороговый уровень (~ 2 mVm для бурь и gt15mVm для суббурь)

bull длительность фазы роста суббури и интенсивность суббури определяются скоростью нарастания РС индекса развитие суббури прекращается как только величина PC индекса падает ниже 1-15 mVm

bull продолжительность магнитной бури определяется длительностью периода когда PCgt2mVm и интенсивность бури (Dst_peak) линейно связана с величиной РС индекса усреднённой за длительность главной фазы

bull периодичность saw-tooth substorms происходящих в условиях устойчивого высокого уровня функции EKL определяется продолжительностью laquoфазы роста РС индексаraquo и laquoфазы спада РС индексаraquo сменяющих друг друга

bull Развитие бурь и суббурь лучше согласуется с ходом РС индекса чем с вариациями функции EKL

bull ldquoнеобычныеrdquo бури и суббури происходящие при воздействии северной компоненты ММП оказываются обычными возмущениями если рассматривать их в отношении к РС индексу и функции EKL

bull PC индекс адекватно реагирует на резкие изменения динамического давления солнечного ветра

46

Все рассмотренные выше закономерности приводят к заключению что РС индекс следует рассматривать как адекватный и удобный показатель (laquoproxyraquo) энергии солнечного ветра поступившей в ионосферу

Если придерживаться этой точки зрения становится очевидным почему бури и суббури лучше коррелируют с РС индексом чем с laquocoupling functionraquo 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

bull PCN httpwwwdmidkdmibull PCS httpwwwgeophysaariru

15

Ход унифицированных PCN и PCS индексов в 1998-2002гг

1 Имеет место соответствие в хлде положительных значений PC в южном и северном полушариях

2 Экстремальные значения положительного PC индекса (до 20 мВм) наблюдаются на станциях Туле и Восток одновременно

3 Oтрицательные значения PC индекса наблюдаются только в летний сезон

16

Сопоставление PCN и PCS индексов с реальными измерениями межпланетного электрического электрического поля Em

Ход разностей (ЕKL-PCN) и (ЕKL-PCS) выраженных в мВм 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 мВм

РСN и PCS индексы хорошо согласуются друг с другом

17

Реакция РС индекса на внезапные изменения параметров солнечного ветрa

межпланетного электрического поля EKL и

динамического давления Psw

18

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 ndash 30 минs

PC отвечает на изменения EKL одинаковым образом в обеих полярных шапках но летний РС почти в полтора раза больше чем зимний РС

19

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 laquoидеальногоraquo (статистического) соответствия между EKL и PC (мВм) можно вывести приблизительное соотношение ΔPsw=1 nPa asymp EKL=033 mVm

20

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)

bull Отрицательные импульсы давления Psw не сопровождается заметными изменениями в EKL но PC индекс начинает уменьшаться сразу же после ldquoнулевого моментаrdquo Оценка эффекта уменьшения давления даёт соотношение 1 nPa asymp 025 mVm

bull Положительный импульс давления Psw при северном ММП (при EKL ~ 0) сопровождается явным ростом РС индекса Оценка соответствующего эффекта даёт 1 nPa asymp 04 mVm

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 1-15 часа

21

Взаимосвязь между поведением РС индекса и магнитосферными суббурями

Рассматривались следующие категории магнитных возмущений

bull Магнитные бухты (AL ~ 150 nT) bull Короткие суббури (AE ~ 300 nT) с длительностью lt 3 часовbull Длинные суббури (AE ~ 400 nT) с длительностью gt 3 часовbull Замедленные суббури (AE ~ 200 nT) максимум которых наблюдался через несколько часов после внезапного начала bull Периодически повторяющиеся бухтообразные возмущения с AL gt 400 nT (saw-tooth substorms) в периоды высокой и устойчивой магнитной активности

22

Cоотношение между AE и РС индексами изолированные магнитные бухты и короткие суббури

Рост РСN и PCS индексов начинается примерно за час до внезапного начала суббури

23

Cоотношение между AE и РС индексами длинные и замедленные магнитные суббури

Рост РСN и PCS индексов начинается примерно за час до внезапного начала суббури

24

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 gt 3 мВм имеют место пилообразные магнитные возмущения с периодом ~ 2-3 часов

Внезапному началу каждой конкретной суббури предшествует с задержкой от 15 до 60 минут увеличение РС индекса При падении РС индекса ниже уровня ~ 2 мВм суббуря затухает

25

Cоотношения между полем EKL и РС и AL индексами в случае периодически повторяющиеся бухтообразных возмущений

Суперпозиция хода РС и AUAL индексов (тонкие линии) для 43 периодических магнитных возмущений и соответствующий ход усреднённых вариаций BZ и BY компонент ММП электрического поля EKL и индексов РС AUAL

Результатbull Быстрый и согласованный рост поля

Em и индекса PC начинается в среднем за ~ 25 минут до незапного начала возмущения

bull Величина РС в момент внезапного начала во всех 43 событиях была больше 2 мVм

bull Рост EKL и РС продолжается и после внезапного начала суббури (~15 минут) Причиной роста EKL и РС является увеличение южной компоненты ММП

bull Магнитная возмущенность в авроральной зоне (AL-индекс) начинает расти в среднем через 15 минут после начала роста РС индекса

bull Таким образом каждая суббуря демонстрирует чётко выраженную фазу роста в РС индексе

26

Relations between PC index and substorm (AL) and storm (ASYM) indices under conditions of the steadily high solar wind energy input into the magnetosphere

The most intense saw-tooth substorms are observed under conditions of the steady powerful interplanetary electric field which ensures energy for their developmentThe 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

bull the substorm sudden onsets are preceded by the PC growth

bull the substorm development do not affect the PC growth rate

bull achievement of the magnetic disturbance maximum is followed by synchronous drop in the PC and AL indices roughly down to level preceding the substorm

bull the higher was the substorm intensity the larger is the AL drop in the decline phase

27

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 (те 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

ВыводУстойчивое увеличение магнитной активности в полярной шапке является первым

признаком начинающегося магнитного возмущения в авроральной зоне Затем в связи с усилением высыпания авроральных частиц начинает расти возмущённость в авроральной зоне

28

Зависимость длительности фазы роста (Tgro) от величины РС (PCmean) и

скорости увеличения РС (РCGR) перед внезапным началом суббури

bull 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 ndash при наибольших значениях PCgro

bull Если рассматривать скорость роста РС индекса перед внезапным началом суббури то оказывается что длительность фазы роста Tgro уменьшается по экспоненциальному закону при увеличением скорости роста PCGR

29

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)

РезультатВсе параметры магнитной суббури

показывают явную связь со скоростью роста PC индекса (PCGR = dPCdT)) перед внезапным началом и после него

30

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 = - 05 + 55 PCgr с коэфф корреляции R = 0996 Средние величины PCgr и ALmax

связаны соотношением ALmax = 114 + 6570PCgr с коэфф корреляции R = 0997

ВыводСкорость 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)

31

Взаимосвязь между РС индексом и магнитными бурями

Basic criteria taken to choose the magnetic storms for the analysis bullduration of magnetic storm should be longer than 12 hours bullthe 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 PCgt2 mVm

32

Поведение функции EKL и РС индекса и развитие магнитной бури (Dst)

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24-1

0

1

2

3

4

5

6

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

December 10 1998 (2207 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36

-100

-80

-60

-40

-20

0

February 28 1999 (1748 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

0 4 8 12 16 20 24 28 32-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Time hours

November 07 1998 (1102 UT)

0 4 8 12 16 20 24 28

024

8

12

16

20

24

0 4 8 12 16 20 24 28-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

April 11 2001 (1300 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20

0

4

8

12

16

20

24

28

0 4 8 12 16 20-400

-300

-200

-100

0

Time hours

November 07 2004 (1830 UT)

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-2

0

2

4

6

8

10

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-180

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

Em

(P

C)

m

Vm

October 01 2002 (0534 UT)

Dst

n

T

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-4

0

4

8

12

16

20

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-300

-250

-200

-150

-100

-50

Time hours

November 09 2004 (1105 UT)

33

Соотношение между Em РС и Dst для бурь разной мощности

0 4 8 12 16 20 24 28

0

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

(b) Dst = - (50-80) nT N=13

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

(c) Dst = - (80-100) nT N=11

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(e) Dst = - (130-160) nT N=10

0 4 8 12 16 20 240

2

4

6

8

10

12

0 4 8 12 16 20 24

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(f) Dst = - (160-240) nT N = 6

34

Results of examination for individual storms and for summary plots

bull The magnetic depression starts to develop when field EKL and PC index firmly as soon as PC and EKL exceed the threshold ~2 mVm

bull As a whole rule PC and EKL cross the threshold simultaneously although sometimes EKL goes ahead PC sometimes PC goes ahead EKL

bull 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

bull When EKL (PC) slowly rises and reaches the maximum value only by the end of disturbed period the slow start storm pattern takes place

bull When EKL (PC) demonstrates repetitive strong enhancements and decreases the magnetic storm displays the appropriate multiple depressions with growth and damping phases

bull The persistent descend of PC (EKL) below the threshold level 2 mVm is indicative on the end of the storm main phase (damping phase) and transition to the storm recovery phase

bull The ldquoPC saturation effectrdquo is typical of events with the PC and EKL values gt 6 mVm

35

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 = -1732 - 1933EKL and Dst = 2313 - 3215PC It is particularly remarkable that correlation

between Dstmin and PC index turned out to be higher (R= - 079) than between Dst(min) and interplanetary electric field Em (R = - 074)

There is also the high correlation (R=095) between values Dst(decay) estimated for moments when EKL and PC firmly fall below the threshold level 2mVm

36

Зависимость интенсивности бури Dst от величин функции Еkl и РС индекса

bull 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)

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

Dst

(tra

ns)

n

T

EKL

(PC) damp mVm

EKL

PC

(a) Storm intensity Dst(peak) vs EKL

and PC values

(b) Storm parameter Dst_trans vs EKL and PC values

Dst

(pe

ak)

n

T

EKL

(PC) growth mVm

PC

EKL

37

Магнитные бури и магнитосферные суббуриразвивающиеся 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 ldquothere was a first energy storage in the magnetotail and then a delayed energy injection into the magnetosphererdquo

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

38

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 gt 800 kms

The Em drop below 2 mVm is noted only for short period from 2215 to 2330UT on January 21 but this drop is not confirmed by the PC index which was larger than 4 mVm at this time the EKL and PC values grew again above 4 mVm by 0200 UT as a result the geomagnetic storm was being continued

ConclusionThe storm of 21-22 January 2005

should be regarded as nothing out of the ordinary event if we examine behavior of PC index

39

Магнитосферные суббури при северном ММП (список Lee et al 2010) ndash cуббури с выраженным началом в АL индексе

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 mVm 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

Effect of ldquoPC index saturationrdquo typical of high values of coupling function is clearly revealed during substorm event of November 16 2000

40

Суббури при северном ММП без внезапного начала в АL индексе (список Lee et al 2010)

Behavior 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)

In events (a) and (b) the IMF BZN component was insignificant The respective EKL and PC quantities were higher than 6 mVm 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

In events (c) and (d) the value of the IMF BZN component was steadily high (gt10-20 nT) The coupling function EKL well responds to the IMF BY and BZN variations In average EKL and PC quantities were close to the threshold level 2 mVm the substorm intensity was correspondingly low (AEasymp100-250nT)

41

Развитие магнитосферных суббурь в условиях северного ММП (список Lee et al 2010)

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 ldquoPC saturation effectrdquo

Conclusion The high level of the EKL (and PC) values

under conditions of northward IMF is provided by the IMF BY component

42

Суббури триггируемые внезапным поворотом ММП в северу (или изменением полярности BY сомпоненты)

There are some features typical of ldquotriggeredrdquo 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 20ndash30 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

ConclusionldquoTriggeredrdquo substorms have no

relation to ldquonorthward IMF turningrdquo or BY reverse

43

Соотношение между laquocoupling functionraquo 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 increasing By in spite of northward IMF orientation the EKL value can be as large as 5-10 mVm

44

Выводы

bull 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 mVm even даже при северном ММП PC индекс растёт в соответствии с ростом величины EKL

bull 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 laquoэкстраординарные возмущенияraquo являются вдействительности обычными возмущениями Происходящими при необходимом и достаточном условии для развития суббурь (PC ge 15-17 mVm) или магнитных бурь (PC ge 2 mVm)

bull Та же ситуация верна и для суббурь триггируемых резких поворотом ММП к северу (laquonorthward turningraquo) 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

45

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

bull магнитные бури и магнитосферные суббури начинаются только в том случае если величина PC индекса превышает некий пороговый уровень (~ 2 mVm для бурь и gt15mVm для суббурь)

bull длительность фазы роста суббури и интенсивность суббури определяются скоростью нарастания РС индекса развитие суббури прекращается как только величина PC индекса падает ниже 1-15 mVm

bull продолжительность магнитной бури определяется длительностью периода когда PCgt2mVm и интенсивность бури (Dst_peak) линейно связана с величиной РС индекса усреднённой за длительность главной фазы

bull периодичность saw-tooth substorms происходящих в условиях устойчивого высокого уровня функции EKL определяется продолжительностью laquoфазы роста РС индексаraquo и laquoфазы спада РС индексаraquo сменяющих друг друга

bull Развитие бурь и суббурь лучше согласуется с ходом РС индекса чем с вариациями функции EKL

bull ldquoнеобычныеrdquo бури и суббури происходящие при воздействии северной компоненты ММП оказываются обычными возмущениями если рассматривать их в отношении к РС индексу и функции EKL

bull PC индекс адекватно реагирует на резкие изменения динамического давления солнечного ветра

46

Все рассмотренные выше закономерности приводят к заключению что РС индекс следует рассматривать как адекватный и удобный показатель (laquoproxyraquo) энергии солнечного ветра поступившей в ионосферу

Если придерживаться этой точки зрения становится очевидным почему бури и суббури лучше коррелируют с РС индексом чем с laquocoupling functionraquo 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

bull PCN httpwwwdmidkdmibull PCS httpwwwgeophysaariru

16

Сопоставление PCN и PCS индексов с реальными измерениями межпланетного электрического электрического поля Em

Ход разностей (ЕKL-PCN) и (ЕKL-PCS) выраженных в мВм 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 мВм

РСN и PCS индексы хорошо согласуются друг с другом

17

Реакция РС индекса на внезапные изменения параметров солнечного ветрa

межпланетного электрического поля EKL и

динамического давления Psw

18

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 ndash 30 минs

PC отвечает на изменения EKL одинаковым образом в обеих полярных шапках но летний РС почти в полтора раза больше чем зимний РС

19

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 laquoидеальногоraquo (статистического) соответствия между EKL и PC (мВм) можно вывести приблизительное соотношение ΔPsw=1 nPa asymp EKL=033 mVm

20

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)

bull Отрицательные импульсы давления Psw не сопровождается заметными изменениями в EKL но PC индекс начинает уменьшаться сразу же после ldquoнулевого моментаrdquo Оценка эффекта уменьшения давления даёт соотношение 1 nPa asymp 025 mVm

bull Положительный импульс давления Psw при северном ММП (при EKL ~ 0) сопровождается явным ростом РС индекса Оценка соответствующего эффекта даёт 1 nPa asymp 04 mVm

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 1-15 часа

21

Взаимосвязь между поведением РС индекса и магнитосферными суббурями

Рассматривались следующие категории магнитных возмущений

bull Магнитные бухты (AL ~ 150 nT) bull Короткие суббури (AE ~ 300 nT) с длительностью lt 3 часовbull Длинные суббури (AE ~ 400 nT) с длительностью gt 3 часовbull Замедленные суббури (AE ~ 200 nT) максимум которых наблюдался через несколько часов после внезапного начала bull Периодически повторяющиеся бухтообразные возмущения с AL gt 400 nT (saw-tooth substorms) в периоды высокой и устойчивой магнитной активности

22

Cоотношение между AE и РС индексами изолированные магнитные бухты и короткие суббури

Рост РСN и PCS индексов начинается примерно за час до внезапного начала суббури

23

Cоотношение между AE и РС индексами длинные и замедленные магнитные суббури

Рост РСN и PCS индексов начинается примерно за час до внезапного начала суббури

24

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 gt 3 мВм имеют место пилообразные магнитные возмущения с периодом ~ 2-3 часов

Внезапному началу каждой конкретной суббури предшествует с задержкой от 15 до 60 минут увеличение РС индекса При падении РС индекса ниже уровня ~ 2 мВм суббуря затухает

25

Cоотношения между полем EKL и РС и AL индексами в случае периодически повторяющиеся бухтообразных возмущений

Суперпозиция хода РС и AUAL индексов (тонкие линии) для 43 периодических магнитных возмущений и соответствующий ход усреднённых вариаций BZ и BY компонент ММП электрического поля EKL и индексов РС AUAL

Результатbull Быстрый и согласованный рост поля

Em и индекса PC начинается в среднем за ~ 25 минут до незапного начала возмущения

bull Величина РС в момент внезапного начала во всех 43 событиях была больше 2 мVм

bull Рост EKL и РС продолжается и после внезапного начала суббури (~15 минут) Причиной роста EKL и РС является увеличение южной компоненты ММП

bull Магнитная возмущенность в авроральной зоне (AL-индекс) начинает расти в среднем через 15 минут после начала роста РС индекса

bull Таким образом каждая суббуря демонстрирует чётко выраженную фазу роста в РС индексе

26

Relations between PC index and substorm (AL) and storm (ASYM) indices under conditions of the steadily high solar wind energy input into the magnetosphere

The most intense saw-tooth substorms are observed under conditions of the steady powerful interplanetary electric field which ensures energy for their developmentThe 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

bull the substorm sudden onsets are preceded by the PC growth

bull the substorm development do not affect the PC growth rate

bull achievement of the magnetic disturbance maximum is followed by synchronous drop in the PC and AL indices roughly down to level preceding the substorm

bull the higher was the substorm intensity the larger is the AL drop in the decline phase

27

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 (те 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

ВыводУстойчивое увеличение магнитной активности в полярной шапке является первым

признаком начинающегося магнитного возмущения в авроральной зоне Затем в связи с усилением высыпания авроральных частиц начинает расти возмущённость в авроральной зоне

28

Зависимость длительности фазы роста (Tgro) от величины РС (PCmean) и

скорости увеличения РС (РCGR) перед внезапным началом суббури

bull 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 ndash при наибольших значениях PCgro

bull Если рассматривать скорость роста РС индекса перед внезапным началом суббури то оказывается что длительность фазы роста Tgro уменьшается по экспоненциальному закону при увеличением скорости роста PCGR

29

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)

РезультатВсе параметры магнитной суббури

показывают явную связь со скоростью роста PC индекса (PCGR = dPCdT)) перед внезапным началом и после него

30

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 = - 05 + 55 PCgr с коэфф корреляции R = 0996 Средние величины PCgr и ALmax

связаны соотношением ALmax = 114 + 6570PCgr с коэфф корреляции R = 0997

ВыводСкорость 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)

31

Взаимосвязь между РС индексом и магнитными бурями

Basic criteria taken to choose the magnetic storms for the analysis bullduration of magnetic storm should be longer than 12 hours bullthe 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 PCgt2 mVm

32

Поведение функции EKL и РС индекса и развитие магнитной бури (Dst)

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24-1

0

1

2

3

4

5

6

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

December 10 1998 (2207 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36

-100

-80

-60

-40

-20

0

February 28 1999 (1748 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

0 4 8 12 16 20 24 28 32-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Time hours

November 07 1998 (1102 UT)

0 4 8 12 16 20 24 28

024

8

12

16

20

24

0 4 8 12 16 20 24 28-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

April 11 2001 (1300 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20

0

4

8

12

16

20

24

28

0 4 8 12 16 20-400

-300

-200

-100

0

Time hours

November 07 2004 (1830 UT)

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-2

0

2

4

6

8

10

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-180

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

Em

(P

C)

m

Vm

October 01 2002 (0534 UT)

Dst

n

T

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-4

0

4

8

12

16

20

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-300

-250

-200

-150

-100

-50

Time hours

November 09 2004 (1105 UT)

33

Соотношение между Em РС и Dst для бурь разной мощности

0 4 8 12 16 20 24 28

0

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

(b) Dst = - (50-80) nT N=13

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

(c) Dst = - (80-100) nT N=11

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(e) Dst = - (130-160) nT N=10

0 4 8 12 16 20 240

2

4

6

8

10

12

0 4 8 12 16 20 24

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(f) Dst = - (160-240) nT N = 6

34

Results of examination for individual storms and for summary plots

bull The magnetic depression starts to develop when field EKL and PC index firmly as soon as PC and EKL exceed the threshold ~2 mVm

bull As a whole rule PC and EKL cross the threshold simultaneously although sometimes EKL goes ahead PC sometimes PC goes ahead EKL

bull 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

bull When EKL (PC) slowly rises and reaches the maximum value only by the end of disturbed period the slow start storm pattern takes place

bull When EKL (PC) demonstrates repetitive strong enhancements and decreases the magnetic storm displays the appropriate multiple depressions with growth and damping phases

bull The persistent descend of PC (EKL) below the threshold level 2 mVm is indicative on the end of the storm main phase (damping phase) and transition to the storm recovery phase

bull The ldquoPC saturation effectrdquo is typical of events with the PC and EKL values gt 6 mVm

35

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 = -1732 - 1933EKL and Dst = 2313 - 3215PC It is particularly remarkable that correlation

between Dstmin and PC index turned out to be higher (R= - 079) than between Dst(min) and interplanetary electric field Em (R = - 074)

There is also the high correlation (R=095) between values Dst(decay) estimated for moments when EKL and PC firmly fall below the threshold level 2mVm

36

Зависимость интенсивности бури Dst от величин функции Еkl и РС индекса

bull 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)

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

Dst

(tra

ns)

n

T

EKL

(PC) damp mVm

EKL

PC

(a) Storm intensity Dst(peak) vs EKL

and PC values

(b) Storm parameter Dst_trans vs EKL and PC values

Dst

(pe

ak)

n

T

EKL

(PC) growth mVm

PC

EKL

37

Магнитные бури и магнитосферные суббуриразвивающиеся 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 ldquothere was a first energy storage in the magnetotail and then a delayed energy injection into the magnetosphererdquo

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

38

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 gt 800 kms

The Em drop below 2 mVm is noted only for short period from 2215 to 2330UT on January 21 but this drop is not confirmed by the PC index which was larger than 4 mVm at this time the EKL and PC values grew again above 4 mVm by 0200 UT as a result the geomagnetic storm was being continued

ConclusionThe storm of 21-22 January 2005

should be regarded as nothing out of the ordinary event if we examine behavior of PC index

39

Магнитосферные суббури при северном ММП (список Lee et al 2010) ndash cуббури с выраженным началом в АL индексе

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 mVm 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

Effect of ldquoPC index saturationrdquo typical of high values of coupling function is clearly revealed during substorm event of November 16 2000

40

Суббури при северном ММП без внезапного начала в АL индексе (список Lee et al 2010)

Behavior 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)

In events (a) and (b) the IMF BZN component was insignificant The respective EKL and PC quantities were higher than 6 mVm 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

In events (c) and (d) the value of the IMF BZN component was steadily high (gt10-20 nT) The coupling function EKL well responds to the IMF BY and BZN variations In average EKL and PC quantities were close to the threshold level 2 mVm the substorm intensity was correspondingly low (AEasymp100-250nT)

41

Развитие магнитосферных суббурь в условиях северного ММП (список Lee et al 2010)

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 ldquoPC saturation effectrdquo

Conclusion The high level of the EKL (and PC) values

under conditions of northward IMF is provided by the IMF BY component

42

Суббури триггируемые внезапным поворотом ММП в северу (или изменением полярности BY сомпоненты)

There are some features typical of ldquotriggeredrdquo 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 20ndash30 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

ConclusionldquoTriggeredrdquo substorms have no

relation to ldquonorthward IMF turningrdquo or BY reverse

43

Соотношение между laquocoupling functionraquo 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 increasing By in spite of northward IMF orientation the EKL value can be as large as 5-10 mVm

44

Выводы

bull 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 mVm even даже при северном ММП PC индекс растёт в соответствии с ростом величины EKL

bull 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 laquoэкстраординарные возмущенияraquo являются вдействительности обычными возмущениями Происходящими при необходимом и достаточном условии для развития суббурь (PC ge 15-17 mVm) или магнитных бурь (PC ge 2 mVm)

bull Та же ситуация верна и для суббурь триггируемых резких поворотом ММП к северу (laquonorthward turningraquo) 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

45

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

bull магнитные бури и магнитосферные суббури начинаются только в том случае если величина PC индекса превышает некий пороговый уровень (~ 2 mVm для бурь и gt15mVm для суббурь)

bull длительность фазы роста суббури и интенсивность суббури определяются скоростью нарастания РС индекса развитие суббури прекращается как только величина PC индекса падает ниже 1-15 mVm

bull продолжительность магнитной бури определяется длительностью периода когда PCgt2mVm и интенсивность бури (Dst_peak) линейно связана с величиной РС индекса усреднённой за длительность главной фазы

bull периодичность saw-tooth substorms происходящих в условиях устойчивого высокого уровня функции EKL определяется продолжительностью laquoфазы роста РС индексаraquo и laquoфазы спада РС индексаraquo сменяющих друг друга

bull Развитие бурь и суббурь лучше согласуется с ходом РС индекса чем с вариациями функции EKL

bull ldquoнеобычныеrdquo бури и суббури происходящие при воздействии северной компоненты ММП оказываются обычными возмущениями если рассматривать их в отношении к РС индексу и функции EKL

bull PC индекс адекватно реагирует на резкие изменения динамического давления солнечного ветра

46

Все рассмотренные выше закономерности приводят к заключению что РС индекс следует рассматривать как адекватный и удобный показатель (laquoproxyraquo) энергии солнечного ветра поступившей в ионосферу

Если придерживаться этой точки зрения становится очевидным почему бури и суббури лучше коррелируют с РС индексом чем с laquocoupling functionraquo 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

bull PCN httpwwwdmidkdmibull PCS httpwwwgeophysaariru

17

Реакция РС индекса на внезапные изменения параметров солнечного ветрa

межпланетного электрического поля EKL и

динамического давления Psw

18

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 ndash 30 минs

PC отвечает на изменения EKL одинаковым образом в обеих полярных шапках но летний РС почти в полтора раза больше чем зимний РС

19

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 laquoидеальногоraquo (статистического) соответствия между EKL и PC (мВм) можно вывести приблизительное соотношение ΔPsw=1 nPa asymp EKL=033 mVm

20

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)

bull Отрицательные импульсы давления Psw не сопровождается заметными изменениями в EKL но PC индекс начинает уменьшаться сразу же после ldquoнулевого моментаrdquo Оценка эффекта уменьшения давления даёт соотношение 1 nPa asymp 025 mVm

bull Положительный импульс давления Psw при северном ММП (при EKL ~ 0) сопровождается явным ростом РС индекса Оценка соответствующего эффекта даёт 1 nPa asymp 04 mVm

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 1-15 часа

21

Взаимосвязь между поведением РС индекса и магнитосферными суббурями

Рассматривались следующие категории магнитных возмущений

bull Магнитные бухты (AL ~ 150 nT) bull Короткие суббури (AE ~ 300 nT) с длительностью lt 3 часовbull Длинные суббури (AE ~ 400 nT) с длительностью gt 3 часовbull Замедленные суббури (AE ~ 200 nT) максимум которых наблюдался через несколько часов после внезапного начала bull Периодически повторяющиеся бухтообразные возмущения с AL gt 400 nT (saw-tooth substorms) в периоды высокой и устойчивой магнитной активности

22

Cоотношение между AE и РС индексами изолированные магнитные бухты и короткие суббури

Рост РСN и PCS индексов начинается примерно за час до внезапного начала суббури

23

Cоотношение между AE и РС индексами длинные и замедленные магнитные суббури

Рост РСN и PCS индексов начинается примерно за час до внезапного начала суббури

24

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 gt 3 мВм имеют место пилообразные магнитные возмущения с периодом ~ 2-3 часов

Внезапному началу каждой конкретной суббури предшествует с задержкой от 15 до 60 минут увеличение РС индекса При падении РС индекса ниже уровня ~ 2 мВм суббуря затухает

25

Cоотношения между полем EKL и РС и AL индексами в случае периодически повторяющиеся бухтообразных возмущений

Суперпозиция хода РС и AUAL индексов (тонкие линии) для 43 периодических магнитных возмущений и соответствующий ход усреднённых вариаций BZ и BY компонент ММП электрического поля EKL и индексов РС AUAL

Результатbull Быстрый и согласованный рост поля

Em и индекса PC начинается в среднем за ~ 25 минут до незапного начала возмущения

bull Величина РС в момент внезапного начала во всех 43 событиях была больше 2 мVм

bull Рост EKL и РС продолжается и после внезапного начала суббури (~15 минут) Причиной роста EKL и РС является увеличение южной компоненты ММП

bull Магнитная возмущенность в авроральной зоне (AL-индекс) начинает расти в среднем через 15 минут после начала роста РС индекса

bull Таким образом каждая суббуря демонстрирует чётко выраженную фазу роста в РС индексе

26

Relations between PC index and substorm (AL) and storm (ASYM) indices under conditions of the steadily high solar wind energy input into the magnetosphere

The most intense saw-tooth substorms are observed under conditions of the steady powerful interplanetary electric field which ensures energy for their developmentThe 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

bull the substorm sudden onsets are preceded by the PC growth

bull the substorm development do not affect the PC growth rate

bull achievement of the magnetic disturbance maximum is followed by synchronous drop in the PC and AL indices roughly down to level preceding the substorm

bull the higher was the substorm intensity the larger is the AL drop in the decline phase

27

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 (те 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

ВыводУстойчивое увеличение магнитной активности в полярной шапке является первым

признаком начинающегося магнитного возмущения в авроральной зоне Затем в связи с усилением высыпания авроральных частиц начинает расти возмущённость в авроральной зоне

28

Зависимость длительности фазы роста (Tgro) от величины РС (PCmean) и

скорости увеличения РС (РCGR) перед внезапным началом суббури

bull 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 ndash при наибольших значениях PCgro

bull Если рассматривать скорость роста РС индекса перед внезапным началом суббури то оказывается что длительность фазы роста Tgro уменьшается по экспоненциальному закону при увеличением скорости роста PCGR

29

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)

РезультатВсе параметры магнитной суббури

показывают явную связь со скоростью роста PC индекса (PCGR = dPCdT)) перед внезапным началом и после него

30

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 = - 05 + 55 PCgr с коэфф корреляции R = 0996 Средние величины PCgr и ALmax

связаны соотношением ALmax = 114 + 6570PCgr с коэфф корреляции R = 0997

ВыводСкорость 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)

31

Взаимосвязь между РС индексом и магнитными бурями

Basic criteria taken to choose the magnetic storms for the analysis bullduration of magnetic storm should be longer than 12 hours bullthe 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 PCgt2 mVm

32

Поведение функции EKL и РС индекса и развитие магнитной бури (Dst)

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24-1

0

1

2

3

4

5

6

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

December 10 1998 (2207 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36

-100

-80

-60

-40

-20

0

February 28 1999 (1748 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

0 4 8 12 16 20 24 28 32-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Time hours

November 07 1998 (1102 UT)

0 4 8 12 16 20 24 28

024

8

12

16

20

24

0 4 8 12 16 20 24 28-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

April 11 2001 (1300 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20

0

4

8

12

16

20

24

28

0 4 8 12 16 20-400

-300

-200

-100

0

Time hours

November 07 2004 (1830 UT)

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-2

0

2

4

6

8

10

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-180

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

Em

(P

C)

m

Vm

October 01 2002 (0534 UT)

Dst

n

T

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-4

0

4

8

12

16

20

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-300

-250

-200

-150

-100

-50

Time hours

November 09 2004 (1105 UT)

33

Соотношение между Em РС и Dst для бурь разной мощности

0 4 8 12 16 20 24 28

0

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

(b) Dst = - (50-80) nT N=13

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

(c) Dst = - (80-100) nT N=11

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(e) Dst = - (130-160) nT N=10

0 4 8 12 16 20 240

2

4

6

8

10

12

0 4 8 12 16 20 24

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(f) Dst = - (160-240) nT N = 6

34

Results of examination for individual storms and for summary plots

bull The magnetic depression starts to develop when field EKL and PC index firmly as soon as PC and EKL exceed the threshold ~2 mVm

bull As a whole rule PC and EKL cross the threshold simultaneously although sometimes EKL goes ahead PC sometimes PC goes ahead EKL

bull 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

bull When EKL (PC) slowly rises and reaches the maximum value only by the end of disturbed period the slow start storm pattern takes place

bull When EKL (PC) demonstrates repetitive strong enhancements and decreases the magnetic storm displays the appropriate multiple depressions with growth and damping phases

bull The persistent descend of PC (EKL) below the threshold level 2 mVm is indicative on the end of the storm main phase (damping phase) and transition to the storm recovery phase

bull The ldquoPC saturation effectrdquo is typical of events with the PC and EKL values gt 6 mVm

35

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 = -1732 - 1933EKL and Dst = 2313 - 3215PC It is particularly remarkable that correlation

between Dstmin and PC index turned out to be higher (R= - 079) than between Dst(min) and interplanetary electric field Em (R = - 074)

There is also the high correlation (R=095) between values Dst(decay) estimated for moments when EKL and PC firmly fall below the threshold level 2mVm

36

Зависимость интенсивности бури Dst от величин функции Еkl и РС индекса

bull 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)

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

Dst

(tra

ns)

n

T

EKL

(PC) damp mVm

EKL

PC

(a) Storm intensity Dst(peak) vs EKL

and PC values

(b) Storm parameter Dst_trans vs EKL and PC values

Dst

(pe

ak)

n

T

EKL

(PC) growth mVm

PC

EKL

37

Магнитные бури и магнитосферные суббуриразвивающиеся 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 ldquothere was a first energy storage in the magnetotail and then a delayed energy injection into the magnetosphererdquo

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

38

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 gt 800 kms

The Em drop below 2 mVm is noted only for short period from 2215 to 2330UT on January 21 but this drop is not confirmed by the PC index which was larger than 4 mVm at this time the EKL and PC values grew again above 4 mVm by 0200 UT as a result the geomagnetic storm was being continued

ConclusionThe storm of 21-22 January 2005

should be regarded as nothing out of the ordinary event if we examine behavior of PC index

39

Магнитосферные суббури при северном ММП (список Lee et al 2010) ndash cуббури с выраженным началом в АL индексе

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 mVm 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

Effect of ldquoPC index saturationrdquo typical of high values of coupling function is clearly revealed during substorm event of November 16 2000

40

Суббури при северном ММП без внезапного начала в АL индексе (список Lee et al 2010)

Behavior 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)

In events (a) and (b) the IMF BZN component was insignificant The respective EKL and PC quantities were higher than 6 mVm 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

In events (c) and (d) the value of the IMF BZN component was steadily high (gt10-20 nT) The coupling function EKL well responds to the IMF BY and BZN variations In average EKL and PC quantities were close to the threshold level 2 mVm the substorm intensity was correspondingly low (AEasymp100-250nT)

41

Развитие магнитосферных суббурь в условиях северного ММП (список Lee et al 2010)

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 ldquoPC saturation effectrdquo

Conclusion The high level of the EKL (and PC) values

under conditions of northward IMF is provided by the IMF BY component

42

Суббури триггируемые внезапным поворотом ММП в северу (или изменением полярности BY сомпоненты)

There are some features typical of ldquotriggeredrdquo 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 20ndash30 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

ConclusionldquoTriggeredrdquo substorms have no

relation to ldquonorthward IMF turningrdquo or BY reverse

43

Соотношение между laquocoupling functionraquo 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 increasing By in spite of northward IMF orientation the EKL value can be as large as 5-10 mVm

44

Выводы

bull 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 mVm even даже при северном ММП PC индекс растёт в соответствии с ростом величины EKL

bull 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 laquoэкстраординарные возмущенияraquo являются вдействительности обычными возмущениями Происходящими при необходимом и достаточном условии для развития суббурь (PC ge 15-17 mVm) или магнитных бурь (PC ge 2 mVm)

bull Та же ситуация верна и для суббурь триггируемых резких поворотом ММП к северу (laquonorthward turningraquo) 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

45

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

bull магнитные бури и магнитосферные суббури начинаются только в том случае если величина PC индекса превышает некий пороговый уровень (~ 2 mVm для бурь и gt15mVm для суббурь)

bull длительность фазы роста суббури и интенсивность суббури определяются скоростью нарастания РС индекса развитие суббури прекращается как только величина PC индекса падает ниже 1-15 mVm

bull продолжительность магнитной бури определяется длительностью периода когда PCgt2mVm и интенсивность бури (Dst_peak) линейно связана с величиной РС индекса усреднённой за длительность главной фазы

bull периодичность saw-tooth substorms происходящих в условиях устойчивого высокого уровня функции EKL определяется продолжительностью laquoфазы роста РС индексаraquo и laquoфазы спада РС индексаraquo сменяющих друг друга

bull Развитие бурь и суббурь лучше согласуется с ходом РС индекса чем с вариациями функции EKL

bull ldquoнеобычныеrdquo бури и суббури происходящие при воздействии северной компоненты ММП оказываются обычными возмущениями если рассматривать их в отношении к РС индексу и функции EKL

bull PC индекс адекватно реагирует на резкие изменения динамического давления солнечного ветра

46

Все рассмотренные выше закономерности приводят к заключению что РС индекс следует рассматривать как адекватный и удобный показатель (laquoproxyraquo) энергии солнечного ветра поступившей в ионосферу

Если придерживаться этой точки зрения становится очевидным почему бури и суббури лучше коррелируют с РС индексом чем с laquocoupling functionraquo 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

bull PCN httpwwwdmidkdmibull PCS httpwwwgeophysaariru

18

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 ndash 30 минs

PC отвечает на изменения EKL одинаковым образом в обеих полярных шапках но летний РС почти в полтора раза больше чем зимний РС

19

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 laquoидеальногоraquo (статистического) соответствия между EKL и PC (мВм) можно вывести приблизительное соотношение ΔPsw=1 nPa asymp EKL=033 mVm

20

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)

bull Отрицательные импульсы давления Psw не сопровождается заметными изменениями в EKL но PC индекс начинает уменьшаться сразу же после ldquoнулевого моментаrdquo Оценка эффекта уменьшения давления даёт соотношение 1 nPa asymp 025 mVm

bull Положительный импульс давления Psw при северном ММП (при EKL ~ 0) сопровождается явным ростом РС индекса Оценка соответствующего эффекта даёт 1 nPa asymp 04 mVm

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 1-15 часа

21

Взаимосвязь между поведением РС индекса и магнитосферными суббурями

Рассматривались следующие категории магнитных возмущений

bull Магнитные бухты (AL ~ 150 nT) bull Короткие суббури (AE ~ 300 nT) с длительностью lt 3 часовbull Длинные суббури (AE ~ 400 nT) с длительностью gt 3 часовbull Замедленные суббури (AE ~ 200 nT) максимум которых наблюдался через несколько часов после внезапного начала bull Периодически повторяющиеся бухтообразные возмущения с AL gt 400 nT (saw-tooth substorms) в периоды высокой и устойчивой магнитной активности

22

Cоотношение между AE и РС индексами изолированные магнитные бухты и короткие суббури

Рост РСN и PCS индексов начинается примерно за час до внезапного начала суббури

23

Cоотношение между AE и РС индексами длинные и замедленные магнитные суббури

Рост РСN и PCS индексов начинается примерно за час до внезапного начала суббури

24

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 gt 3 мВм имеют место пилообразные магнитные возмущения с периодом ~ 2-3 часов

Внезапному началу каждой конкретной суббури предшествует с задержкой от 15 до 60 минут увеличение РС индекса При падении РС индекса ниже уровня ~ 2 мВм суббуря затухает

25

Cоотношения между полем EKL и РС и AL индексами в случае периодически повторяющиеся бухтообразных возмущений

Суперпозиция хода РС и AUAL индексов (тонкие линии) для 43 периодических магнитных возмущений и соответствующий ход усреднённых вариаций BZ и BY компонент ММП электрического поля EKL и индексов РС AUAL

Результатbull Быстрый и согласованный рост поля

Em и индекса PC начинается в среднем за ~ 25 минут до незапного начала возмущения

bull Величина РС в момент внезапного начала во всех 43 событиях была больше 2 мVм

bull Рост EKL и РС продолжается и после внезапного начала суббури (~15 минут) Причиной роста EKL и РС является увеличение южной компоненты ММП

bull Магнитная возмущенность в авроральной зоне (AL-индекс) начинает расти в среднем через 15 минут после начала роста РС индекса

bull Таким образом каждая суббуря демонстрирует чётко выраженную фазу роста в РС индексе

26

Relations between PC index and substorm (AL) and storm (ASYM) indices under conditions of the steadily high solar wind energy input into the magnetosphere

The most intense saw-tooth substorms are observed under conditions of the steady powerful interplanetary electric field which ensures energy for their developmentThe 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

bull the substorm sudden onsets are preceded by the PC growth

bull the substorm development do not affect the PC growth rate

bull achievement of the magnetic disturbance maximum is followed by synchronous drop in the PC and AL indices roughly down to level preceding the substorm

bull the higher was the substorm intensity the larger is the AL drop in the decline phase

27

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 (те 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

ВыводУстойчивое увеличение магнитной активности в полярной шапке является первым

признаком начинающегося магнитного возмущения в авроральной зоне Затем в связи с усилением высыпания авроральных частиц начинает расти возмущённость в авроральной зоне

28

Зависимость длительности фазы роста (Tgro) от величины РС (PCmean) и

скорости увеличения РС (РCGR) перед внезапным началом суббури

bull 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 ndash при наибольших значениях PCgro

bull Если рассматривать скорость роста РС индекса перед внезапным началом суббури то оказывается что длительность фазы роста Tgro уменьшается по экспоненциальному закону при увеличением скорости роста PCGR

29

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)

РезультатВсе параметры магнитной суббури

показывают явную связь со скоростью роста PC индекса (PCGR = dPCdT)) перед внезапным началом и после него

30

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 = - 05 + 55 PCgr с коэфф корреляции R = 0996 Средние величины PCgr и ALmax

связаны соотношением ALmax = 114 + 6570PCgr с коэфф корреляции R = 0997

ВыводСкорость 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)

31

Взаимосвязь между РС индексом и магнитными бурями

Basic criteria taken to choose the magnetic storms for the analysis bullduration of magnetic storm should be longer than 12 hours bullthe 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 PCgt2 mVm

32

Поведение функции EKL и РС индекса и развитие магнитной бури (Dst)

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24-1

0

1

2

3

4

5

6

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

December 10 1998 (2207 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36

-100

-80

-60

-40

-20

0

February 28 1999 (1748 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

0 4 8 12 16 20 24 28 32-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Time hours

November 07 1998 (1102 UT)

0 4 8 12 16 20 24 28

024

8

12

16

20

24

0 4 8 12 16 20 24 28-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

April 11 2001 (1300 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20

0

4

8

12

16

20

24

28

0 4 8 12 16 20-400

-300

-200

-100

0

Time hours

November 07 2004 (1830 UT)

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-2

0

2

4

6

8

10

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-180

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

Em

(P

C)

m

Vm

October 01 2002 (0534 UT)

Dst

n

T

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-4

0

4

8

12

16

20

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-300

-250

-200

-150

-100

-50

Time hours

November 09 2004 (1105 UT)

33

Соотношение между Em РС и Dst для бурь разной мощности

0 4 8 12 16 20 24 28

0

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

(b) Dst = - (50-80) nT N=13

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

(c) Dst = - (80-100) nT N=11

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(e) Dst = - (130-160) nT N=10

0 4 8 12 16 20 240

2

4

6

8

10

12

0 4 8 12 16 20 24

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(f) Dst = - (160-240) nT N = 6

34

Results of examination for individual storms and for summary plots

bull The magnetic depression starts to develop when field EKL and PC index firmly as soon as PC and EKL exceed the threshold ~2 mVm

bull As a whole rule PC and EKL cross the threshold simultaneously although sometimes EKL goes ahead PC sometimes PC goes ahead EKL

bull 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

bull When EKL (PC) slowly rises and reaches the maximum value only by the end of disturbed period the slow start storm pattern takes place

bull When EKL (PC) demonstrates repetitive strong enhancements and decreases the magnetic storm displays the appropriate multiple depressions with growth and damping phases

bull The persistent descend of PC (EKL) below the threshold level 2 mVm is indicative on the end of the storm main phase (damping phase) and transition to the storm recovery phase

bull The ldquoPC saturation effectrdquo is typical of events with the PC and EKL values gt 6 mVm

35

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 = -1732 - 1933EKL and Dst = 2313 - 3215PC It is particularly remarkable that correlation

between Dstmin and PC index turned out to be higher (R= - 079) than between Dst(min) and interplanetary electric field Em (R = - 074)

There is also the high correlation (R=095) between values Dst(decay) estimated for moments when EKL and PC firmly fall below the threshold level 2mVm

36

Зависимость интенсивности бури Dst от величин функции Еkl и РС индекса

bull 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)

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

Dst

(tra

ns)

n

T

EKL

(PC) damp mVm

EKL

PC

(a) Storm intensity Dst(peak) vs EKL

and PC values

(b) Storm parameter Dst_trans vs EKL and PC values

Dst

(pe

ak)

n

T

EKL

(PC) growth mVm

PC

EKL

37

Магнитные бури и магнитосферные суббуриразвивающиеся 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 ldquothere was a first energy storage in the magnetotail and then a delayed energy injection into the magnetosphererdquo

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

38

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 gt 800 kms

The Em drop below 2 mVm is noted only for short period from 2215 to 2330UT on January 21 but this drop is not confirmed by the PC index which was larger than 4 mVm at this time the EKL and PC values grew again above 4 mVm by 0200 UT as a result the geomagnetic storm was being continued

ConclusionThe storm of 21-22 January 2005

should be regarded as nothing out of the ordinary event if we examine behavior of PC index

39

Магнитосферные суббури при северном ММП (список Lee et al 2010) ndash cуббури с выраженным началом в АL индексе

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 mVm 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

Effect of ldquoPC index saturationrdquo typical of high values of coupling function is clearly revealed during substorm event of November 16 2000

40

Суббури при северном ММП без внезапного начала в АL индексе (список Lee et al 2010)

Behavior 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)

In events (a) and (b) the IMF BZN component was insignificant The respective EKL and PC quantities were higher than 6 mVm 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

In events (c) and (d) the value of the IMF BZN component was steadily high (gt10-20 nT) The coupling function EKL well responds to the IMF BY and BZN variations In average EKL and PC quantities were close to the threshold level 2 mVm the substorm intensity was correspondingly low (AEasymp100-250nT)

41

Развитие магнитосферных суббурь в условиях северного ММП (список Lee et al 2010)

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 ldquoPC saturation effectrdquo

Conclusion The high level of the EKL (and PC) values

under conditions of northward IMF is provided by the IMF BY component

42

Суббури триггируемые внезапным поворотом ММП в северу (или изменением полярности BY сомпоненты)

There are some features typical of ldquotriggeredrdquo 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 20ndash30 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

ConclusionldquoTriggeredrdquo substorms have no

relation to ldquonorthward IMF turningrdquo or BY reverse

43

Соотношение между laquocoupling functionraquo 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 increasing By in spite of northward IMF orientation the EKL value can be as large as 5-10 mVm

44

Выводы

bull 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 mVm even даже при северном ММП PC индекс растёт в соответствии с ростом величины EKL

bull 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 laquoэкстраординарные возмущенияraquo являются вдействительности обычными возмущениями Происходящими при необходимом и достаточном условии для развития суббурь (PC ge 15-17 mVm) или магнитных бурь (PC ge 2 mVm)

bull Та же ситуация верна и для суббурь триггируемых резких поворотом ММП к северу (laquonorthward turningraquo) 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

45

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

bull магнитные бури и магнитосферные суббури начинаются только в том случае если величина PC индекса превышает некий пороговый уровень (~ 2 mVm для бурь и gt15mVm для суббурь)

bull длительность фазы роста суббури и интенсивность суббури определяются скоростью нарастания РС индекса развитие суббури прекращается как только величина PC индекса падает ниже 1-15 mVm

bull продолжительность магнитной бури определяется длительностью периода когда PCgt2mVm и интенсивность бури (Dst_peak) линейно связана с величиной РС индекса усреднённой за длительность главной фазы

bull периодичность saw-tooth substorms происходящих в условиях устойчивого высокого уровня функции EKL определяется продолжительностью laquoфазы роста РС индексаraquo и laquoфазы спада РС индексаraquo сменяющих друг друга

bull Развитие бурь и суббурь лучше согласуется с ходом РС индекса чем с вариациями функции EKL

bull ldquoнеобычныеrdquo бури и суббури происходящие при воздействии северной компоненты ММП оказываются обычными возмущениями если рассматривать их в отношении к РС индексу и функции EKL

bull PC индекс адекватно реагирует на резкие изменения динамического давления солнечного ветра

46

Все рассмотренные выше закономерности приводят к заключению что РС индекс следует рассматривать как адекватный и удобный показатель (laquoproxyraquo) энергии солнечного ветра поступившей в ионосферу

Если придерживаться этой точки зрения становится очевидным почему бури и суббури лучше коррелируют с РС индексом чем с laquocoupling functionraquo 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

bull PCN httpwwwdmidkdmibull PCS httpwwwgeophysaariru

19

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 laquoидеальногоraquo (статистического) соответствия между EKL и PC (мВм) можно вывести приблизительное соотношение ΔPsw=1 nPa asymp EKL=033 mVm

20

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)

bull Отрицательные импульсы давления Psw не сопровождается заметными изменениями в EKL но PC индекс начинает уменьшаться сразу же после ldquoнулевого моментаrdquo Оценка эффекта уменьшения давления даёт соотношение 1 nPa asymp 025 mVm

bull Положительный импульс давления Psw при северном ММП (при EKL ~ 0) сопровождается явным ростом РС индекса Оценка соответствующего эффекта даёт 1 nPa asymp 04 mVm

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 1-15 часа

21

Взаимосвязь между поведением РС индекса и магнитосферными суббурями

Рассматривались следующие категории магнитных возмущений

bull Магнитные бухты (AL ~ 150 nT) bull Короткие суббури (AE ~ 300 nT) с длительностью lt 3 часовbull Длинные суббури (AE ~ 400 nT) с длительностью gt 3 часовbull Замедленные суббури (AE ~ 200 nT) максимум которых наблюдался через несколько часов после внезапного начала bull Периодически повторяющиеся бухтообразные возмущения с AL gt 400 nT (saw-tooth substorms) в периоды высокой и устойчивой магнитной активности

22

Cоотношение между AE и РС индексами изолированные магнитные бухты и короткие суббури

Рост РСN и PCS индексов начинается примерно за час до внезапного начала суббури

23

Cоотношение между AE и РС индексами длинные и замедленные магнитные суббури

Рост РСN и PCS индексов начинается примерно за час до внезапного начала суббури

24

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 gt 3 мВм имеют место пилообразные магнитные возмущения с периодом ~ 2-3 часов

Внезапному началу каждой конкретной суббури предшествует с задержкой от 15 до 60 минут увеличение РС индекса При падении РС индекса ниже уровня ~ 2 мВм суббуря затухает

25

Cоотношения между полем EKL и РС и AL индексами в случае периодически повторяющиеся бухтообразных возмущений

Суперпозиция хода РС и AUAL индексов (тонкие линии) для 43 периодических магнитных возмущений и соответствующий ход усреднённых вариаций BZ и BY компонент ММП электрического поля EKL и индексов РС AUAL

Результатbull Быстрый и согласованный рост поля

Em и индекса PC начинается в среднем за ~ 25 минут до незапного начала возмущения

bull Величина РС в момент внезапного начала во всех 43 событиях была больше 2 мVм

bull Рост EKL и РС продолжается и после внезапного начала суббури (~15 минут) Причиной роста EKL и РС является увеличение южной компоненты ММП

bull Магнитная возмущенность в авроральной зоне (AL-индекс) начинает расти в среднем через 15 минут после начала роста РС индекса

bull Таким образом каждая суббуря демонстрирует чётко выраженную фазу роста в РС индексе

26

Relations between PC index and substorm (AL) and storm (ASYM) indices under conditions of the steadily high solar wind energy input into the magnetosphere

The most intense saw-tooth substorms are observed under conditions of the steady powerful interplanetary electric field which ensures energy for their developmentThe 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

bull the substorm sudden onsets are preceded by the PC growth

bull the substorm development do not affect the PC growth rate

bull achievement of the magnetic disturbance maximum is followed by synchronous drop in the PC and AL indices roughly down to level preceding the substorm

bull the higher was the substorm intensity the larger is the AL drop in the decline phase

27

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 (те 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

ВыводУстойчивое увеличение магнитной активности в полярной шапке является первым

признаком начинающегося магнитного возмущения в авроральной зоне Затем в связи с усилением высыпания авроральных частиц начинает расти возмущённость в авроральной зоне

28

Зависимость длительности фазы роста (Tgro) от величины РС (PCmean) и

скорости увеличения РС (РCGR) перед внезапным началом суббури

bull 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 ndash при наибольших значениях PCgro

bull Если рассматривать скорость роста РС индекса перед внезапным началом суббури то оказывается что длительность фазы роста Tgro уменьшается по экспоненциальному закону при увеличением скорости роста PCGR

29

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)

РезультатВсе параметры магнитной суббури

показывают явную связь со скоростью роста PC индекса (PCGR = dPCdT)) перед внезапным началом и после него

30

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 = - 05 + 55 PCgr с коэфф корреляции R = 0996 Средние величины PCgr и ALmax

связаны соотношением ALmax = 114 + 6570PCgr с коэфф корреляции R = 0997

ВыводСкорость 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)

31

Взаимосвязь между РС индексом и магнитными бурями

Basic criteria taken to choose the magnetic storms for the analysis bullduration of magnetic storm should be longer than 12 hours bullthe 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 PCgt2 mVm

32

Поведение функции EKL и РС индекса и развитие магнитной бури (Dst)

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24-1

0

1

2

3

4

5

6

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

December 10 1998 (2207 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36

-100

-80

-60

-40

-20

0

February 28 1999 (1748 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

0 4 8 12 16 20 24 28 32-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Time hours

November 07 1998 (1102 UT)

0 4 8 12 16 20 24 28

024

8

12

16

20

24

0 4 8 12 16 20 24 28-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

April 11 2001 (1300 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20

0

4

8

12

16

20

24

28

0 4 8 12 16 20-400

-300

-200

-100

0

Time hours

November 07 2004 (1830 UT)

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-2

0

2

4

6

8

10

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-180

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

Em

(P

C)

m

Vm

October 01 2002 (0534 UT)

Dst

n

T

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-4

0

4

8

12

16

20

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-300

-250

-200

-150

-100

-50

Time hours

November 09 2004 (1105 UT)

33

Соотношение между Em РС и Dst для бурь разной мощности

0 4 8 12 16 20 24 28

0

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

(b) Dst = - (50-80) nT N=13

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

(c) Dst = - (80-100) nT N=11

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(e) Dst = - (130-160) nT N=10

0 4 8 12 16 20 240

2

4

6

8

10

12

0 4 8 12 16 20 24

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(f) Dst = - (160-240) nT N = 6

34

Results of examination for individual storms and for summary plots

bull The magnetic depression starts to develop when field EKL and PC index firmly as soon as PC and EKL exceed the threshold ~2 mVm

bull As a whole rule PC and EKL cross the threshold simultaneously although sometimes EKL goes ahead PC sometimes PC goes ahead EKL

bull 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

bull When EKL (PC) slowly rises and reaches the maximum value only by the end of disturbed period the slow start storm pattern takes place

bull When EKL (PC) demonstrates repetitive strong enhancements and decreases the magnetic storm displays the appropriate multiple depressions with growth and damping phases

bull The persistent descend of PC (EKL) below the threshold level 2 mVm is indicative on the end of the storm main phase (damping phase) and transition to the storm recovery phase

bull The ldquoPC saturation effectrdquo is typical of events with the PC and EKL values gt 6 mVm

35

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 = -1732 - 1933EKL and Dst = 2313 - 3215PC It is particularly remarkable that correlation

between Dstmin and PC index turned out to be higher (R= - 079) than between Dst(min) and interplanetary electric field Em (R = - 074)

There is also the high correlation (R=095) between values Dst(decay) estimated for moments when EKL and PC firmly fall below the threshold level 2mVm

36

Зависимость интенсивности бури Dst от величин функции Еkl и РС индекса

bull 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)

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

Dst

(tra

ns)

n

T

EKL

(PC) damp mVm

EKL

PC

(a) Storm intensity Dst(peak) vs EKL

and PC values

(b) Storm parameter Dst_trans vs EKL and PC values

Dst

(pe

ak)

n

T

EKL

(PC) growth mVm

PC

EKL

37

Магнитные бури и магнитосферные суббуриразвивающиеся 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 ldquothere was a first energy storage in the magnetotail and then a delayed energy injection into the magnetosphererdquo

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

38

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 gt 800 kms

The Em drop below 2 mVm is noted only for short period from 2215 to 2330UT on January 21 but this drop is not confirmed by the PC index which was larger than 4 mVm at this time the EKL and PC values grew again above 4 mVm by 0200 UT as a result the geomagnetic storm was being continued

ConclusionThe storm of 21-22 January 2005

should be regarded as nothing out of the ordinary event if we examine behavior of PC index

39

Магнитосферные суббури при северном ММП (список Lee et al 2010) ndash cуббури с выраженным началом в АL индексе

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 mVm 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

Effect of ldquoPC index saturationrdquo typical of high values of coupling function is clearly revealed during substorm event of November 16 2000

40

Суббури при северном ММП без внезапного начала в АL индексе (список Lee et al 2010)

Behavior 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)

In events (a) and (b) the IMF BZN component was insignificant The respective EKL and PC quantities were higher than 6 mVm 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

In events (c) and (d) the value of the IMF BZN component was steadily high (gt10-20 nT) The coupling function EKL well responds to the IMF BY and BZN variations In average EKL and PC quantities were close to the threshold level 2 mVm the substorm intensity was correspondingly low (AEasymp100-250nT)

41

Развитие магнитосферных суббурь в условиях северного ММП (список Lee et al 2010)

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 ldquoPC saturation effectrdquo

Conclusion The high level of the EKL (and PC) values

under conditions of northward IMF is provided by the IMF BY component

42

Суббури триггируемые внезапным поворотом ММП в северу (или изменением полярности BY сомпоненты)

There are some features typical of ldquotriggeredrdquo 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 20ndash30 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

ConclusionldquoTriggeredrdquo substorms have no

relation to ldquonorthward IMF turningrdquo or BY reverse

43

Соотношение между laquocoupling functionraquo 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 increasing By in spite of northward IMF orientation the EKL value can be as large as 5-10 mVm

44

Выводы

bull 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 mVm even даже при северном ММП PC индекс растёт в соответствии с ростом величины EKL

bull 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 laquoэкстраординарные возмущенияraquo являются вдействительности обычными возмущениями Происходящими при необходимом и достаточном условии для развития суббурь (PC ge 15-17 mVm) или магнитных бурь (PC ge 2 mVm)

bull Та же ситуация верна и для суббурь триггируемых резких поворотом ММП к северу (laquonorthward turningraquo) 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

45

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

bull магнитные бури и магнитосферные суббури начинаются только в том случае если величина PC индекса превышает некий пороговый уровень (~ 2 mVm для бурь и gt15mVm для суббурь)

bull длительность фазы роста суббури и интенсивность суббури определяются скоростью нарастания РС индекса развитие суббури прекращается как только величина PC индекса падает ниже 1-15 mVm

bull продолжительность магнитной бури определяется длительностью периода когда PCgt2mVm и интенсивность бури (Dst_peak) линейно связана с величиной РС индекса усреднённой за длительность главной фазы

bull периодичность saw-tooth substorms происходящих в условиях устойчивого высокого уровня функции EKL определяется продолжительностью laquoфазы роста РС индексаraquo и laquoфазы спада РС индексаraquo сменяющих друг друга

bull Развитие бурь и суббурь лучше согласуется с ходом РС индекса чем с вариациями функции EKL

bull ldquoнеобычныеrdquo бури и суббури происходящие при воздействии северной компоненты ММП оказываются обычными возмущениями если рассматривать их в отношении к РС индексу и функции EKL

bull PC индекс адекватно реагирует на резкие изменения динамического давления солнечного ветра

46

Все рассмотренные выше закономерности приводят к заключению что РС индекс следует рассматривать как адекватный и удобный показатель (laquoproxyraquo) энергии солнечного ветра поступившей в ионосферу

Если придерживаться этой точки зрения становится очевидным почему бури и суббури лучше коррелируют с РС индексом чем с laquocoupling functionraquo 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

bull PCN httpwwwdmidkdmibull PCS httpwwwgeophysaariru

20

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)

bull Отрицательные импульсы давления Psw не сопровождается заметными изменениями в EKL но PC индекс начинает уменьшаться сразу же после ldquoнулевого моментаrdquo Оценка эффекта уменьшения давления даёт соотношение 1 nPa asymp 025 mVm

bull Положительный импульс давления Psw при северном ММП (при EKL ~ 0) сопровождается явным ростом РС индекса Оценка соответствующего эффекта даёт 1 nPa asymp 04 mVm

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 1-15 часа

21

Взаимосвязь между поведением РС индекса и магнитосферными суббурями

Рассматривались следующие категории магнитных возмущений

bull Магнитные бухты (AL ~ 150 nT) bull Короткие суббури (AE ~ 300 nT) с длительностью lt 3 часовbull Длинные суббури (AE ~ 400 nT) с длительностью gt 3 часовbull Замедленные суббури (AE ~ 200 nT) максимум которых наблюдался через несколько часов после внезапного начала bull Периодически повторяющиеся бухтообразные возмущения с AL gt 400 nT (saw-tooth substorms) в периоды высокой и устойчивой магнитной активности

22

Cоотношение между AE и РС индексами изолированные магнитные бухты и короткие суббури

Рост РСN и PCS индексов начинается примерно за час до внезапного начала суббури

23

Cоотношение между AE и РС индексами длинные и замедленные магнитные суббури

Рост РСN и PCS индексов начинается примерно за час до внезапного начала суббури

24

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 gt 3 мВм имеют место пилообразные магнитные возмущения с периодом ~ 2-3 часов

Внезапному началу каждой конкретной суббури предшествует с задержкой от 15 до 60 минут увеличение РС индекса При падении РС индекса ниже уровня ~ 2 мВм суббуря затухает

25

Cоотношения между полем EKL и РС и AL индексами в случае периодически повторяющиеся бухтообразных возмущений

Суперпозиция хода РС и AUAL индексов (тонкие линии) для 43 периодических магнитных возмущений и соответствующий ход усреднённых вариаций BZ и BY компонент ММП электрического поля EKL и индексов РС AUAL

Результатbull Быстрый и согласованный рост поля

Em и индекса PC начинается в среднем за ~ 25 минут до незапного начала возмущения

bull Величина РС в момент внезапного начала во всех 43 событиях была больше 2 мVм

bull Рост EKL и РС продолжается и после внезапного начала суббури (~15 минут) Причиной роста EKL и РС является увеличение южной компоненты ММП

bull Магнитная возмущенность в авроральной зоне (AL-индекс) начинает расти в среднем через 15 минут после начала роста РС индекса

bull Таким образом каждая суббуря демонстрирует чётко выраженную фазу роста в РС индексе

26

Relations between PC index and substorm (AL) and storm (ASYM) indices under conditions of the steadily high solar wind energy input into the magnetosphere

The most intense saw-tooth substorms are observed under conditions of the steady powerful interplanetary electric field which ensures energy for their developmentThe 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

bull the substorm sudden onsets are preceded by the PC growth

bull the substorm development do not affect the PC growth rate

bull achievement of the magnetic disturbance maximum is followed by synchronous drop in the PC and AL indices roughly down to level preceding the substorm

bull the higher was the substorm intensity the larger is the AL drop in the decline phase

27

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 (те 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

ВыводУстойчивое увеличение магнитной активности в полярной шапке является первым

признаком начинающегося магнитного возмущения в авроральной зоне Затем в связи с усилением высыпания авроральных частиц начинает расти возмущённость в авроральной зоне

28

Зависимость длительности фазы роста (Tgro) от величины РС (PCmean) и

скорости увеличения РС (РCGR) перед внезапным началом суббури

bull 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 ndash при наибольших значениях PCgro

bull Если рассматривать скорость роста РС индекса перед внезапным началом суббури то оказывается что длительность фазы роста Tgro уменьшается по экспоненциальному закону при увеличением скорости роста PCGR

29

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)

РезультатВсе параметры магнитной суббури

показывают явную связь со скоростью роста PC индекса (PCGR = dPCdT)) перед внезапным началом и после него

30

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 = - 05 + 55 PCgr с коэфф корреляции R = 0996 Средние величины PCgr и ALmax

связаны соотношением ALmax = 114 + 6570PCgr с коэфф корреляции R = 0997

ВыводСкорость 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)

31

Взаимосвязь между РС индексом и магнитными бурями

Basic criteria taken to choose the magnetic storms for the analysis bullduration of magnetic storm should be longer than 12 hours bullthe 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 PCgt2 mVm

32

Поведение функции EKL и РС индекса и развитие магнитной бури (Dst)

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24-1

0

1

2

3

4

5

6

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

December 10 1998 (2207 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36

-100

-80

-60

-40

-20

0

February 28 1999 (1748 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

0 4 8 12 16 20 24 28 32-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Time hours

November 07 1998 (1102 UT)

0 4 8 12 16 20 24 28

024

8

12

16

20

24

0 4 8 12 16 20 24 28-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

April 11 2001 (1300 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20

0

4

8

12

16

20

24

28

0 4 8 12 16 20-400

-300

-200

-100

0

Time hours

November 07 2004 (1830 UT)

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-2

0

2

4

6

8

10

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-180

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

Em

(P

C)

m

Vm

October 01 2002 (0534 UT)

Dst

n

T

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-4

0

4

8

12

16

20

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-300

-250

-200

-150

-100

-50

Time hours

November 09 2004 (1105 UT)

33

Соотношение между Em РС и Dst для бурь разной мощности

0 4 8 12 16 20 24 28

0

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

(b) Dst = - (50-80) nT N=13

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

(c) Dst = - (80-100) nT N=11

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(e) Dst = - (130-160) nT N=10

0 4 8 12 16 20 240

2

4

6

8

10

12

0 4 8 12 16 20 24

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(f) Dst = - (160-240) nT N = 6

34

Results of examination for individual storms and for summary plots

bull The magnetic depression starts to develop when field EKL and PC index firmly as soon as PC and EKL exceed the threshold ~2 mVm

bull As a whole rule PC and EKL cross the threshold simultaneously although sometimes EKL goes ahead PC sometimes PC goes ahead EKL

bull 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

bull When EKL (PC) slowly rises and reaches the maximum value only by the end of disturbed period the slow start storm pattern takes place

bull When EKL (PC) demonstrates repetitive strong enhancements and decreases the magnetic storm displays the appropriate multiple depressions with growth and damping phases

bull The persistent descend of PC (EKL) below the threshold level 2 mVm is indicative on the end of the storm main phase (damping phase) and transition to the storm recovery phase

bull The ldquoPC saturation effectrdquo is typical of events with the PC and EKL values gt 6 mVm

35

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 = -1732 - 1933EKL and Dst = 2313 - 3215PC It is particularly remarkable that correlation

between Dstmin and PC index turned out to be higher (R= - 079) than between Dst(min) and interplanetary electric field Em (R = - 074)

There is also the high correlation (R=095) between values Dst(decay) estimated for moments when EKL and PC firmly fall below the threshold level 2mVm

36

Зависимость интенсивности бури Dst от величин функции Еkl и РС индекса

bull 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)

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

Dst

(tra

ns)

n

T

EKL

(PC) damp mVm

EKL

PC

(a) Storm intensity Dst(peak) vs EKL

and PC values

(b) Storm parameter Dst_trans vs EKL and PC values

Dst

(pe

ak)

n

T

EKL

(PC) growth mVm

PC

EKL

37

Магнитные бури и магнитосферные суббуриразвивающиеся 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 ldquothere was a first energy storage in the magnetotail and then a delayed energy injection into the magnetosphererdquo

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

38

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 gt 800 kms

The Em drop below 2 mVm is noted only for short period from 2215 to 2330UT on January 21 but this drop is not confirmed by the PC index which was larger than 4 mVm at this time the EKL and PC values grew again above 4 mVm by 0200 UT as a result the geomagnetic storm was being continued

ConclusionThe storm of 21-22 January 2005

should be regarded as nothing out of the ordinary event if we examine behavior of PC index

39

Магнитосферные суббури при северном ММП (список Lee et al 2010) ndash cуббури с выраженным началом в АL индексе

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 mVm 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

Effect of ldquoPC index saturationrdquo typical of high values of coupling function is clearly revealed during substorm event of November 16 2000

40

Суббури при северном ММП без внезапного начала в АL индексе (список Lee et al 2010)

Behavior 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)

In events (a) and (b) the IMF BZN component was insignificant The respective EKL and PC quantities were higher than 6 mVm 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

In events (c) and (d) the value of the IMF BZN component was steadily high (gt10-20 nT) The coupling function EKL well responds to the IMF BY and BZN variations In average EKL and PC quantities were close to the threshold level 2 mVm the substorm intensity was correspondingly low (AEasymp100-250nT)

41

Развитие магнитосферных суббурь в условиях северного ММП (список Lee et al 2010)

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 ldquoPC saturation effectrdquo

Conclusion The high level of the EKL (and PC) values

under conditions of northward IMF is provided by the IMF BY component

42

Суббури триггируемые внезапным поворотом ММП в северу (или изменением полярности BY сомпоненты)

There are some features typical of ldquotriggeredrdquo 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 20ndash30 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

ConclusionldquoTriggeredrdquo substorms have no

relation to ldquonorthward IMF turningrdquo or BY reverse

43

Соотношение между laquocoupling functionraquo 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 increasing By in spite of northward IMF orientation the EKL value can be as large as 5-10 mVm

44

Выводы

bull 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 mVm even даже при северном ММП PC индекс растёт в соответствии с ростом величины EKL

bull 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 laquoэкстраординарные возмущенияraquo являются вдействительности обычными возмущениями Происходящими при необходимом и достаточном условии для развития суббурь (PC ge 15-17 mVm) или магнитных бурь (PC ge 2 mVm)

bull Та же ситуация верна и для суббурь триггируемых резких поворотом ММП к северу (laquonorthward turningraquo) 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

45

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

bull магнитные бури и магнитосферные суббури начинаются только в том случае если величина PC индекса превышает некий пороговый уровень (~ 2 mVm для бурь и gt15mVm для суббурь)

bull длительность фазы роста суббури и интенсивность суббури определяются скоростью нарастания РС индекса развитие суббури прекращается как только величина PC индекса падает ниже 1-15 mVm

bull продолжительность магнитной бури определяется длительностью периода когда PCgt2mVm и интенсивность бури (Dst_peak) линейно связана с величиной РС индекса усреднённой за длительность главной фазы

bull периодичность saw-tooth substorms происходящих в условиях устойчивого высокого уровня функции EKL определяется продолжительностью laquoфазы роста РС индексаraquo и laquoфазы спада РС индексаraquo сменяющих друг друга

bull Развитие бурь и суббурь лучше согласуется с ходом РС индекса чем с вариациями функции EKL

bull ldquoнеобычныеrdquo бури и суббури происходящие при воздействии северной компоненты ММП оказываются обычными возмущениями если рассматривать их в отношении к РС индексу и функции EKL

bull PC индекс адекватно реагирует на резкие изменения динамического давления солнечного ветра

46

Все рассмотренные выше закономерности приводят к заключению что РС индекс следует рассматривать как адекватный и удобный показатель (laquoproxyraquo) энергии солнечного ветра поступившей в ионосферу

Если придерживаться этой точки зрения становится очевидным почему бури и суббури лучше коррелируют с РС индексом чем с laquocoupling functionraquo 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

bull PCN httpwwwdmidkdmibull PCS httpwwwgeophysaariru

21

Взаимосвязь между поведением РС индекса и магнитосферными суббурями

Рассматривались следующие категории магнитных возмущений

bull Магнитные бухты (AL ~ 150 nT) bull Короткие суббури (AE ~ 300 nT) с длительностью lt 3 часовbull Длинные суббури (AE ~ 400 nT) с длительностью gt 3 часовbull Замедленные суббури (AE ~ 200 nT) максимум которых наблюдался через несколько часов после внезапного начала bull Периодически повторяющиеся бухтообразные возмущения с AL gt 400 nT (saw-tooth substorms) в периоды высокой и устойчивой магнитной активности

22

Cоотношение между AE и РС индексами изолированные магнитные бухты и короткие суббури

Рост РСN и PCS индексов начинается примерно за час до внезапного начала суббури

23

Cоотношение между AE и РС индексами длинные и замедленные магнитные суббури

Рост РСN и PCS индексов начинается примерно за час до внезапного начала суббури

24

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 gt 3 мВм имеют место пилообразные магнитные возмущения с периодом ~ 2-3 часов

Внезапному началу каждой конкретной суббури предшествует с задержкой от 15 до 60 минут увеличение РС индекса При падении РС индекса ниже уровня ~ 2 мВм суббуря затухает

25

Cоотношения между полем EKL и РС и AL индексами в случае периодически повторяющиеся бухтообразных возмущений

Суперпозиция хода РС и AUAL индексов (тонкие линии) для 43 периодических магнитных возмущений и соответствующий ход усреднённых вариаций BZ и BY компонент ММП электрического поля EKL и индексов РС AUAL

Результатbull Быстрый и согласованный рост поля

Em и индекса PC начинается в среднем за ~ 25 минут до незапного начала возмущения

bull Величина РС в момент внезапного начала во всех 43 событиях была больше 2 мVм

bull Рост EKL и РС продолжается и после внезапного начала суббури (~15 минут) Причиной роста EKL и РС является увеличение южной компоненты ММП

bull Магнитная возмущенность в авроральной зоне (AL-индекс) начинает расти в среднем через 15 минут после начала роста РС индекса

bull Таким образом каждая суббуря демонстрирует чётко выраженную фазу роста в РС индексе

26

Relations between PC index and substorm (AL) and storm (ASYM) indices under conditions of the steadily high solar wind energy input into the magnetosphere

The most intense saw-tooth substorms are observed under conditions of the steady powerful interplanetary electric field which ensures energy for their developmentThe 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

bull the substorm sudden onsets are preceded by the PC growth

bull the substorm development do not affect the PC growth rate

bull achievement of the magnetic disturbance maximum is followed by synchronous drop in the PC and AL indices roughly down to level preceding the substorm

bull the higher was the substorm intensity the larger is the AL drop in the decline phase

27

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 (те 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

ВыводУстойчивое увеличение магнитной активности в полярной шапке является первым

признаком начинающегося магнитного возмущения в авроральной зоне Затем в связи с усилением высыпания авроральных частиц начинает расти возмущённость в авроральной зоне

28

Зависимость длительности фазы роста (Tgro) от величины РС (PCmean) и

скорости увеличения РС (РCGR) перед внезапным началом суббури

bull 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 ndash при наибольших значениях PCgro

bull Если рассматривать скорость роста РС индекса перед внезапным началом суббури то оказывается что длительность фазы роста Tgro уменьшается по экспоненциальному закону при увеличением скорости роста PCGR

29

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)

РезультатВсе параметры магнитной суббури

показывают явную связь со скоростью роста PC индекса (PCGR = dPCdT)) перед внезапным началом и после него

30

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 = - 05 + 55 PCgr с коэфф корреляции R = 0996 Средние величины PCgr и ALmax

связаны соотношением ALmax = 114 + 6570PCgr с коэфф корреляции R = 0997

ВыводСкорость 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)

31

Взаимосвязь между РС индексом и магнитными бурями

Basic criteria taken to choose the magnetic storms for the analysis bullduration of magnetic storm should be longer than 12 hours bullthe 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 PCgt2 mVm

32

Поведение функции EKL и РС индекса и развитие магнитной бури (Dst)

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24-1

0

1

2

3

4

5

6

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

December 10 1998 (2207 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36

-100

-80

-60

-40

-20

0

February 28 1999 (1748 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

0 4 8 12 16 20 24 28 32-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Time hours

November 07 1998 (1102 UT)

0 4 8 12 16 20 24 28

024

8

12

16

20

24

0 4 8 12 16 20 24 28-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

April 11 2001 (1300 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20

0

4

8

12

16

20

24

28

0 4 8 12 16 20-400

-300

-200

-100

0

Time hours

November 07 2004 (1830 UT)

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-2

0

2

4

6

8

10

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-180

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

Em

(P

C)

m

Vm

October 01 2002 (0534 UT)

Dst

n

T

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-4

0

4

8

12

16

20

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-300

-250

-200

-150

-100

-50

Time hours

November 09 2004 (1105 UT)

33

Соотношение между Em РС и Dst для бурь разной мощности

0 4 8 12 16 20 24 28

0

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

(b) Dst = - (50-80) nT N=13

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

(c) Dst = - (80-100) nT N=11

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(e) Dst = - (130-160) nT N=10

0 4 8 12 16 20 240

2

4

6

8

10

12

0 4 8 12 16 20 24

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(f) Dst = - (160-240) nT N = 6

34

Results of examination for individual storms and for summary plots

bull The magnetic depression starts to develop when field EKL and PC index firmly as soon as PC and EKL exceed the threshold ~2 mVm

bull As a whole rule PC and EKL cross the threshold simultaneously although sometimes EKL goes ahead PC sometimes PC goes ahead EKL

bull 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

bull When EKL (PC) slowly rises and reaches the maximum value only by the end of disturbed period the slow start storm pattern takes place

bull When EKL (PC) demonstrates repetitive strong enhancements and decreases the magnetic storm displays the appropriate multiple depressions with growth and damping phases

bull The persistent descend of PC (EKL) below the threshold level 2 mVm is indicative on the end of the storm main phase (damping phase) and transition to the storm recovery phase

bull The ldquoPC saturation effectrdquo is typical of events with the PC and EKL values gt 6 mVm

35

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 = -1732 - 1933EKL and Dst = 2313 - 3215PC It is particularly remarkable that correlation

between Dstmin and PC index turned out to be higher (R= - 079) than between Dst(min) and interplanetary electric field Em (R = - 074)

There is also the high correlation (R=095) between values Dst(decay) estimated for moments when EKL and PC firmly fall below the threshold level 2mVm

36

Зависимость интенсивности бури Dst от величин функции Еkl и РС индекса

bull 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)

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

Dst

(tra

ns)

n

T

EKL

(PC) damp mVm

EKL

PC

(a) Storm intensity Dst(peak) vs EKL

and PC values

(b) Storm parameter Dst_trans vs EKL and PC values

Dst

(pe

ak)

n

T

EKL

(PC) growth mVm

PC

EKL

37

Магнитные бури и магнитосферные суббуриразвивающиеся 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 ldquothere was a first energy storage in the magnetotail and then a delayed energy injection into the magnetosphererdquo

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

38

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 gt 800 kms

The Em drop below 2 mVm is noted only for short period from 2215 to 2330UT on January 21 but this drop is not confirmed by the PC index which was larger than 4 mVm at this time the EKL and PC values grew again above 4 mVm by 0200 UT as a result the geomagnetic storm was being continued

ConclusionThe storm of 21-22 January 2005

should be regarded as nothing out of the ordinary event if we examine behavior of PC index

39

Магнитосферные суббури при северном ММП (список Lee et al 2010) ndash cуббури с выраженным началом в АL индексе

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 mVm 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

Effect of ldquoPC index saturationrdquo typical of high values of coupling function is clearly revealed during substorm event of November 16 2000

40

Суббури при северном ММП без внезапного начала в АL индексе (список Lee et al 2010)

Behavior 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)

In events (a) and (b) the IMF BZN component was insignificant The respective EKL and PC quantities were higher than 6 mVm 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

In events (c) and (d) the value of the IMF BZN component was steadily high (gt10-20 nT) The coupling function EKL well responds to the IMF BY and BZN variations In average EKL and PC quantities were close to the threshold level 2 mVm the substorm intensity was correspondingly low (AEasymp100-250nT)

41

Развитие магнитосферных суббурь в условиях северного ММП (список Lee et al 2010)

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 ldquoPC saturation effectrdquo

Conclusion The high level of the EKL (and PC) values

under conditions of northward IMF is provided by the IMF BY component

42

Суббури триггируемые внезапным поворотом ММП в северу (или изменением полярности BY сомпоненты)

There are some features typical of ldquotriggeredrdquo 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 20ndash30 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

ConclusionldquoTriggeredrdquo substorms have no

relation to ldquonorthward IMF turningrdquo or BY reverse

43

Соотношение между laquocoupling functionraquo 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 increasing By in spite of northward IMF orientation the EKL value can be as large as 5-10 mVm

44

Выводы

bull 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 mVm even даже при северном ММП PC индекс растёт в соответствии с ростом величины EKL

bull 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 laquoэкстраординарные возмущенияraquo являются вдействительности обычными возмущениями Происходящими при необходимом и достаточном условии для развития суббурь (PC ge 15-17 mVm) или магнитных бурь (PC ge 2 mVm)

bull Та же ситуация верна и для суббурь триггируемых резких поворотом ММП к северу (laquonorthward turningraquo) 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

45

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

bull магнитные бури и магнитосферные суббури начинаются только в том случае если величина PC индекса превышает некий пороговый уровень (~ 2 mVm для бурь и gt15mVm для суббурь)

bull длительность фазы роста суббури и интенсивность суббури определяются скоростью нарастания РС индекса развитие суббури прекращается как только величина PC индекса падает ниже 1-15 mVm

bull продолжительность магнитной бури определяется длительностью периода когда PCgt2mVm и интенсивность бури (Dst_peak) линейно связана с величиной РС индекса усреднённой за длительность главной фазы

bull периодичность saw-tooth substorms происходящих в условиях устойчивого высокого уровня функции EKL определяется продолжительностью laquoфазы роста РС индексаraquo и laquoфазы спада РС индексаraquo сменяющих друг друга

bull Развитие бурь и суббурь лучше согласуется с ходом РС индекса чем с вариациями функции EKL

bull ldquoнеобычныеrdquo бури и суббури происходящие при воздействии северной компоненты ММП оказываются обычными возмущениями если рассматривать их в отношении к РС индексу и функции EKL

bull PC индекс адекватно реагирует на резкие изменения динамического давления солнечного ветра

46

Все рассмотренные выше закономерности приводят к заключению что РС индекс следует рассматривать как адекватный и удобный показатель (laquoproxyraquo) энергии солнечного ветра поступившей в ионосферу

Если придерживаться этой точки зрения становится очевидным почему бури и суббури лучше коррелируют с РС индексом чем с laquocoupling functionraquo 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

bull PCN httpwwwdmidkdmibull PCS httpwwwgeophysaariru

22

Cоотношение между AE и РС индексами изолированные магнитные бухты и короткие суббури

Рост РСN и PCS индексов начинается примерно за час до внезапного начала суббури

23

Cоотношение между AE и РС индексами длинные и замедленные магнитные суббури

Рост РСN и PCS индексов начинается примерно за час до внезапного начала суббури

24

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 gt 3 мВм имеют место пилообразные магнитные возмущения с периодом ~ 2-3 часов

Внезапному началу каждой конкретной суббури предшествует с задержкой от 15 до 60 минут увеличение РС индекса При падении РС индекса ниже уровня ~ 2 мВм суббуря затухает

25

Cоотношения между полем EKL и РС и AL индексами в случае периодически повторяющиеся бухтообразных возмущений

Суперпозиция хода РС и AUAL индексов (тонкие линии) для 43 периодических магнитных возмущений и соответствующий ход усреднённых вариаций BZ и BY компонент ММП электрического поля EKL и индексов РС AUAL

Результатbull Быстрый и согласованный рост поля

Em и индекса PC начинается в среднем за ~ 25 минут до незапного начала возмущения

bull Величина РС в момент внезапного начала во всех 43 событиях была больше 2 мVм

bull Рост EKL и РС продолжается и после внезапного начала суббури (~15 минут) Причиной роста EKL и РС является увеличение южной компоненты ММП

bull Магнитная возмущенность в авроральной зоне (AL-индекс) начинает расти в среднем через 15 минут после начала роста РС индекса

bull Таким образом каждая суббуря демонстрирует чётко выраженную фазу роста в РС индексе

26

Relations between PC index and substorm (AL) and storm (ASYM) indices under conditions of the steadily high solar wind energy input into the magnetosphere

The most intense saw-tooth substorms are observed under conditions of the steady powerful interplanetary electric field which ensures energy for their developmentThe 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

bull the substorm sudden onsets are preceded by the PC growth

bull the substorm development do not affect the PC growth rate

bull achievement of the magnetic disturbance maximum is followed by synchronous drop in the PC and AL indices roughly down to level preceding the substorm

bull the higher was the substorm intensity the larger is the AL drop in the decline phase

27

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 (те 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

ВыводУстойчивое увеличение магнитной активности в полярной шапке является первым

признаком начинающегося магнитного возмущения в авроральной зоне Затем в связи с усилением высыпания авроральных частиц начинает расти возмущённость в авроральной зоне

28

Зависимость длительности фазы роста (Tgro) от величины РС (PCmean) и

скорости увеличения РС (РCGR) перед внезапным началом суббури

bull 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 ndash при наибольших значениях PCgro

bull Если рассматривать скорость роста РС индекса перед внезапным началом суббури то оказывается что длительность фазы роста Tgro уменьшается по экспоненциальному закону при увеличением скорости роста PCGR

29

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)

РезультатВсе параметры магнитной суббури

показывают явную связь со скоростью роста PC индекса (PCGR = dPCdT)) перед внезапным началом и после него

30

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 = - 05 + 55 PCgr с коэфф корреляции R = 0996 Средние величины PCgr и ALmax

связаны соотношением ALmax = 114 + 6570PCgr с коэфф корреляции R = 0997

ВыводСкорость 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)

31

Взаимосвязь между РС индексом и магнитными бурями

Basic criteria taken to choose the magnetic storms for the analysis bullduration of magnetic storm should be longer than 12 hours bullthe 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 PCgt2 mVm

32

Поведение функции EKL и РС индекса и развитие магнитной бури (Dst)

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24-1

0

1

2

3

4

5

6

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

December 10 1998 (2207 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36

-100

-80

-60

-40

-20

0

February 28 1999 (1748 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

0 4 8 12 16 20 24 28 32-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Time hours

November 07 1998 (1102 UT)

0 4 8 12 16 20 24 28

024

8

12

16

20

24

0 4 8 12 16 20 24 28-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

April 11 2001 (1300 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20

0

4

8

12

16

20

24

28

0 4 8 12 16 20-400

-300

-200

-100

0

Time hours

November 07 2004 (1830 UT)

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-2

0

2

4

6

8

10

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-180

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

Em

(P

C)

m

Vm

October 01 2002 (0534 UT)

Dst

n

T

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-4

0

4

8

12

16

20

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-300

-250

-200

-150

-100

-50

Time hours

November 09 2004 (1105 UT)

33

Соотношение между Em РС и Dst для бурь разной мощности

0 4 8 12 16 20 24 28

0

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

(b) Dst = - (50-80) nT N=13

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

(c) Dst = - (80-100) nT N=11

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(e) Dst = - (130-160) nT N=10

0 4 8 12 16 20 240

2

4

6

8

10

12

0 4 8 12 16 20 24

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(f) Dst = - (160-240) nT N = 6

34

Results of examination for individual storms and for summary plots

bull The magnetic depression starts to develop when field EKL and PC index firmly as soon as PC and EKL exceed the threshold ~2 mVm

bull As a whole rule PC and EKL cross the threshold simultaneously although sometimes EKL goes ahead PC sometimes PC goes ahead EKL

bull 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

bull When EKL (PC) slowly rises and reaches the maximum value only by the end of disturbed period the slow start storm pattern takes place

bull When EKL (PC) demonstrates repetitive strong enhancements and decreases the magnetic storm displays the appropriate multiple depressions with growth and damping phases

bull The persistent descend of PC (EKL) below the threshold level 2 mVm is indicative on the end of the storm main phase (damping phase) and transition to the storm recovery phase

bull The ldquoPC saturation effectrdquo is typical of events with the PC and EKL values gt 6 mVm

35

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 = -1732 - 1933EKL and Dst = 2313 - 3215PC It is particularly remarkable that correlation

between Dstmin and PC index turned out to be higher (R= - 079) than between Dst(min) and interplanetary electric field Em (R = - 074)

There is also the high correlation (R=095) between values Dst(decay) estimated for moments when EKL and PC firmly fall below the threshold level 2mVm

36

Зависимость интенсивности бури Dst от величин функции Еkl и РС индекса

bull 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)

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

Dst

(tra

ns)

n

T

EKL

(PC) damp mVm

EKL

PC

(a) Storm intensity Dst(peak) vs EKL

and PC values

(b) Storm parameter Dst_trans vs EKL and PC values

Dst

(pe

ak)

n

T

EKL

(PC) growth mVm

PC

EKL

37

Магнитные бури и магнитосферные суббуриразвивающиеся 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 ldquothere was a first energy storage in the magnetotail and then a delayed energy injection into the magnetosphererdquo

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

38

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 gt 800 kms

The Em drop below 2 mVm is noted only for short period from 2215 to 2330UT on January 21 but this drop is not confirmed by the PC index which was larger than 4 mVm at this time the EKL and PC values grew again above 4 mVm by 0200 UT as a result the geomagnetic storm was being continued

ConclusionThe storm of 21-22 January 2005

should be regarded as nothing out of the ordinary event if we examine behavior of PC index

39

Магнитосферные суббури при северном ММП (список Lee et al 2010) ndash cуббури с выраженным началом в АL индексе

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 mVm 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

Effect of ldquoPC index saturationrdquo typical of high values of coupling function is clearly revealed during substorm event of November 16 2000

40

Суббури при северном ММП без внезапного начала в АL индексе (список Lee et al 2010)

Behavior 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)

In events (a) and (b) the IMF BZN component was insignificant The respective EKL and PC quantities were higher than 6 mVm 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

In events (c) and (d) the value of the IMF BZN component was steadily high (gt10-20 nT) The coupling function EKL well responds to the IMF BY and BZN variations In average EKL and PC quantities were close to the threshold level 2 mVm the substorm intensity was correspondingly low (AEasymp100-250nT)

41

Развитие магнитосферных суббурь в условиях северного ММП (список Lee et al 2010)

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 ldquoPC saturation effectrdquo

Conclusion The high level of the EKL (and PC) values

under conditions of northward IMF is provided by the IMF BY component

42

Суббури триггируемые внезапным поворотом ММП в северу (или изменением полярности BY сомпоненты)

There are some features typical of ldquotriggeredrdquo 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 20ndash30 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

ConclusionldquoTriggeredrdquo substorms have no

relation to ldquonorthward IMF turningrdquo or BY reverse

43

Соотношение между laquocoupling functionraquo 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 increasing By in spite of northward IMF orientation the EKL value can be as large as 5-10 mVm

44

Выводы

bull 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 mVm even даже при северном ММП PC индекс растёт в соответствии с ростом величины EKL

bull 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 laquoэкстраординарные возмущенияraquo являются вдействительности обычными возмущениями Происходящими при необходимом и достаточном условии для развития суббурь (PC ge 15-17 mVm) или магнитных бурь (PC ge 2 mVm)

bull Та же ситуация верна и для суббурь триггируемых резких поворотом ММП к северу (laquonorthward turningraquo) 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

45

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

bull магнитные бури и магнитосферные суббури начинаются только в том случае если величина PC индекса превышает некий пороговый уровень (~ 2 mVm для бурь и gt15mVm для суббурь)

bull длительность фазы роста суббури и интенсивность суббури определяются скоростью нарастания РС индекса развитие суббури прекращается как только величина PC индекса падает ниже 1-15 mVm

bull продолжительность магнитной бури определяется длительностью периода когда PCgt2mVm и интенсивность бури (Dst_peak) линейно связана с величиной РС индекса усреднённой за длительность главной фазы

bull периодичность saw-tooth substorms происходящих в условиях устойчивого высокого уровня функции EKL определяется продолжительностью laquoфазы роста РС индексаraquo и laquoфазы спада РС индексаraquo сменяющих друг друга

bull Развитие бурь и суббурь лучше согласуется с ходом РС индекса чем с вариациями функции EKL

bull ldquoнеобычныеrdquo бури и суббури происходящие при воздействии северной компоненты ММП оказываются обычными возмущениями если рассматривать их в отношении к РС индексу и функции EKL

bull PC индекс адекватно реагирует на резкие изменения динамического давления солнечного ветра

46

Все рассмотренные выше закономерности приводят к заключению что РС индекс следует рассматривать как адекватный и удобный показатель (laquoproxyraquo) энергии солнечного ветра поступившей в ионосферу

Если придерживаться этой точки зрения становится очевидным почему бури и суббури лучше коррелируют с РС индексом чем с laquocoupling functionraquo 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

bull PCN httpwwwdmidkdmibull PCS httpwwwgeophysaariru

23

Cоотношение между AE и РС индексами длинные и замедленные магнитные суббури

Рост РСN и PCS индексов начинается примерно за час до внезапного начала суббури

24

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 gt 3 мВм имеют место пилообразные магнитные возмущения с периодом ~ 2-3 часов

Внезапному началу каждой конкретной суббури предшествует с задержкой от 15 до 60 минут увеличение РС индекса При падении РС индекса ниже уровня ~ 2 мВм суббуря затухает

25

Cоотношения между полем EKL и РС и AL индексами в случае периодически повторяющиеся бухтообразных возмущений

Суперпозиция хода РС и AUAL индексов (тонкие линии) для 43 периодических магнитных возмущений и соответствующий ход усреднённых вариаций BZ и BY компонент ММП электрического поля EKL и индексов РС AUAL

Результатbull Быстрый и согласованный рост поля

Em и индекса PC начинается в среднем за ~ 25 минут до незапного начала возмущения

bull Величина РС в момент внезапного начала во всех 43 событиях была больше 2 мVм

bull Рост EKL и РС продолжается и после внезапного начала суббури (~15 минут) Причиной роста EKL и РС является увеличение южной компоненты ММП

bull Магнитная возмущенность в авроральной зоне (AL-индекс) начинает расти в среднем через 15 минут после начала роста РС индекса

bull Таким образом каждая суббуря демонстрирует чётко выраженную фазу роста в РС индексе

26

Relations between PC index and substorm (AL) and storm (ASYM) indices under conditions of the steadily high solar wind energy input into the magnetosphere

The most intense saw-tooth substorms are observed under conditions of the steady powerful interplanetary electric field which ensures energy for their developmentThe 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

bull the substorm sudden onsets are preceded by the PC growth

bull the substorm development do not affect the PC growth rate

bull achievement of the magnetic disturbance maximum is followed by synchronous drop in the PC and AL indices roughly down to level preceding the substorm

bull the higher was the substorm intensity the larger is the AL drop in the decline phase

27

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 (те 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

ВыводУстойчивое увеличение магнитной активности в полярной шапке является первым

признаком начинающегося магнитного возмущения в авроральной зоне Затем в связи с усилением высыпания авроральных частиц начинает расти возмущённость в авроральной зоне

28

Зависимость длительности фазы роста (Tgro) от величины РС (PCmean) и

скорости увеличения РС (РCGR) перед внезапным началом суббури

bull 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 ndash при наибольших значениях PCgro

bull Если рассматривать скорость роста РС индекса перед внезапным началом суббури то оказывается что длительность фазы роста Tgro уменьшается по экспоненциальному закону при увеличением скорости роста PCGR

29

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)

РезультатВсе параметры магнитной суббури

показывают явную связь со скоростью роста PC индекса (PCGR = dPCdT)) перед внезапным началом и после него

30

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 = - 05 + 55 PCgr с коэфф корреляции R = 0996 Средние величины PCgr и ALmax

связаны соотношением ALmax = 114 + 6570PCgr с коэфф корреляции R = 0997

ВыводСкорость 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)

31

Взаимосвязь между РС индексом и магнитными бурями

Basic criteria taken to choose the magnetic storms for the analysis bullduration of magnetic storm should be longer than 12 hours bullthe 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 PCgt2 mVm

32

Поведение функции EKL и РС индекса и развитие магнитной бури (Dst)

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24-1

0

1

2

3

4

5

6

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

December 10 1998 (2207 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36

-100

-80

-60

-40

-20

0

February 28 1999 (1748 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

0 4 8 12 16 20 24 28 32-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Time hours

November 07 1998 (1102 UT)

0 4 8 12 16 20 24 28

024

8

12

16

20

24

0 4 8 12 16 20 24 28-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

April 11 2001 (1300 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20

0

4

8

12

16

20

24

28

0 4 8 12 16 20-400

-300

-200

-100

0

Time hours

November 07 2004 (1830 UT)

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-2

0

2

4

6

8

10

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-180

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

Em

(P

C)

m

Vm

October 01 2002 (0534 UT)

Dst

n

T

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-4

0

4

8

12

16

20

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-300

-250

-200

-150

-100

-50

Time hours

November 09 2004 (1105 UT)

33

Соотношение между Em РС и Dst для бурь разной мощности

0 4 8 12 16 20 24 28

0

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

(b) Dst = - (50-80) nT N=13

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

(c) Dst = - (80-100) nT N=11

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(e) Dst = - (130-160) nT N=10

0 4 8 12 16 20 240

2

4

6

8

10

12

0 4 8 12 16 20 24

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(f) Dst = - (160-240) nT N = 6

34

Results of examination for individual storms and for summary plots

bull The magnetic depression starts to develop when field EKL and PC index firmly as soon as PC and EKL exceed the threshold ~2 mVm

bull As a whole rule PC and EKL cross the threshold simultaneously although sometimes EKL goes ahead PC sometimes PC goes ahead EKL

bull 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

bull When EKL (PC) slowly rises and reaches the maximum value only by the end of disturbed period the slow start storm pattern takes place

bull When EKL (PC) demonstrates repetitive strong enhancements and decreases the magnetic storm displays the appropriate multiple depressions with growth and damping phases

bull The persistent descend of PC (EKL) below the threshold level 2 mVm is indicative on the end of the storm main phase (damping phase) and transition to the storm recovery phase

bull The ldquoPC saturation effectrdquo is typical of events with the PC and EKL values gt 6 mVm

35

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 = -1732 - 1933EKL and Dst = 2313 - 3215PC It is particularly remarkable that correlation

between Dstmin and PC index turned out to be higher (R= - 079) than between Dst(min) and interplanetary electric field Em (R = - 074)

There is also the high correlation (R=095) between values Dst(decay) estimated for moments when EKL and PC firmly fall below the threshold level 2mVm

36

Зависимость интенсивности бури Dst от величин функции Еkl и РС индекса

bull 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)

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

Dst

(tra

ns)

n

T

EKL

(PC) damp mVm

EKL

PC

(a) Storm intensity Dst(peak) vs EKL

and PC values

(b) Storm parameter Dst_trans vs EKL and PC values

Dst

(pe

ak)

n

T

EKL

(PC) growth mVm

PC

EKL

37

Магнитные бури и магнитосферные суббуриразвивающиеся 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 ldquothere was a first energy storage in the magnetotail and then a delayed energy injection into the magnetosphererdquo

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

38

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 gt 800 kms

The Em drop below 2 mVm is noted only for short period from 2215 to 2330UT on January 21 but this drop is not confirmed by the PC index which was larger than 4 mVm at this time the EKL and PC values grew again above 4 mVm by 0200 UT as a result the geomagnetic storm was being continued

ConclusionThe storm of 21-22 January 2005

should be regarded as nothing out of the ordinary event if we examine behavior of PC index

39

Магнитосферные суббури при северном ММП (список Lee et al 2010) ndash cуббури с выраженным началом в АL индексе

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 mVm 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

Effect of ldquoPC index saturationrdquo typical of high values of coupling function is clearly revealed during substorm event of November 16 2000

40

Суббури при северном ММП без внезапного начала в АL индексе (список Lee et al 2010)

Behavior 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)

In events (a) and (b) the IMF BZN component was insignificant The respective EKL and PC quantities were higher than 6 mVm 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

In events (c) and (d) the value of the IMF BZN component was steadily high (gt10-20 nT) The coupling function EKL well responds to the IMF BY and BZN variations In average EKL and PC quantities were close to the threshold level 2 mVm the substorm intensity was correspondingly low (AEasymp100-250nT)

41

Развитие магнитосферных суббурь в условиях северного ММП (список Lee et al 2010)

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 ldquoPC saturation effectrdquo

Conclusion The high level of the EKL (and PC) values

under conditions of northward IMF is provided by the IMF BY component

42

Суббури триггируемые внезапным поворотом ММП в северу (или изменением полярности BY сомпоненты)

There are some features typical of ldquotriggeredrdquo 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 20ndash30 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

ConclusionldquoTriggeredrdquo substorms have no

relation to ldquonorthward IMF turningrdquo or BY reverse

43

Соотношение между laquocoupling functionraquo 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 increasing By in spite of northward IMF orientation the EKL value can be as large as 5-10 mVm

44

Выводы

bull 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 mVm even даже при северном ММП PC индекс растёт в соответствии с ростом величины EKL

bull 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 laquoэкстраординарные возмущенияraquo являются вдействительности обычными возмущениями Происходящими при необходимом и достаточном условии для развития суббурь (PC ge 15-17 mVm) или магнитных бурь (PC ge 2 mVm)

bull Та же ситуация верна и для суббурь триггируемых резких поворотом ММП к северу (laquonorthward turningraquo) 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

45

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

bull магнитные бури и магнитосферные суббури начинаются только в том случае если величина PC индекса превышает некий пороговый уровень (~ 2 mVm для бурь и gt15mVm для суббурь)

bull длительность фазы роста суббури и интенсивность суббури определяются скоростью нарастания РС индекса развитие суббури прекращается как только величина PC индекса падает ниже 1-15 mVm

bull продолжительность магнитной бури определяется длительностью периода когда PCgt2mVm и интенсивность бури (Dst_peak) линейно связана с величиной РС индекса усреднённой за длительность главной фазы

bull периодичность saw-tooth substorms происходящих в условиях устойчивого высокого уровня функции EKL определяется продолжительностью laquoфазы роста РС индексаraquo и laquoфазы спада РС индексаraquo сменяющих друг друга

bull Развитие бурь и суббурь лучше согласуется с ходом РС индекса чем с вариациями функции EKL

bull ldquoнеобычныеrdquo бури и суббури происходящие при воздействии северной компоненты ММП оказываются обычными возмущениями если рассматривать их в отношении к РС индексу и функции EKL

bull PC индекс адекватно реагирует на резкие изменения динамического давления солнечного ветра

46

Все рассмотренные выше закономерности приводят к заключению что РС индекс следует рассматривать как адекватный и удобный показатель (laquoproxyraquo) энергии солнечного ветра поступившей в ионосферу

Если придерживаться этой точки зрения становится очевидным почему бури и суббури лучше коррелируют с РС индексом чем с laquocoupling functionraquo 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

bull PCN httpwwwdmidkdmibull PCS httpwwwgeophysaariru

24

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 gt 3 мВм имеют место пилообразные магнитные возмущения с периодом ~ 2-3 часов

Внезапному началу каждой конкретной суббури предшествует с задержкой от 15 до 60 минут увеличение РС индекса При падении РС индекса ниже уровня ~ 2 мВм суббуря затухает

25

Cоотношения между полем EKL и РС и AL индексами в случае периодически повторяющиеся бухтообразных возмущений

Суперпозиция хода РС и AUAL индексов (тонкие линии) для 43 периодических магнитных возмущений и соответствующий ход усреднённых вариаций BZ и BY компонент ММП электрического поля EKL и индексов РС AUAL

Результатbull Быстрый и согласованный рост поля

Em и индекса PC начинается в среднем за ~ 25 минут до незапного начала возмущения

bull Величина РС в момент внезапного начала во всех 43 событиях была больше 2 мVм

bull Рост EKL и РС продолжается и после внезапного начала суббури (~15 минут) Причиной роста EKL и РС является увеличение южной компоненты ММП

bull Магнитная возмущенность в авроральной зоне (AL-индекс) начинает расти в среднем через 15 минут после начала роста РС индекса

bull Таким образом каждая суббуря демонстрирует чётко выраженную фазу роста в РС индексе

26

Relations between PC index and substorm (AL) and storm (ASYM) indices under conditions of the steadily high solar wind energy input into the magnetosphere

The most intense saw-tooth substorms are observed under conditions of the steady powerful interplanetary electric field which ensures energy for their developmentThe 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

bull the substorm sudden onsets are preceded by the PC growth

bull the substorm development do not affect the PC growth rate

bull achievement of the magnetic disturbance maximum is followed by synchronous drop in the PC and AL indices roughly down to level preceding the substorm

bull the higher was the substorm intensity the larger is the AL drop in the decline phase

27

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 (те 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

ВыводУстойчивое увеличение магнитной активности в полярной шапке является первым

признаком начинающегося магнитного возмущения в авроральной зоне Затем в связи с усилением высыпания авроральных частиц начинает расти возмущённость в авроральной зоне

28

Зависимость длительности фазы роста (Tgro) от величины РС (PCmean) и

скорости увеличения РС (РCGR) перед внезапным началом суббури

bull 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 ndash при наибольших значениях PCgro

bull Если рассматривать скорость роста РС индекса перед внезапным началом суббури то оказывается что длительность фазы роста Tgro уменьшается по экспоненциальному закону при увеличением скорости роста PCGR

29

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)

РезультатВсе параметры магнитной суббури

показывают явную связь со скоростью роста PC индекса (PCGR = dPCdT)) перед внезапным началом и после него

30

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 = - 05 + 55 PCgr с коэфф корреляции R = 0996 Средние величины PCgr и ALmax

связаны соотношением ALmax = 114 + 6570PCgr с коэфф корреляции R = 0997

ВыводСкорость 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)

31

Взаимосвязь между РС индексом и магнитными бурями

Basic criteria taken to choose the magnetic storms for the analysis bullduration of magnetic storm should be longer than 12 hours bullthe 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 PCgt2 mVm

32

Поведение функции EKL и РС индекса и развитие магнитной бури (Dst)

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24-1

0

1

2

3

4

5

6

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

December 10 1998 (2207 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36

-100

-80

-60

-40

-20

0

February 28 1999 (1748 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

0 4 8 12 16 20 24 28 32-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Time hours

November 07 1998 (1102 UT)

0 4 8 12 16 20 24 28

024

8

12

16

20

24

0 4 8 12 16 20 24 28-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

April 11 2001 (1300 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20

0

4

8

12

16

20

24

28

0 4 8 12 16 20-400

-300

-200

-100

0

Time hours

November 07 2004 (1830 UT)

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-2

0

2

4

6

8

10

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-180

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

Em

(P

C)

m

Vm

October 01 2002 (0534 UT)

Dst

n

T

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-4

0

4

8

12

16

20

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-300

-250

-200

-150

-100

-50

Time hours

November 09 2004 (1105 UT)

33

Соотношение между Em РС и Dst для бурь разной мощности

0 4 8 12 16 20 24 28

0

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

(b) Dst = - (50-80) nT N=13

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

(c) Dst = - (80-100) nT N=11

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(e) Dst = - (130-160) nT N=10

0 4 8 12 16 20 240

2

4

6

8

10

12

0 4 8 12 16 20 24

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(f) Dst = - (160-240) nT N = 6

34

Results of examination for individual storms and for summary plots

bull The magnetic depression starts to develop when field EKL and PC index firmly as soon as PC and EKL exceed the threshold ~2 mVm

bull As a whole rule PC and EKL cross the threshold simultaneously although sometimes EKL goes ahead PC sometimes PC goes ahead EKL

bull 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

bull When EKL (PC) slowly rises and reaches the maximum value only by the end of disturbed period the slow start storm pattern takes place

bull When EKL (PC) demonstrates repetitive strong enhancements and decreases the magnetic storm displays the appropriate multiple depressions with growth and damping phases

bull The persistent descend of PC (EKL) below the threshold level 2 mVm is indicative on the end of the storm main phase (damping phase) and transition to the storm recovery phase

bull The ldquoPC saturation effectrdquo is typical of events with the PC and EKL values gt 6 mVm

35

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 = -1732 - 1933EKL and Dst = 2313 - 3215PC It is particularly remarkable that correlation

between Dstmin and PC index turned out to be higher (R= - 079) than between Dst(min) and interplanetary electric field Em (R = - 074)

There is also the high correlation (R=095) between values Dst(decay) estimated for moments when EKL and PC firmly fall below the threshold level 2mVm

36

Зависимость интенсивности бури Dst от величин функции Еkl и РС индекса

bull 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)

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

Dst

(tra

ns)

n

T

EKL

(PC) damp mVm

EKL

PC

(a) Storm intensity Dst(peak) vs EKL

and PC values

(b) Storm parameter Dst_trans vs EKL and PC values

Dst

(pe

ak)

n

T

EKL

(PC) growth mVm

PC

EKL

37

Магнитные бури и магнитосферные суббуриразвивающиеся 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 ldquothere was a first energy storage in the magnetotail and then a delayed energy injection into the magnetosphererdquo

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

38

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 gt 800 kms

The Em drop below 2 mVm is noted only for short period from 2215 to 2330UT on January 21 but this drop is not confirmed by the PC index which was larger than 4 mVm at this time the EKL and PC values grew again above 4 mVm by 0200 UT as a result the geomagnetic storm was being continued

ConclusionThe storm of 21-22 January 2005

should be regarded as nothing out of the ordinary event if we examine behavior of PC index

39

Магнитосферные суббури при северном ММП (список Lee et al 2010) ndash cуббури с выраженным началом в АL индексе

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 mVm 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

Effect of ldquoPC index saturationrdquo typical of high values of coupling function is clearly revealed during substorm event of November 16 2000

40

Суббури при северном ММП без внезапного начала в АL индексе (список Lee et al 2010)

Behavior 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)

In events (a) and (b) the IMF BZN component was insignificant The respective EKL and PC quantities were higher than 6 mVm 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

In events (c) and (d) the value of the IMF BZN component was steadily high (gt10-20 nT) The coupling function EKL well responds to the IMF BY and BZN variations In average EKL and PC quantities were close to the threshold level 2 mVm the substorm intensity was correspondingly low (AEasymp100-250nT)

41

Развитие магнитосферных суббурь в условиях северного ММП (список Lee et al 2010)

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 ldquoPC saturation effectrdquo

Conclusion The high level of the EKL (and PC) values

under conditions of northward IMF is provided by the IMF BY component

42

Суббури триггируемые внезапным поворотом ММП в северу (или изменением полярности BY сомпоненты)

There are some features typical of ldquotriggeredrdquo 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 20ndash30 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

ConclusionldquoTriggeredrdquo substorms have no

relation to ldquonorthward IMF turningrdquo or BY reverse

43

Соотношение между laquocoupling functionraquo 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 increasing By in spite of northward IMF orientation the EKL value can be as large as 5-10 mVm

44

Выводы

bull 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 mVm even даже при северном ММП PC индекс растёт в соответствии с ростом величины EKL

bull 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 laquoэкстраординарные возмущенияraquo являются вдействительности обычными возмущениями Происходящими при необходимом и достаточном условии для развития суббурь (PC ge 15-17 mVm) или магнитных бурь (PC ge 2 mVm)

bull Та же ситуация верна и для суббурь триггируемых резких поворотом ММП к северу (laquonorthward turningraquo) 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

45

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

bull магнитные бури и магнитосферные суббури начинаются только в том случае если величина PC индекса превышает некий пороговый уровень (~ 2 mVm для бурь и gt15mVm для суббурь)

bull длительность фазы роста суббури и интенсивность суббури определяются скоростью нарастания РС индекса развитие суббури прекращается как только величина PC индекса падает ниже 1-15 mVm

bull продолжительность магнитной бури определяется длительностью периода когда PCgt2mVm и интенсивность бури (Dst_peak) линейно связана с величиной РС индекса усреднённой за длительность главной фазы

bull периодичность saw-tooth substorms происходящих в условиях устойчивого высокого уровня функции EKL определяется продолжительностью laquoфазы роста РС индексаraquo и laquoфазы спада РС индексаraquo сменяющих друг друга

bull Развитие бурь и суббурь лучше согласуется с ходом РС индекса чем с вариациями функции EKL

bull ldquoнеобычныеrdquo бури и суббури происходящие при воздействии северной компоненты ММП оказываются обычными возмущениями если рассматривать их в отношении к РС индексу и функции EKL

bull PC индекс адекватно реагирует на резкие изменения динамического давления солнечного ветра

46

Все рассмотренные выше закономерности приводят к заключению что РС индекс следует рассматривать как адекватный и удобный показатель (laquoproxyraquo) энергии солнечного ветра поступившей в ионосферу

Если придерживаться этой точки зрения становится очевидным почему бури и суббури лучше коррелируют с РС индексом чем с laquocoupling functionraquo 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

bull PCN httpwwwdmidkdmibull PCS httpwwwgeophysaariru

25

Cоотношения между полем EKL и РС и AL индексами в случае периодически повторяющиеся бухтообразных возмущений

Суперпозиция хода РС и AUAL индексов (тонкие линии) для 43 периодических магнитных возмущений и соответствующий ход усреднённых вариаций BZ и BY компонент ММП электрического поля EKL и индексов РС AUAL

Результатbull Быстрый и согласованный рост поля

Em и индекса PC начинается в среднем за ~ 25 минут до незапного начала возмущения

bull Величина РС в момент внезапного начала во всех 43 событиях была больше 2 мVм

bull Рост EKL и РС продолжается и после внезапного начала суббури (~15 минут) Причиной роста EKL и РС является увеличение южной компоненты ММП

bull Магнитная возмущенность в авроральной зоне (AL-индекс) начинает расти в среднем через 15 минут после начала роста РС индекса

bull Таким образом каждая суббуря демонстрирует чётко выраженную фазу роста в РС индексе

26

Relations between PC index and substorm (AL) and storm (ASYM) indices under conditions of the steadily high solar wind energy input into the magnetosphere

The most intense saw-tooth substorms are observed under conditions of the steady powerful interplanetary electric field which ensures energy for their developmentThe 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

bull the substorm sudden onsets are preceded by the PC growth

bull the substorm development do not affect the PC growth rate

bull achievement of the magnetic disturbance maximum is followed by synchronous drop in the PC and AL indices roughly down to level preceding the substorm

bull the higher was the substorm intensity the larger is the AL drop in the decline phase

27

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 (те 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

ВыводУстойчивое увеличение магнитной активности в полярной шапке является первым

признаком начинающегося магнитного возмущения в авроральной зоне Затем в связи с усилением высыпания авроральных частиц начинает расти возмущённость в авроральной зоне

28

Зависимость длительности фазы роста (Tgro) от величины РС (PCmean) и

скорости увеличения РС (РCGR) перед внезапным началом суббури

bull 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 ndash при наибольших значениях PCgro

bull Если рассматривать скорость роста РС индекса перед внезапным началом суббури то оказывается что длительность фазы роста Tgro уменьшается по экспоненциальному закону при увеличением скорости роста PCGR

29

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)

РезультатВсе параметры магнитной суббури

показывают явную связь со скоростью роста PC индекса (PCGR = dPCdT)) перед внезапным началом и после него

30

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 = - 05 + 55 PCgr с коэфф корреляции R = 0996 Средние величины PCgr и ALmax

связаны соотношением ALmax = 114 + 6570PCgr с коэфф корреляции R = 0997

ВыводСкорость 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)

31

Взаимосвязь между РС индексом и магнитными бурями

Basic criteria taken to choose the magnetic storms for the analysis bullduration of magnetic storm should be longer than 12 hours bullthe 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 PCgt2 mVm

32

Поведение функции EKL и РС индекса и развитие магнитной бури (Dst)

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24-1

0

1

2

3

4

5

6

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

December 10 1998 (2207 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36

-100

-80

-60

-40

-20

0

February 28 1999 (1748 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

0 4 8 12 16 20 24 28 32-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Time hours

November 07 1998 (1102 UT)

0 4 8 12 16 20 24 28

024

8

12

16

20

24

0 4 8 12 16 20 24 28-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

April 11 2001 (1300 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20

0

4

8

12

16

20

24

28

0 4 8 12 16 20-400

-300

-200

-100

0

Time hours

November 07 2004 (1830 UT)

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-2

0

2

4

6

8

10

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-180

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

Em

(P

C)

m

Vm

October 01 2002 (0534 UT)

Dst

n

T

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-4

0

4

8

12

16

20

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-300

-250

-200

-150

-100

-50

Time hours

November 09 2004 (1105 UT)

33

Соотношение между Em РС и Dst для бурь разной мощности

0 4 8 12 16 20 24 28

0

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

(b) Dst = - (50-80) nT N=13

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

(c) Dst = - (80-100) nT N=11

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(e) Dst = - (130-160) nT N=10

0 4 8 12 16 20 240

2

4

6

8

10

12

0 4 8 12 16 20 24

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(f) Dst = - (160-240) nT N = 6

34

Results of examination for individual storms and for summary plots

bull The magnetic depression starts to develop when field EKL and PC index firmly as soon as PC and EKL exceed the threshold ~2 mVm

bull As a whole rule PC and EKL cross the threshold simultaneously although sometimes EKL goes ahead PC sometimes PC goes ahead EKL

bull 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

bull When EKL (PC) slowly rises and reaches the maximum value only by the end of disturbed period the slow start storm pattern takes place

bull When EKL (PC) demonstrates repetitive strong enhancements and decreases the magnetic storm displays the appropriate multiple depressions with growth and damping phases

bull The persistent descend of PC (EKL) below the threshold level 2 mVm is indicative on the end of the storm main phase (damping phase) and transition to the storm recovery phase

bull The ldquoPC saturation effectrdquo is typical of events with the PC and EKL values gt 6 mVm

35

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 = -1732 - 1933EKL and Dst = 2313 - 3215PC It is particularly remarkable that correlation

between Dstmin and PC index turned out to be higher (R= - 079) than between Dst(min) and interplanetary electric field Em (R = - 074)

There is also the high correlation (R=095) between values Dst(decay) estimated for moments when EKL and PC firmly fall below the threshold level 2mVm

36

Зависимость интенсивности бури Dst от величин функции Еkl и РС индекса

bull 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)

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

Dst

(tra

ns)

n

T

EKL

(PC) damp mVm

EKL

PC

(a) Storm intensity Dst(peak) vs EKL

and PC values

(b) Storm parameter Dst_trans vs EKL and PC values

Dst

(pe

ak)

n

T

EKL

(PC) growth mVm

PC

EKL

37

Магнитные бури и магнитосферные суббуриразвивающиеся 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 ldquothere was a first energy storage in the magnetotail and then a delayed energy injection into the magnetosphererdquo

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

38

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 gt 800 kms

The Em drop below 2 mVm is noted only for short period from 2215 to 2330UT on January 21 but this drop is not confirmed by the PC index which was larger than 4 mVm at this time the EKL and PC values grew again above 4 mVm by 0200 UT as a result the geomagnetic storm was being continued

ConclusionThe storm of 21-22 January 2005

should be regarded as nothing out of the ordinary event if we examine behavior of PC index

39

Магнитосферные суббури при северном ММП (список Lee et al 2010) ndash cуббури с выраженным началом в АL индексе

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 mVm 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

Effect of ldquoPC index saturationrdquo typical of high values of coupling function is clearly revealed during substorm event of November 16 2000

40

Суббури при северном ММП без внезапного начала в АL индексе (список Lee et al 2010)

Behavior 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)

In events (a) and (b) the IMF BZN component was insignificant The respective EKL and PC quantities were higher than 6 mVm 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

In events (c) and (d) the value of the IMF BZN component was steadily high (gt10-20 nT) The coupling function EKL well responds to the IMF BY and BZN variations In average EKL and PC quantities were close to the threshold level 2 mVm the substorm intensity was correspondingly low (AEasymp100-250nT)

41

Развитие магнитосферных суббурь в условиях северного ММП (список Lee et al 2010)

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 ldquoPC saturation effectrdquo

Conclusion The high level of the EKL (and PC) values

under conditions of northward IMF is provided by the IMF BY component

42

Суббури триггируемые внезапным поворотом ММП в северу (или изменением полярности BY сомпоненты)

There are some features typical of ldquotriggeredrdquo 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 20ndash30 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

ConclusionldquoTriggeredrdquo substorms have no

relation to ldquonorthward IMF turningrdquo or BY reverse

43

Соотношение между laquocoupling functionraquo 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 increasing By in spite of northward IMF orientation the EKL value can be as large as 5-10 mVm

44

Выводы

bull 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 mVm even даже при северном ММП PC индекс растёт в соответствии с ростом величины EKL

bull 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 laquoэкстраординарные возмущенияraquo являются вдействительности обычными возмущениями Происходящими при необходимом и достаточном условии для развития суббурь (PC ge 15-17 mVm) или магнитных бурь (PC ge 2 mVm)

bull Та же ситуация верна и для суббурь триггируемых резких поворотом ММП к северу (laquonorthward turningraquo) 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

45

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

bull магнитные бури и магнитосферные суббури начинаются только в том случае если величина PC индекса превышает некий пороговый уровень (~ 2 mVm для бурь и gt15mVm для суббурь)

bull длительность фазы роста суббури и интенсивность суббури определяются скоростью нарастания РС индекса развитие суббури прекращается как только величина PC индекса падает ниже 1-15 mVm

bull продолжительность магнитной бури определяется длительностью периода когда PCgt2mVm и интенсивность бури (Dst_peak) линейно связана с величиной РС индекса усреднённой за длительность главной фазы

bull периодичность saw-tooth substorms происходящих в условиях устойчивого высокого уровня функции EKL определяется продолжительностью laquoфазы роста РС индексаraquo и laquoфазы спада РС индексаraquo сменяющих друг друга

bull Развитие бурь и суббурь лучше согласуется с ходом РС индекса чем с вариациями функции EKL

bull ldquoнеобычныеrdquo бури и суббури происходящие при воздействии северной компоненты ММП оказываются обычными возмущениями если рассматривать их в отношении к РС индексу и функции EKL

bull PC индекс адекватно реагирует на резкие изменения динамического давления солнечного ветра

46

Все рассмотренные выше закономерности приводят к заключению что РС индекс следует рассматривать как адекватный и удобный показатель (laquoproxyraquo) энергии солнечного ветра поступившей в ионосферу

Если придерживаться этой точки зрения становится очевидным почему бури и суббури лучше коррелируют с РС индексом чем с laquocoupling functionraquo 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

bull PCN httpwwwdmidkdmibull PCS httpwwwgeophysaariru

26

Relations between PC index and substorm (AL) and storm (ASYM) indices under conditions of the steadily high solar wind energy input into the magnetosphere

The most intense saw-tooth substorms are observed under conditions of the steady powerful interplanetary electric field which ensures energy for their developmentThe 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

bull the substorm sudden onsets are preceded by the PC growth

bull the substorm development do not affect the PC growth rate

bull achievement of the magnetic disturbance maximum is followed by synchronous drop in the PC and AL indices roughly down to level preceding the substorm

bull the higher was the substorm intensity the larger is the AL drop in the decline phase

27

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 (те 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

ВыводУстойчивое увеличение магнитной активности в полярной шапке является первым

признаком начинающегося магнитного возмущения в авроральной зоне Затем в связи с усилением высыпания авроральных частиц начинает расти возмущённость в авроральной зоне

28

Зависимость длительности фазы роста (Tgro) от величины РС (PCmean) и

скорости увеличения РС (РCGR) перед внезапным началом суббури

bull 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 ndash при наибольших значениях PCgro

bull Если рассматривать скорость роста РС индекса перед внезапным началом суббури то оказывается что длительность фазы роста Tgro уменьшается по экспоненциальному закону при увеличением скорости роста PCGR

29

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)

РезультатВсе параметры магнитной суббури

показывают явную связь со скоростью роста PC индекса (PCGR = dPCdT)) перед внезапным началом и после него

30

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 = - 05 + 55 PCgr с коэфф корреляции R = 0996 Средние величины PCgr и ALmax

связаны соотношением ALmax = 114 + 6570PCgr с коэфф корреляции R = 0997

ВыводСкорость 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)

31

Взаимосвязь между РС индексом и магнитными бурями

Basic criteria taken to choose the magnetic storms for the analysis bullduration of magnetic storm should be longer than 12 hours bullthe 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 PCgt2 mVm

32

Поведение функции EKL и РС индекса и развитие магнитной бури (Dst)

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24-1

0

1

2

3

4

5

6

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

December 10 1998 (2207 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36

-100

-80

-60

-40

-20

0

February 28 1999 (1748 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

0 4 8 12 16 20 24 28 32-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Time hours

November 07 1998 (1102 UT)

0 4 8 12 16 20 24 28

024

8

12

16

20

24

0 4 8 12 16 20 24 28-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

April 11 2001 (1300 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20

0

4

8

12

16

20

24

28

0 4 8 12 16 20-400

-300

-200

-100

0

Time hours

November 07 2004 (1830 UT)

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-2

0

2

4

6

8

10

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-180

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

Em

(P

C)

m

Vm

October 01 2002 (0534 UT)

Dst

n

T

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-4

0

4

8

12

16

20

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-300

-250

-200

-150

-100

-50

Time hours

November 09 2004 (1105 UT)

33

Соотношение между Em РС и Dst для бурь разной мощности

0 4 8 12 16 20 24 28

0

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

(b) Dst = - (50-80) nT N=13

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

(c) Dst = - (80-100) nT N=11

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(e) Dst = - (130-160) nT N=10

0 4 8 12 16 20 240

2

4

6

8

10

12

0 4 8 12 16 20 24

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(f) Dst = - (160-240) nT N = 6

34

Results of examination for individual storms and for summary plots

bull The magnetic depression starts to develop when field EKL and PC index firmly as soon as PC and EKL exceed the threshold ~2 mVm

bull As a whole rule PC and EKL cross the threshold simultaneously although sometimes EKL goes ahead PC sometimes PC goes ahead EKL

bull 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

bull When EKL (PC) slowly rises and reaches the maximum value only by the end of disturbed period the slow start storm pattern takes place

bull When EKL (PC) demonstrates repetitive strong enhancements and decreases the magnetic storm displays the appropriate multiple depressions with growth and damping phases

bull The persistent descend of PC (EKL) below the threshold level 2 mVm is indicative on the end of the storm main phase (damping phase) and transition to the storm recovery phase

bull The ldquoPC saturation effectrdquo is typical of events with the PC and EKL values gt 6 mVm

35

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 = -1732 - 1933EKL and Dst = 2313 - 3215PC It is particularly remarkable that correlation

between Dstmin and PC index turned out to be higher (R= - 079) than between Dst(min) and interplanetary electric field Em (R = - 074)

There is also the high correlation (R=095) between values Dst(decay) estimated for moments when EKL and PC firmly fall below the threshold level 2mVm

36

Зависимость интенсивности бури Dst от величин функции Еkl и РС индекса

bull 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)

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

Dst

(tra

ns)

n

T

EKL

(PC) damp mVm

EKL

PC

(a) Storm intensity Dst(peak) vs EKL

and PC values

(b) Storm parameter Dst_trans vs EKL and PC values

Dst

(pe

ak)

n

T

EKL

(PC) growth mVm

PC

EKL

37

Магнитные бури и магнитосферные суббуриразвивающиеся 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 ldquothere was a first energy storage in the magnetotail and then a delayed energy injection into the magnetosphererdquo

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

38

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 gt 800 kms

The Em drop below 2 mVm is noted only for short period from 2215 to 2330UT on January 21 but this drop is not confirmed by the PC index which was larger than 4 mVm at this time the EKL and PC values grew again above 4 mVm by 0200 UT as a result the geomagnetic storm was being continued

ConclusionThe storm of 21-22 January 2005

should be regarded as nothing out of the ordinary event if we examine behavior of PC index

39

Магнитосферные суббури при северном ММП (список Lee et al 2010) ndash cуббури с выраженным началом в АL индексе

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 mVm 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

Effect of ldquoPC index saturationrdquo typical of high values of coupling function is clearly revealed during substorm event of November 16 2000

40

Суббури при северном ММП без внезапного начала в АL индексе (список Lee et al 2010)

Behavior 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)

In events (a) and (b) the IMF BZN component was insignificant The respective EKL and PC quantities were higher than 6 mVm 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

In events (c) and (d) the value of the IMF BZN component was steadily high (gt10-20 nT) The coupling function EKL well responds to the IMF BY and BZN variations In average EKL and PC quantities were close to the threshold level 2 mVm the substorm intensity was correspondingly low (AEasymp100-250nT)

41

Развитие магнитосферных суббурь в условиях северного ММП (список Lee et al 2010)

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 ldquoPC saturation effectrdquo

Conclusion The high level of the EKL (and PC) values

under conditions of northward IMF is provided by the IMF BY component

42

Суббури триггируемые внезапным поворотом ММП в северу (или изменением полярности BY сомпоненты)

There are some features typical of ldquotriggeredrdquo 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 20ndash30 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

ConclusionldquoTriggeredrdquo substorms have no

relation to ldquonorthward IMF turningrdquo or BY reverse

43

Соотношение между laquocoupling functionraquo 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 increasing By in spite of northward IMF orientation the EKL value can be as large as 5-10 mVm

44

Выводы

bull 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 mVm even даже при северном ММП PC индекс растёт в соответствии с ростом величины EKL

bull 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 laquoэкстраординарные возмущенияraquo являются вдействительности обычными возмущениями Происходящими при необходимом и достаточном условии для развития суббурь (PC ge 15-17 mVm) или магнитных бурь (PC ge 2 mVm)

bull Та же ситуация верна и для суббурь триггируемых резких поворотом ММП к северу (laquonorthward turningraquo) 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

45

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

bull магнитные бури и магнитосферные суббури начинаются только в том случае если величина PC индекса превышает некий пороговый уровень (~ 2 mVm для бурь и gt15mVm для суббурь)

bull длительность фазы роста суббури и интенсивность суббури определяются скоростью нарастания РС индекса развитие суббури прекращается как только величина PC индекса падает ниже 1-15 mVm

bull продолжительность магнитной бури определяется длительностью периода когда PCgt2mVm и интенсивность бури (Dst_peak) линейно связана с величиной РС индекса усреднённой за длительность главной фазы

bull периодичность saw-tooth substorms происходящих в условиях устойчивого высокого уровня функции EKL определяется продолжительностью laquoфазы роста РС индексаraquo и laquoфазы спада РС индексаraquo сменяющих друг друга

bull Развитие бурь и суббурь лучше согласуется с ходом РС индекса чем с вариациями функции EKL

bull ldquoнеобычныеrdquo бури и суббури происходящие при воздействии северной компоненты ММП оказываются обычными возмущениями если рассматривать их в отношении к РС индексу и функции EKL

bull PC индекс адекватно реагирует на резкие изменения динамического давления солнечного ветра

46

Все рассмотренные выше закономерности приводят к заключению что РС индекс следует рассматривать как адекватный и удобный показатель (laquoproxyraquo) энергии солнечного ветра поступившей в ионосферу

Если придерживаться этой точки зрения становится очевидным почему бури и суббури лучше коррелируют с РС индексом чем с laquocoupling functionraquo 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

bull PCN httpwwwdmidkdmibull PCS httpwwwgeophysaariru

27

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 (те 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

ВыводУстойчивое увеличение магнитной активности в полярной шапке является первым

признаком начинающегося магнитного возмущения в авроральной зоне Затем в связи с усилением высыпания авроральных частиц начинает расти возмущённость в авроральной зоне

28

Зависимость длительности фазы роста (Tgro) от величины РС (PCmean) и

скорости увеличения РС (РCGR) перед внезапным началом суббури

bull 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 ndash при наибольших значениях PCgro

bull Если рассматривать скорость роста РС индекса перед внезапным началом суббури то оказывается что длительность фазы роста Tgro уменьшается по экспоненциальному закону при увеличением скорости роста PCGR

29

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)

РезультатВсе параметры магнитной суббури

показывают явную связь со скоростью роста PC индекса (PCGR = dPCdT)) перед внезапным началом и после него

30

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 = - 05 + 55 PCgr с коэфф корреляции R = 0996 Средние величины PCgr и ALmax

связаны соотношением ALmax = 114 + 6570PCgr с коэфф корреляции R = 0997

ВыводСкорость 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)

31

Взаимосвязь между РС индексом и магнитными бурями

Basic criteria taken to choose the magnetic storms for the analysis bullduration of magnetic storm should be longer than 12 hours bullthe 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 PCgt2 mVm

32

Поведение функции EKL и РС индекса и развитие магнитной бури (Dst)

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24-1

0

1

2

3

4

5

6

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

December 10 1998 (2207 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36

-100

-80

-60

-40

-20

0

February 28 1999 (1748 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

0 4 8 12 16 20 24 28 32-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Time hours

November 07 1998 (1102 UT)

0 4 8 12 16 20 24 28

024

8

12

16

20

24

0 4 8 12 16 20 24 28-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

April 11 2001 (1300 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20

0

4

8

12

16

20

24

28

0 4 8 12 16 20-400

-300

-200

-100

0

Time hours

November 07 2004 (1830 UT)

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-2

0

2

4

6

8

10

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-180

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

Em

(P

C)

m

Vm

October 01 2002 (0534 UT)

Dst

n

T

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-4

0

4

8

12

16

20

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-300

-250

-200

-150

-100

-50

Time hours

November 09 2004 (1105 UT)

33

Соотношение между Em РС и Dst для бурь разной мощности

0 4 8 12 16 20 24 28

0

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

(b) Dst = - (50-80) nT N=13

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

(c) Dst = - (80-100) nT N=11

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(e) Dst = - (130-160) nT N=10

0 4 8 12 16 20 240

2

4

6

8

10

12

0 4 8 12 16 20 24

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(f) Dst = - (160-240) nT N = 6

34

Results of examination for individual storms and for summary plots

bull The magnetic depression starts to develop when field EKL and PC index firmly as soon as PC and EKL exceed the threshold ~2 mVm

bull As a whole rule PC and EKL cross the threshold simultaneously although sometimes EKL goes ahead PC sometimes PC goes ahead EKL

bull 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

bull When EKL (PC) slowly rises and reaches the maximum value only by the end of disturbed period the slow start storm pattern takes place

bull When EKL (PC) demonstrates repetitive strong enhancements and decreases the magnetic storm displays the appropriate multiple depressions with growth and damping phases

bull The persistent descend of PC (EKL) below the threshold level 2 mVm is indicative on the end of the storm main phase (damping phase) and transition to the storm recovery phase

bull The ldquoPC saturation effectrdquo is typical of events with the PC and EKL values gt 6 mVm

35

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 = -1732 - 1933EKL and Dst = 2313 - 3215PC It is particularly remarkable that correlation

between Dstmin and PC index turned out to be higher (R= - 079) than between Dst(min) and interplanetary electric field Em (R = - 074)

There is also the high correlation (R=095) between values Dst(decay) estimated for moments when EKL and PC firmly fall below the threshold level 2mVm

36

Зависимость интенсивности бури Dst от величин функции Еkl и РС индекса

bull 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)

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

Dst

(tra

ns)

n

T

EKL

(PC) damp mVm

EKL

PC

(a) Storm intensity Dst(peak) vs EKL

and PC values

(b) Storm parameter Dst_trans vs EKL and PC values

Dst

(pe

ak)

n

T

EKL

(PC) growth mVm

PC

EKL

37

Магнитные бури и магнитосферные суббуриразвивающиеся 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 ldquothere was a first energy storage in the magnetotail and then a delayed energy injection into the magnetosphererdquo

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

38

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 gt 800 kms

The Em drop below 2 mVm is noted only for short period from 2215 to 2330UT on January 21 but this drop is not confirmed by the PC index which was larger than 4 mVm at this time the EKL and PC values grew again above 4 mVm by 0200 UT as a result the geomagnetic storm was being continued

ConclusionThe storm of 21-22 January 2005

should be regarded as nothing out of the ordinary event if we examine behavior of PC index

39

Магнитосферные суббури при северном ММП (список Lee et al 2010) ndash cуббури с выраженным началом в АL индексе

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 mVm 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

Effect of ldquoPC index saturationrdquo typical of high values of coupling function is clearly revealed during substorm event of November 16 2000

40

Суббури при северном ММП без внезапного начала в АL индексе (список Lee et al 2010)

Behavior 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)

In events (a) and (b) the IMF BZN component was insignificant The respective EKL and PC quantities were higher than 6 mVm 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

In events (c) and (d) the value of the IMF BZN component was steadily high (gt10-20 nT) The coupling function EKL well responds to the IMF BY and BZN variations In average EKL and PC quantities were close to the threshold level 2 mVm the substorm intensity was correspondingly low (AEasymp100-250nT)

41

Развитие магнитосферных суббурь в условиях северного ММП (список Lee et al 2010)

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 ldquoPC saturation effectrdquo

Conclusion The high level of the EKL (and PC) values

under conditions of northward IMF is provided by the IMF BY component

42

Суббури триггируемые внезапным поворотом ММП в северу (или изменением полярности BY сомпоненты)

There are some features typical of ldquotriggeredrdquo 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 20ndash30 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

ConclusionldquoTriggeredrdquo substorms have no

relation to ldquonorthward IMF turningrdquo or BY reverse

43

Соотношение между laquocoupling functionraquo 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 increasing By in spite of northward IMF orientation the EKL value can be as large as 5-10 mVm

44

Выводы

bull 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 mVm even даже при северном ММП PC индекс растёт в соответствии с ростом величины EKL

bull 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 laquoэкстраординарные возмущенияraquo являются вдействительности обычными возмущениями Происходящими при необходимом и достаточном условии для развития суббурь (PC ge 15-17 mVm) или магнитных бурь (PC ge 2 mVm)

bull Та же ситуация верна и для суббурь триггируемых резких поворотом ММП к северу (laquonorthward turningraquo) 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

45

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

bull магнитные бури и магнитосферные суббури начинаются только в том случае если величина PC индекса превышает некий пороговый уровень (~ 2 mVm для бурь и gt15mVm для суббурь)

bull длительность фазы роста суббури и интенсивность суббури определяются скоростью нарастания РС индекса развитие суббури прекращается как только величина PC индекса падает ниже 1-15 mVm

bull продолжительность магнитной бури определяется длительностью периода когда PCgt2mVm и интенсивность бури (Dst_peak) линейно связана с величиной РС индекса усреднённой за длительность главной фазы

bull периодичность saw-tooth substorms происходящих в условиях устойчивого высокого уровня функции EKL определяется продолжительностью laquoфазы роста РС индексаraquo и laquoфазы спада РС индексаraquo сменяющих друг друга

bull Развитие бурь и суббурь лучше согласуется с ходом РС индекса чем с вариациями функции EKL

bull ldquoнеобычныеrdquo бури и суббури происходящие при воздействии северной компоненты ММП оказываются обычными возмущениями если рассматривать их в отношении к РС индексу и функции EKL

bull PC индекс адекватно реагирует на резкие изменения динамического давления солнечного ветра

46

Все рассмотренные выше закономерности приводят к заключению что РС индекс следует рассматривать как адекватный и удобный показатель (laquoproxyraquo) энергии солнечного ветра поступившей в ионосферу

Если придерживаться этой точки зрения становится очевидным почему бури и суббури лучше коррелируют с РС индексом чем с laquocoupling functionraquo 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

bull PCN httpwwwdmidkdmibull PCS httpwwwgeophysaariru

28

Зависимость длительности фазы роста (Tgro) от величины РС (PCmean) и

скорости увеличения РС (РCGR) перед внезапным началом суббури

bull 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 ndash при наибольших значениях PCgro

bull Если рассматривать скорость роста РС индекса перед внезапным началом суббури то оказывается что длительность фазы роста Tgro уменьшается по экспоненциальному закону при увеличением скорости роста PCGR

29

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)

РезультатВсе параметры магнитной суббури

показывают явную связь со скоростью роста PC индекса (PCGR = dPCdT)) перед внезапным началом и после него

30

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 = - 05 + 55 PCgr с коэфф корреляции R = 0996 Средние величины PCgr и ALmax

связаны соотношением ALmax = 114 + 6570PCgr с коэфф корреляции R = 0997

ВыводСкорость 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)

31

Взаимосвязь между РС индексом и магнитными бурями

Basic criteria taken to choose the magnetic storms for the analysis bullduration of magnetic storm should be longer than 12 hours bullthe 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 PCgt2 mVm

32

Поведение функции EKL и РС индекса и развитие магнитной бури (Dst)

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24-1

0

1

2

3

4

5

6

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

December 10 1998 (2207 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36

-100

-80

-60

-40

-20

0

February 28 1999 (1748 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

0 4 8 12 16 20 24 28 32-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Time hours

November 07 1998 (1102 UT)

0 4 8 12 16 20 24 28

024

8

12

16

20

24

0 4 8 12 16 20 24 28-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

April 11 2001 (1300 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20

0

4

8

12

16

20

24

28

0 4 8 12 16 20-400

-300

-200

-100

0

Time hours

November 07 2004 (1830 UT)

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-2

0

2

4

6

8

10

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-180

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

Em

(P

C)

m

Vm

October 01 2002 (0534 UT)

Dst

n

T

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-4

0

4

8

12

16

20

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-300

-250

-200

-150

-100

-50

Time hours

November 09 2004 (1105 UT)

33

Соотношение между Em РС и Dst для бурь разной мощности

0 4 8 12 16 20 24 28

0

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

(b) Dst = - (50-80) nT N=13

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

(c) Dst = - (80-100) nT N=11

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(e) Dst = - (130-160) nT N=10

0 4 8 12 16 20 240

2

4

6

8

10

12

0 4 8 12 16 20 24

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(f) Dst = - (160-240) nT N = 6

34

Results of examination for individual storms and for summary plots

bull The magnetic depression starts to develop when field EKL and PC index firmly as soon as PC and EKL exceed the threshold ~2 mVm

bull As a whole rule PC and EKL cross the threshold simultaneously although sometimes EKL goes ahead PC sometimes PC goes ahead EKL

bull 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

bull When EKL (PC) slowly rises and reaches the maximum value only by the end of disturbed period the slow start storm pattern takes place

bull When EKL (PC) demonstrates repetitive strong enhancements and decreases the magnetic storm displays the appropriate multiple depressions with growth and damping phases

bull The persistent descend of PC (EKL) below the threshold level 2 mVm is indicative on the end of the storm main phase (damping phase) and transition to the storm recovery phase

bull The ldquoPC saturation effectrdquo is typical of events with the PC and EKL values gt 6 mVm

35

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 = -1732 - 1933EKL and Dst = 2313 - 3215PC It is particularly remarkable that correlation

between Dstmin and PC index turned out to be higher (R= - 079) than between Dst(min) and interplanetary electric field Em (R = - 074)

There is also the high correlation (R=095) between values Dst(decay) estimated for moments when EKL and PC firmly fall below the threshold level 2mVm

36

Зависимость интенсивности бури Dst от величин функции Еkl и РС индекса

bull 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)

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

Dst

(tra

ns)

n

T

EKL

(PC) damp mVm

EKL

PC

(a) Storm intensity Dst(peak) vs EKL

and PC values

(b) Storm parameter Dst_trans vs EKL and PC values

Dst

(pe

ak)

n

T

EKL

(PC) growth mVm

PC

EKL

37

Магнитные бури и магнитосферные суббуриразвивающиеся 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 ldquothere was a first energy storage in the magnetotail and then a delayed energy injection into the magnetosphererdquo

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

38

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 gt 800 kms

The Em drop below 2 mVm is noted only for short period from 2215 to 2330UT on January 21 but this drop is not confirmed by the PC index which was larger than 4 mVm at this time the EKL and PC values grew again above 4 mVm by 0200 UT as a result the geomagnetic storm was being continued

ConclusionThe storm of 21-22 January 2005

should be regarded as nothing out of the ordinary event if we examine behavior of PC index

39

Магнитосферные суббури при северном ММП (список Lee et al 2010) ndash cуббури с выраженным началом в АL индексе

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 mVm 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

Effect of ldquoPC index saturationrdquo typical of high values of coupling function is clearly revealed during substorm event of November 16 2000

40

Суббури при северном ММП без внезапного начала в АL индексе (список Lee et al 2010)

Behavior 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)

In events (a) and (b) the IMF BZN component was insignificant The respective EKL and PC quantities were higher than 6 mVm 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

In events (c) and (d) the value of the IMF BZN component was steadily high (gt10-20 nT) The coupling function EKL well responds to the IMF BY and BZN variations In average EKL and PC quantities were close to the threshold level 2 mVm the substorm intensity was correspondingly low (AEasymp100-250nT)

41

Развитие магнитосферных суббурь в условиях северного ММП (список Lee et al 2010)

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 ldquoPC saturation effectrdquo

Conclusion The high level of the EKL (and PC) values

under conditions of northward IMF is provided by the IMF BY component

42

Суббури триггируемые внезапным поворотом ММП в северу (или изменением полярности BY сомпоненты)

There are some features typical of ldquotriggeredrdquo 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 20ndash30 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

ConclusionldquoTriggeredrdquo substorms have no

relation to ldquonorthward IMF turningrdquo or BY reverse

43

Соотношение между laquocoupling functionraquo 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 increasing By in spite of northward IMF orientation the EKL value can be as large as 5-10 mVm

44

Выводы

bull 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 mVm even даже при северном ММП PC индекс растёт в соответствии с ростом величины EKL

bull 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 laquoэкстраординарные возмущенияraquo являются вдействительности обычными возмущениями Происходящими при необходимом и достаточном условии для развития суббурь (PC ge 15-17 mVm) или магнитных бурь (PC ge 2 mVm)

bull Та же ситуация верна и для суббурь триггируемых резких поворотом ММП к северу (laquonorthward turningraquo) 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

45

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

bull магнитные бури и магнитосферные суббури начинаются только в том случае если величина PC индекса превышает некий пороговый уровень (~ 2 mVm для бурь и gt15mVm для суббурь)

bull длительность фазы роста суббури и интенсивность суббури определяются скоростью нарастания РС индекса развитие суббури прекращается как только величина PC индекса падает ниже 1-15 mVm

bull продолжительность магнитной бури определяется длительностью периода когда PCgt2mVm и интенсивность бури (Dst_peak) линейно связана с величиной РС индекса усреднённой за длительность главной фазы

bull периодичность saw-tooth substorms происходящих в условиях устойчивого высокого уровня функции EKL определяется продолжительностью laquoфазы роста РС индексаraquo и laquoфазы спада РС индексаraquo сменяющих друг друга

bull Развитие бурь и суббурь лучше согласуется с ходом РС индекса чем с вариациями функции EKL

bull ldquoнеобычныеrdquo бури и суббури происходящие при воздействии северной компоненты ММП оказываются обычными возмущениями если рассматривать их в отношении к РС индексу и функции EKL

bull PC индекс адекватно реагирует на резкие изменения динамического давления солнечного ветра

46

Все рассмотренные выше закономерности приводят к заключению что РС индекс следует рассматривать как адекватный и удобный показатель (laquoproxyraquo) энергии солнечного ветра поступившей в ионосферу

Если придерживаться этой точки зрения становится очевидным почему бури и суббури лучше коррелируют с РС индексом чем с laquocoupling functionraquo 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

bull PCN httpwwwdmidkdmibull PCS httpwwwgeophysaariru

29

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)

РезультатВсе параметры магнитной суббури

показывают явную связь со скоростью роста PC индекса (PCGR = dPCdT)) перед внезапным началом и после него

30

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 = - 05 + 55 PCgr с коэфф корреляции R = 0996 Средние величины PCgr и ALmax

связаны соотношением ALmax = 114 + 6570PCgr с коэфф корреляции R = 0997

ВыводСкорость 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)

31

Взаимосвязь между РС индексом и магнитными бурями

Basic criteria taken to choose the magnetic storms for the analysis bullduration of magnetic storm should be longer than 12 hours bullthe 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 PCgt2 mVm

32

Поведение функции EKL и РС индекса и развитие магнитной бури (Dst)

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24-1

0

1

2

3

4

5

6

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

December 10 1998 (2207 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36

-100

-80

-60

-40

-20

0

February 28 1999 (1748 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

0 4 8 12 16 20 24 28 32-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Time hours

November 07 1998 (1102 UT)

0 4 8 12 16 20 24 28

024

8

12

16

20

24

0 4 8 12 16 20 24 28-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

April 11 2001 (1300 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20

0

4

8

12

16

20

24

28

0 4 8 12 16 20-400

-300

-200

-100

0

Time hours

November 07 2004 (1830 UT)

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-2

0

2

4

6

8

10

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-180

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

Em

(P

C)

m

Vm

October 01 2002 (0534 UT)

Dst

n

T

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-4

0

4

8

12

16

20

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-300

-250

-200

-150

-100

-50

Time hours

November 09 2004 (1105 UT)

33

Соотношение между Em РС и Dst для бурь разной мощности

0 4 8 12 16 20 24 28

0

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

(b) Dst = - (50-80) nT N=13

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

(c) Dst = - (80-100) nT N=11

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(e) Dst = - (130-160) nT N=10

0 4 8 12 16 20 240

2

4

6

8

10

12

0 4 8 12 16 20 24

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(f) Dst = - (160-240) nT N = 6

34

Results of examination for individual storms and for summary plots

bull The magnetic depression starts to develop when field EKL and PC index firmly as soon as PC and EKL exceed the threshold ~2 mVm

bull As a whole rule PC and EKL cross the threshold simultaneously although sometimes EKL goes ahead PC sometimes PC goes ahead EKL

bull 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

bull When EKL (PC) slowly rises and reaches the maximum value only by the end of disturbed period the slow start storm pattern takes place

bull When EKL (PC) demonstrates repetitive strong enhancements and decreases the magnetic storm displays the appropriate multiple depressions with growth and damping phases

bull The persistent descend of PC (EKL) below the threshold level 2 mVm is indicative on the end of the storm main phase (damping phase) and transition to the storm recovery phase

bull The ldquoPC saturation effectrdquo is typical of events with the PC and EKL values gt 6 mVm

35

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 = -1732 - 1933EKL and Dst = 2313 - 3215PC It is particularly remarkable that correlation

between Dstmin and PC index turned out to be higher (R= - 079) than between Dst(min) and interplanetary electric field Em (R = - 074)

There is also the high correlation (R=095) between values Dst(decay) estimated for moments when EKL and PC firmly fall below the threshold level 2mVm

36

Зависимость интенсивности бури Dst от величин функции Еkl и РС индекса

bull 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)

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

Dst

(tra

ns)

n

T

EKL

(PC) damp mVm

EKL

PC

(a) Storm intensity Dst(peak) vs EKL

and PC values

(b) Storm parameter Dst_trans vs EKL and PC values

Dst

(pe

ak)

n

T

EKL

(PC) growth mVm

PC

EKL

37

Магнитные бури и магнитосферные суббуриразвивающиеся 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 ldquothere was a first energy storage in the magnetotail and then a delayed energy injection into the magnetosphererdquo

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

38

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 gt 800 kms

The Em drop below 2 mVm is noted only for short period from 2215 to 2330UT on January 21 but this drop is not confirmed by the PC index which was larger than 4 mVm at this time the EKL and PC values grew again above 4 mVm by 0200 UT as a result the geomagnetic storm was being continued

ConclusionThe storm of 21-22 January 2005

should be regarded as nothing out of the ordinary event if we examine behavior of PC index

39

Магнитосферные суббури при северном ММП (список Lee et al 2010) ndash cуббури с выраженным началом в АL индексе

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 mVm 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

Effect of ldquoPC index saturationrdquo typical of high values of coupling function is clearly revealed during substorm event of November 16 2000

40

Суббури при северном ММП без внезапного начала в АL индексе (список Lee et al 2010)

Behavior 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)

In events (a) and (b) the IMF BZN component was insignificant The respective EKL and PC quantities were higher than 6 mVm 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

In events (c) and (d) the value of the IMF BZN component was steadily high (gt10-20 nT) The coupling function EKL well responds to the IMF BY and BZN variations In average EKL and PC quantities were close to the threshold level 2 mVm the substorm intensity was correspondingly low (AEasymp100-250nT)

41

Развитие магнитосферных суббурь в условиях северного ММП (список Lee et al 2010)

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 ldquoPC saturation effectrdquo

Conclusion The high level of the EKL (and PC) values

under conditions of northward IMF is provided by the IMF BY component

42

Суббури триггируемые внезапным поворотом ММП в северу (или изменением полярности BY сомпоненты)

There are some features typical of ldquotriggeredrdquo 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 20ndash30 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

ConclusionldquoTriggeredrdquo substorms have no

relation to ldquonorthward IMF turningrdquo or BY reverse

43

Соотношение между laquocoupling functionraquo 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 increasing By in spite of northward IMF orientation the EKL value can be as large as 5-10 mVm

44

Выводы

bull 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 mVm even даже при северном ММП PC индекс растёт в соответствии с ростом величины EKL

bull 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 laquoэкстраординарные возмущенияraquo являются вдействительности обычными возмущениями Происходящими при необходимом и достаточном условии для развития суббурь (PC ge 15-17 mVm) или магнитных бурь (PC ge 2 mVm)

bull Та же ситуация верна и для суббурь триггируемых резких поворотом ММП к северу (laquonorthward turningraquo) 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

45

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

bull магнитные бури и магнитосферные суббури начинаются только в том случае если величина PC индекса превышает некий пороговый уровень (~ 2 mVm для бурь и gt15mVm для суббурь)

bull длительность фазы роста суббури и интенсивность суббури определяются скоростью нарастания РС индекса развитие суббури прекращается как только величина PC индекса падает ниже 1-15 mVm

bull продолжительность магнитной бури определяется длительностью периода когда PCgt2mVm и интенсивность бури (Dst_peak) линейно связана с величиной РС индекса усреднённой за длительность главной фазы

bull периодичность saw-tooth substorms происходящих в условиях устойчивого высокого уровня функции EKL определяется продолжительностью laquoфазы роста РС индексаraquo и laquoфазы спада РС индексаraquo сменяющих друг друга

bull Развитие бурь и суббурь лучше согласуется с ходом РС индекса чем с вариациями функции EKL

bull ldquoнеобычныеrdquo бури и суббури происходящие при воздействии северной компоненты ММП оказываются обычными возмущениями если рассматривать их в отношении к РС индексу и функции EKL

bull PC индекс адекватно реагирует на резкие изменения динамического давления солнечного ветра

46

Все рассмотренные выше закономерности приводят к заключению что РС индекс следует рассматривать как адекватный и удобный показатель (laquoproxyraquo) энергии солнечного ветра поступившей в ионосферу

Если придерживаться этой точки зрения становится очевидным почему бури и суббури лучше коррелируют с РС индексом чем с laquocoupling functionraquo 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

bull PCN httpwwwdmidkdmibull PCS httpwwwgeophysaariru

30

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 = - 05 + 55 PCgr с коэфф корреляции R = 0996 Средние величины PCgr и ALmax

связаны соотношением ALmax = 114 + 6570PCgr с коэфф корреляции R = 0997

ВыводСкорость 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)

31

Взаимосвязь между РС индексом и магнитными бурями

Basic criteria taken to choose the magnetic storms for the analysis bullduration of magnetic storm should be longer than 12 hours bullthe 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 PCgt2 mVm

32

Поведение функции EKL и РС индекса и развитие магнитной бури (Dst)

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24-1

0

1

2

3

4

5

6

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

December 10 1998 (2207 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36

-100

-80

-60

-40

-20

0

February 28 1999 (1748 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

0 4 8 12 16 20 24 28 32-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Time hours

November 07 1998 (1102 UT)

0 4 8 12 16 20 24 28

024

8

12

16

20

24

0 4 8 12 16 20 24 28-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

April 11 2001 (1300 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20

0

4

8

12

16

20

24

28

0 4 8 12 16 20-400

-300

-200

-100

0

Time hours

November 07 2004 (1830 UT)

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-2

0

2

4

6

8

10

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-180

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

Em

(P

C)

m

Vm

October 01 2002 (0534 UT)

Dst

n

T

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-4

0

4

8

12

16

20

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-300

-250

-200

-150

-100

-50

Time hours

November 09 2004 (1105 UT)

33

Соотношение между Em РС и Dst для бурь разной мощности

0 4 8 12 16 20 24 28

0

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

(b) Dst = - (50-80) nT N=13

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

(c) Dst = - (80-100) nT N=11

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(e) Dst = - (130-160) nT N=10

0 4 8 12 16 20 240

2

4

6

8

10

12

0 4 8 12 16 20 24

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(f) Dst = - (160-240) nT N = 6

34

Results of examination for individual storms and for summary plots

bull The magnetic depression starts to develop when field EKL and PC index firmly as soon as PC and EKL exceed the threshold ~2 mVm

bull As a whole rule PC and EKL cross the threshold simultaneously although sometimes EKL goes ahead PC sometimes PC goes ahead EKL

bull 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

bull When EKL (PC) slowly rises and reaches the maximum value only by the end of disturbed period the slow start storm pattern takes place

bull When EKL (PC) demonstrates repetitive strong enhancements and decreases the magnetic storm displays the appropriate multiple depressions with growth and damping phases

bull The persistent descend of PC (EKL) below the threshold level 2 mVm is indicative on the end of the storm main phase (damping phase) and transition to the storm recovery phase

bull The ldquoPC saturation effectrdquo is typical of events with the PC and EKL values gt 6 mVm

35

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 = -1732 - 1933EKL and Dst = 2313 - 3215PC It is particularly remarkable that correlation

between Dstmin and PC index turned out to be higher (R= - 079) than between Dst(min) and interplanetary electric field Em (R = - 074)

There is also the high correlation (R=095) between values Dst(decay) estimated for moments when EKL and PC firmly fall below the threshold level 2mVm

36

Зависимость интенсивности бури Dst от величин функции Еkl и РС индекса

bull 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)

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

Dst

(tra

ns)

n

T

EKL

(PC) damp mVm

EKL

PC

(a) Storm intensity Dst(peak) vs EKL

and PC values

(b) Storm parameter Dst_trans vs EKL and PC values

Dst

(pe

ak)

n

T

EKL

(PC) growth mVm

PC

EKL

37

Магнитные бури и магнитосферные суббуриразвивающиеся 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 ldquothere was a first energy storage in the magnetotail and then a delayed energy injection into the magnetosphererdquo

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

38

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 gt 800 kms

The Em drop below 2 mVm is noted only for short period from 2215 to 2330UT on January 21 but this drop is not confirmed by the PC index which was larger than 4 mVm at this time the EKL and PC values grew again above 4 mVm by 0200 UT as a result the geomagnetic storm was being continued

ConclusionThe storm of 21-22 January 2005

should be regarded as nothing out of the ordinary event if we examine behavior of PC index

39

Магнитосферные суббури при северном ММП (список Lee et al 2010) ndash cуббури с выраженным началом в АL индексе

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 mVm 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

Effect of ldquoPC index saturationrdquo typical of high values of coupling function is clearly revealed during substorm event of November 16 2000

40

Суббури при северном ММП без внезапного начала в АL индексе (список Lee et al 2010)

Behavior 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)

In events (a) and (b) the IMF BZN component was insignificant The respective EKL and PC quantities were higher than 6 mVm 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

In events (c) and (d) the value of the IMF BZN component was steadily high (gt10-20 nT) The coupling function EKL well responds to the IMF BY and BZN variations In average EKL and PC quantities were close to the threshold level 2 mVm the substorm intensity was correspondingly low (AEasymp100-250nT)

41

Развитие магнитосферных суббурь в условиях северного ММП (список Lee et al 2010)

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 ldquoPC saturation effectrdquo

Conclusion The high level of the EKL (and PC) values

under conditions of northward IMF is provided by the IMF BY component

42

Суббури триггируемые внезапным поворотом ММП в северу (или изменением полярности BY сомпоненты)

There are some features typical of ldquotriggeredrdquo 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 20ndash30 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

ConclusionldquoTriggeredrdquo substorms have no

relation to ldquonorthward IMF turningrdquo or BY reverse

43

Соотношение между laquocoupling functionraquo 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 increasing By in spite of northward IMF orientation the EKL value can be as large as 5-10 mVm

44

Выводы

bull 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 mVm even даже при северном ММП PC индекс растёт в соответствии с ростом величины EKL

bull 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 laquoэкстраординарные возмущенияraquo являются вдействительности обычными возмущениями Происходящими при необходимом и достаточном условии для развития суббурь (PC ge 15-17 mVm) или магнитных бурь (PC ge 2 mVm)

bull Та же ситуация верна и для суббурь триггируемых резких поворотом ММП к северу (laquonorthward turningraquo) 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

45

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

bull магнитные бури и магнитосферные суббури начинаются только в том случае если величина PC индекса превышает некий пороговый уровень (~ 2 mVm для бурь и gt15mVm для суббурь)

bull длительность фазы роста суббури и интенсивность суббури определяются скоростью нарастания РС индекса развитие суббури прекращается как только величина PC индекса падает ниже 1-15 mVm

bull продолжительность магнитной бури определяется длительностью периода когда PCgt2mVm и интенсивность бури (Dst_peak) линейно связана с величиной РС индекса усреднённой за длительность главной фазы

bull периодичность saw-tooth substorms происходящих в условиях устойчивого высокого уровня функции EKL определяется продолжительностью laquoфазы роста РС индексаraquo и laquoфазы спада РС индексаraquo сменяющих друг друга

bull Развитие бурь и суббурь лучше согласуется с ходом РС индекса чем с вариациями функции EKL

bull ldquoнеобычныеrdquo бури и суббури происходящие при воздействии северной компоненты ММП оказываются обычными возмущениями если рассматривать их в отношении к РС индексу и функции EKL

bull PC индекс адекватно реагирует на резкие изменения динамического давления солнечного ветра

46

Все рассмотренные выше закономерности приводят к заключению что РС индекс следует рассматривать как адекватный и удобный показатель (laquoproxyraquo) энергии солнечного ветра поступившей в ионосферу

Если придерживаться этой точки зрения становится очевидным почему бури и суббури лучше коррелируют с РС индексом чем с laquocoupling functionraquo 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

bull PCN httpwwwdmidkdmibull PCS httpwwwgeophysaariru

31

Взаимосвязь между РС индексом и магнитными бурями

Basic criteria taken to choose the magnetic storms for the analysis bullduration of magnetic storm should be longer than 12 hours bullthe 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 PCgt2 mVm

32

Поведение функции EKL и РС индекса и развитие магнитной бури (Dst)

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24-1

0

1

2

3

4

5

6

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

December 10 1998 (2207 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36

-100

-80

-60

-40

-20

0

February 28 1999 (1748 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

0 4 8 12 16 20 24 28 32-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Time hours

November 07 1998 (1102 UT)

0 4 8 12 16 20 24 28

024

8

12

16

20

24

0 4 8 12 16 20 24 28-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

April 11 2001 (1300 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20

0

4

8

12

16

20

24

28

0 4 8 12 16 20-400

-300

-200

-100

0

Time hours

November 07 2004 (1830 UT)

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-2

0

2

4

6

8

10

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-180

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

Em

(P

C)

m

Vm

October 01 2002 (0534 UT)

Dst

n

T

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-4

0

4

8

12

16

20

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-300

-250

-200

-150

-100

-50

Time hours

November 09 2004 (1105 UT)

33

Соотношение между Em РС и Dst для бурь разной мощности

0 4 8 12 16 20 24 28

0

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

(b) Dst = - (50-80) nT N=13

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

(c) Dst = - (80-100) nT N=11

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(e) Dst = - (130-160) nT N=10

0 4 8 12 16 20 240

2

4

6

8

10

12

0 4 8 12 16 20 24

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(f) Dst = - (160-240) nT N = 6

34

Results of examination for individual storms and for summary plots

bull The magnetic depression starts to develop when field EKL and PC index firmly as soon as PC and EKL exceed the threshold ~2 mVm

bull As a whole rule PC and EKL cross the threshold simultaneously although sometimes EKL goes ahead PC sometimes PC goes ahead EKL

bull 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

bull When EKL (PC) slowly rises and reaches the maximum value only by the end of disturbed period the slow start storm pattern takes place

bull When EKL (PC) demonstrates repetitive strong enhancements and decreases the magnetic storm displays the appropriate multiple depressions with growth and damping phases

bull The persistent descend of PC (EKL) below the threshold level 2 mVm is indicative on the end of the storm main phase (damping phase) and transition to the storm recovery phase

bull The ldquoPC saturation effectrdquo is typical of events with the PC and EKL values gt 6 mVm

35

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 = -1732 - 1933EKL and Dst = 2313 - 3215PC It is particularly remarkable that correlation

between Dstmin and PC index turned out to be higher (R= - 079) than between Dst(min) and interplanetary electric field Em (R = - 074)

There is also the high correlation (R=095) between values Dst(decay) estimated for moments when EKL and PC firmly fall below the threshold level 2mVm

36

Зависимость интенсивности бури Dst от величин функции Еkl и РС индекса

bull 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)

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

Dst

(tra

ns)

n

T

EKL

(PC) damp mVm

EKL

PC

(a) Storm intensity Dst(peak) vs EKL

and PC values

(b) Storm parameter Dst_trans vs EKL and PC values

Dst

(pe

ak)

n

T

EKL

(PC) growth mVm

PC

EKL

37

Магнитные бури и магнитосферные суббуриразвивающиеся 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 ldquothere was a first energy storage in the magnetotail and then a delayed energy injection into the magnetosphererdquo

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

38

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 gt 800 kms

The Em drop below 2 mVm is noted only for short period from 2215 to 2330UT on January 21 but this drop is not confirmed by the PC index which was larger than 4 mVm at this time the EKL and PC values grew again above 4 mVm by 0200 UT as a result the geomagnetic storm was being continued

ConclusionThe storm of 21-22 January 2005

should be regarded as nothing out of the ordinary event if we examine behavior of PC index

39

Магнитосферные суббури при северном ММП (список Lee et al 2010) ndash cуббури с выраженным началом в АL индексе

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 mVm 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

Effect of ldquoPC index saturationrdquo typical of high values of coupling function is clearly revealed during substorm event of November 16 2000

40

Суббури при северном ММП без внезапного начала в АL индексе (список Lee et al 2010)

Behavior 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)

In events (a) and (b) the IMF BZN component was insignificant The respective EKL and PC quantities were higher than 6 mVm 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

In events (c) and (d) the value of the IMF BZN component was steadily high (gt10-20 nT) The coupling function EKL well responds to the IMF BY and BZN variations In average EKL and PC quantities were close to the threshold level 2 mVm the substorm intensity was correspondingly low (AEasymp100-250nT)

41

Развитие магнитосферных суббурь в условиях северного ММП (список Lee et al 2010)

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 ldquoPC saturation effectrdquo

Conclusion The high level of the EKL (and PC) values

under conditions of northward IMF is provided by the IMF BY component

42

Суббури триггируемые внезапным поворотом ММП в северу (или изменением полярности BY сомпоненты)

There are some features typical of ldquotriggeredrdquo 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 20ndash30 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

ConclusionldquoTriggeredrdquo substorms have no

relation to ldquonorthward IMF turningrdquo or BY reverse

43

Соотношение между laquocoupling functionraquo 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 increasing By in spite of northward IMF orientation the EKL value can be as large as 5-10 mVm

44

Выводы

bull 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 mVm even даже при северном ММП PC индекс растёт в соответствии с ростом величины EKL

bull 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 laquoэкстраординарные возмущенияraquo являются вдействительности обычными возмущениями Происходящими при необходимом и достаточном условии для развития суббурь (PC ge 15-17 mVm) или магнитных бурь (PC ge 2 mVm)

bull Та же ситуация верна и для суббурь триггируемых резких поворотом ММП к северу (laquonorthward turningraquo) 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

45

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

bull магнитные бури и магнитосферные суббури начинаются только в том случае если величина PC индекса превышает некий пороговый уровень (~ 2 mVm для бурь и gt15mVm для суббурь)

bull длительность фазы роста суббури и интенсивность суббури определяются скоростью нарастания РС индекса развитие суббури прекращается как только величина PC индекса падает ниже 1-15 mVm

bull продолжительность магнитной бури определяется длительностью периода когда PCgt2mVm и интенсивность бури (Dst_peak) линейно связана с величиной РС индекса усреднённой за длительность главной фазы

bull периодичность saw-tooth substorms происходящих в условиях устойчивого высокого уровня функции EKL определяется продолжительностью laquoфазы роста РС индексаraquo и laquoфазы спада РС индексаraquo сменяющих друг друга

bull Развитие бурь и суббурь лучше согласуется с ходом РС индекса чем с вариациями функции EKL

bull ldquoнеобычныеrdquo бури и суббури происходящие при воздействии северной компоненты ММП оказываются обычными возмущениями если рассматривать их в отношении к РС индексу и функции EKL

bull PC индекс адекватно реагирует на резкие изменения динамического давления солнечного ветра

46

Все рассмотренные выше закономерности приводят к заключению что РС индекс следует рассматривать как адекватный и удобный показатель (laquoproxyraquo) энергии солнечного ветра поступившей в ионосферу

Если придерживаться этой точки зрения становится очевидным почему бури и суббури лучше коррелируют с РС индексом чем с laquocoupling functionraquo 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

bull PCN httpwwwdmidkdmibull PCS httpwwwgeophysaariru

32

Поведение функции EKL и РС индекса и развитие магнитной бури (Dst)

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24-1

0

1

2

3

4

5

6

-8 -4 0 4 8 12 16 20 24

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

December 10 1998 (2207 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36

-100

-80

-60

-40

-20

0

February 28 1999 (1748 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

0 4 8 12 16 20 24 28 32-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Time hours

November 07 1998 (1102 UT)

0 4 8 12 16 20 24 28

024

8

12

16

20

24

0 4 8 12 16 20 24 28-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

April 11 2001 (1300 UT)

Time hours

0 4 8 12 16 20

0

4

8

12

16

20

24

28

0 4 8 12 16 20-400

-300

-200

-100

0

Time hours

November 07 2004 (1830 UT)

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-2

0

2

4

6

8

10

-4 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-180

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

Em

(P

C)

m

Vm

October 01 2002 (0534 UT)

Dst

n

T

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-4

0

4

8

12

16

20

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-300

-250

-200

-150

-100

-50

Time hours

November 09 2004 (1105 UT)

33

Соотношение между Em РС и Dst для бурь разной мощности

0 4 8 12 16 20 24 28

0

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

(b) Dst = - (50-80) nT N=13

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

(c) Dst = - (80-100) nT N=11

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(e) Dst = - (130-160) nT N=10

0 4 8 12 16 20 240

2

4

6

8

10

12

0 4 8 12 16 20 24

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(f) Dst = - (160-240) nT N = 6

34

Results of examination for individual storms and for summary plots

bull The magnetic depression starts to develop when field EKL and PC index firmly as soon as PC and EKL exceed the threshold ~2 mVm

bull As a whole rule PC and EKL cross the threshold simultaneously although sometimes EKL goes ahead PC sometimes PC goes ahead EKL

bull 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

bull When EKL (PC) slowly rises and reaches the maximum value only by the end of disturbed period the slow start storm pattern takes place

bull When EKL (PC) demonstrates repetitive strong enhancements and decreases the magnetic storm displays the appropriate multiple depressions with growth and damping phases

bull The persistent descend of PC (EKL) below the threshold level 2 mVm is indicative on the end of the storm main phase (damping phase) and transition to the storm recovery phase

bull The ldquoPC saturation effectrdquo is typical of events with the PC and EKL values gt 6 mVm

35

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 = -1732 - 1933EKL and Dst = 2313 - 3215PC It is particularly remarkable that correlation

between Dstmin and PC index turned out to be higher (R= - 079) than between Dst(min) and interplanetary electric field Em (R = - 074)

There is also the high correlation (R=095) between values Dst(decay) estimated for moments when EKL and PC firmly fall below the threshold level 2mVm

36

Зависимость интенсивности бури Dst от величин функции Еkl и РС индекса

bull 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)

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

Dst

(tra

ns)

n

T

EKL

(PC) damp mVm

EKL

PC

(a) Storm intensity Dst(peak) vs EKL

and PC values

(b) Storm parameter Dst_trans vs EKL and PC values

Dst

(pe

ak)

n

T

EKL

(PC) growth mVm

PC

EKL

37

Магнитные бури и магнитосферные суббуриразвивающиеся 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 ldquothere was a first energy storage in the magnetotail and then a delayed energy injection into the magnetosphererdquo

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

38

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 gt 800 kms

The Em drop below 2 mVm is noted only for short period from 2215 to 2330UT on January 21 but this drop is not confirmed by the PC index which was larger than 4 mVm at this time the EKL and PC values grew again above 4 mVm by 0200 UT as a result the geomagnetic storm was being continued

ConclusionThe storm of 21-22 January 2005

should be regarded as nothing out of the ordinary event if we examine behavior of PC index

39

Магнитосферные суббури при северном ММП (список Lee et al 2010) ndash cуббури с выраженным началом в АL индексе

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 mVm 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

Effect of ldquoPC index saturationrdquo typical of high values of coupling function is clearly revealed during substorm event of November 16 2000

40

Суббури при северном ММП без внезапного начала в АL индексе (список Lee et al 2010)

Behavior 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)

In events (a) and (b) the IMF BZN component was insignificant The respective EKL and PC quantities were higher than 6 mVm 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

In events (c) and (d) the value of the IMF BZN component was steadily high (gt10-20 nT) The coupling function EKL well responds to the IMF BY and BZN variations In average EKL and PC quantities were close to the threshold level 2 mVm the substorm intensity was correspondingly low (AEasymp100-250nT)

41

Развитие магнитосферных суббурь в условиях северного ММП (список Lee et al 2010)

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 ldquoPC saturation effectrdquo

Conclusion The high level of the EKL (and PC) values

under conditions of northward IMF is provided by the IMF BY component

42

Суббури триггируемые внезапным поворотом ММП в северу (или изменением полярности BY сомпоненты)

There are some features typical of ldquotriggeredrdquo 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 20ndash30 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

ConclusionldquoTriggeredrdquo substorms have no

relation to ldquonorthward IMF turningrdquo or BY reverse

43

Соотношение между laquocoupling functionraquo 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 increasing By in spite of northward IMF orientation the EKL value can be as large as 5-10 mVm

44

Выводы

bull 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 mVm even даже при северном ММП PC индекс растёт в соответствии с ростом величины EKL

bull 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 laquoэкстраординарные возмущенияraquo являются вдействительности обычными возмущениями Происходящими при необходимом и достаточном условии для развития суббурь (PC ge 15-17 mVm) или магнитных бурь (PC ge 2 mVm)

bull Та же ситуация верна и для суббурь триггируемых резких поворотом ММП к северу (laquonorthward turningraquo) 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

45

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

bull магнитные бури и магнитосферные суббури начинаются только в том случае если величина PC индекса превышает некий пороговый уровень (~ 2 mVm для бурь и gt15mVm для суббурь)

bull длительность фазы роста суббури и интенсивность суббури определяются скоростью нарастания РС индекса развитие суббури прекращается как только величина PC индекса падает ниже 1-15 mVm

bull продолжительность магнитной бури определяется длительностью периода когда PCgt2mVm и интенсивность бури (Dst_peak) линейно связана с величиной РС индекса усреднённой за длительность главной фазы

bull периодичность saw-tooth substorms происходящих в условиях устойчивого высокого уровня функции EKL определяется продолжительностью laquoфазы роста РС индексаraquo и laquoфазы спада РС индексаraquo сменяющих друг друга

bull Развитие бурь и суббурь лучше согласуется с ходом РС индекса чем с вариациями функции EKL

bull ldquoнеобычныеrdquo бури и суббури происходящие при воздействии северной компоненты ММП оказываются обычными возмущениями если рассматривать их в отношении к РС индексу и функции EKL

bull PC индекс адекватно реагирует на резкие изменения динамического давления солнечного ветра

46

Все рассмотренные выше закономерности приводят к заключению что РС индекс следует рассматривать как адекватный и удобный показатель (laquoproxyraquo) энергии солнечного ветра поступившей в ионосферу

Если придерживаться этой точки зрения становится очевидным почему бури и суббури лучше коррелируют с РС индексом чем с laquocoupling functionraquo 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

bull PCN httpwwwdmidkdmibull PCS httpwwwgeophysaariru

33

Соотношение между Em РС и Dst для бурь разной мощности

0 4 8 12 16 20 24 28

0

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

(b) Dst = - (50-80) nT N=13

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

(c) Dst = - (80-100) nT N=11

Time hours

0 4 8 12 16 20 24 28 32 360

1

2

3

4

5

6

7

8

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(e) Dst = - (130-160) nT N=10

0 4 8 12 16 20 240

2

4

6

8

10

12

0 4 8 12 16 20 24

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Time hours

(f) Dst = - (160-240) nT N = 6

34

Results of examination for individual storms and for summary plots

bull The magnetic depression starts to develop when field EKL and PC index firmly as soon as PC and EKL exceed the threshold ~2 mVm

bull As a whole rule PC and EKL cross the threshold simultaneously although sometimes EKL goes ahead PC sometimes PC goes ahead EKL

bull 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

bull When EKL (PC) slowly rises and reaches the maximum value only by the end of disturbed period the slow start storm pattern takes place

bull When EKL (PC) demonstrates repetitive strong enhancements and decreases the magnetic storm displays the appropriate multiple depressions with growth and damping phases

bull The persistent descend of PC (EKL) below the threshold level 2 mVm is indicative on the end of the storm main phase (damping phase) and transition to the storm recovery phase

bull The ldquoPC saturation effectrdquo is typical of events with the PC and EKL values gt 6 mVm

35

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 = -1732 - 1933EKL and Dst = 2313 - 3215PC It is particularly remarkable that correlation

between Dstmin and PC index turned out to be higher (R= - 079) than between Dst(min) and interplanetary electric field Em (R = - 074)

There is also the high correlation (R=095) between values Dst(decay) estimated for moments when EKL and PC firmly fall below the threshold level 2mVm

36

Зависимость интенсивности бури Dst от величин функции Еkl и РС индекса

bull 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)

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

Dst

(tra

ns)

n

T

EKL

(PC) damp mVm

EKL

PC

(a) Storm intensity Dst(peak) vs EKL

and PC values

(b) Storm parameter Dst_trans vs EKL and PC values

Dst

(pe

ak)

n

T

EKL

(PC) growth mVm

PC

EKL

37

Магнитные бури и магнитосферные суббуриразвивающиеся 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 ldquothere was a first energy storage in the magnetotail and then a delayed energy injection into the magnetosphererdquo

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

38

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 gt 800 kms

The Em drop below 2 mVm is noted only for short period from 2215 to 2330UT on January 21 but this drop is not confirmed by the PC index which was larger than 4 mVm at this time the EKL and PC values grew again above 4 mVm by 0200 UT as a result the geomagnetic storm was being continued

ConclusionThe storm of 21-22 January 2005

should be regarded as nothing out of the ordinary event if we examine behavior of PC index

39

Магнитосферные суббури при северном ММП (список Lee et al 2010) ndash cуббури с выраженным началом в АL индексе

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 mVm 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

Effect of ldquoPC index saturationrdquo typical of high values of coupling function is clearly revealed during substorm event of November 16 2000

40

Суббури при северном ММП без внезапного начала в АL индексе (список Lee et al 2010)

Behavior 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)

In events (a) and (b) the IMF BZN component was insignificant The respective EKL and PC quantities were higher than 6 mVm 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

In events (c) and (d) the value of the IMF BZN component was steadily high (gt10-20 nT) The coupling function EKL well responds to the IMF BY and BZN variations In average EKL and PC quantities were close to the threshold level 2 mVm the substorm intensity was correspondingly low (AEasymp100-250nT)

41

Развитие магнитосферных суббурь в условиях северного ММП (список Lee et al 2010)

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 ldquoPC saturation effectrdquo

Conclusion The high level of the EKL (and PC) values

under conditions of northward IMF is provided by the IMF BY component

42

Суббури триггируемые внезапным поворотом ММП в северу (или изменением полярности BY сомпоненты)

There are some features typical of ldquotriggeredrdquo 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 20ndash30 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

ConclusionldquoTriggeredrdquo substorms have no

relation to ldquonorthward IMF turningrdquo or BY reverse

43

Соотношение между laquocoupling functionraquo 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 increasing By in spite of northward IMF orientation the EKL value can be as large as 5-10 mVm

44

Выводы

bull 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 mVm even даже при северном ММП PC индекс растёт в соответствии с ростом величины EKL

bull 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 laquoэкстраординарные возмущенияraquo являются вдействительности обычными возмущениями Происходящими при необходимом и достаточном условии для развития суббурь (PC ge 15-17 mVm) или магнитных бурь (PC ge 2 mVm)

bull Та же ситуация верна и для суббурь триггируемых резких поворотом ММП к северу (laquonorthward turningraquo) 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

45

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

bull магнитные бури и магнитосферные суббури начинаются только в том случае если величина PC индекса превышает некий пороговый уровень (~ 2 mVm для бурь и gt15mVm для суббурь)

bull длительность фазы роста суббури и интенсивность суббури определяются скоростью нарастания РС индекса развитие суббури прекращается как только величина PC индекса падает ниже 1-15 mVm

bull продолжительность магнитной бури определяется длительностью периода когда PCgt2mVm и интенсивность бури (Dst_peak) линейно связана с величиной РС индекса усреднённой за длительность главной фазы

bull периодичность saw-tooth substorms происходящих в условиях устойчивого высокого уровня функции EKL определяется продолжительностью laquoфазы роста РС индексаraquo и laquoфазы спада РС индексаraquo сменяющих друг друга

bull Развитие бурь и суббурь лучше согласуется с ходом РС индекса чем с вариациями функции EKL

bull ldquoнеобычныеrdquo бури и суббури происходящие при воздействии северной компоненты ММП оказываются обычными возмущениями если рассматривать их в отношении к РС индексу и функции EKL

bull PC индекс адекватно реагирует на резкие изменения динамического давления солнечного ветра

46

Все рассмотренные выше закономерности приводят к заключению что РС индекс следует рассматривать как адекватный и удобный показатель (laquoproxyraquo) энергии солнечного ветра поступившей в ионосферу

Если придерживаться этой точки зрения становится очевидным почему бури и суббури лучше коррелируют с РС индексом чем с laquocoupling functionraquo 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

bull PCN httpwwwdmidkdmibull PCS httpwwwgeophysaariru

34

Results of examination for individual storms and for summary plots

bull The magnetic depression starts to develop when field EKL and PC index firmly as soon as PC and EKL exceed the threshold ~2 mVm

bull As a whole rule PC and EKL cross the threshold simultaneously although sometimes EKL goes ahead PC sometimes PC goes ahead EKL

bull 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

bull When EKL (PC) slowly rises and reaches the maximum value only by the end of disturbed period the slow start storm pattern takes place

bull When EKL (PC) demonstrates repetitive strong enhancements and decreases the magnetic storm displays the appropriate multiple depressions with growth and damping phases

bull The persistent descend of PC (EKL) below the threshold level 2 mVm is indicative on the end of the storm main phase (damping phase) and transition to the storm recovery phase

bull The ldquoPC saturation effectrdquo is typical of events with the PC and EKL values gt 6 mVm

35

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 = -1732 - 1933EKL and Dst = 2313 - 3215PC It is particularly remarkable that correlation

between Dstmin and PC index turned out to be higher (R= - 079) than between Dst(min) and interplanetary electric field Em (R = - 074)

There is also the high correlation (R=095) between values Dst(decay) estimated for moments when EKL and PC firmly fall below the threshold level 2mVm

36

Зависимость интенсивности бури Dst от величин функции Еkl и РС индекса

bull 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)

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

Dst

(tra

ns)

n

T

EKL

(PC) damp mVm

EKL

PC

(a) Storm intensity Dst(peak) vs EKL

and PC values

(b) Storm parameter Dst_trans vs EKL and PC values

Dst

(pe

ak)

n

T

EKL

(PC) growth mVm

PC

EKL

37

Магнитные бури и магнитосферные суббуриразвивающиеся 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 ldquothere was a first energy storage in the magnetotail and then a delayed energy injection into the magnetosphererdquo

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

38

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 gt 800 kms

The Em drop below 2 mVm is noted only for short period from 2215 to 2330UT on January 21 but this drop is not confirmed by the PC index which was larger than 4 mVm at this time the EKL and PC values grew again above 4 mVm by 0200 UT as a result the geomagnetic storm was being continued

ConclusionThe storm of 21-22 January 2005

should be regarded as nothing out of the ordinary event if we examine behavior of PC index

39

Магнитосферные суббури при северном ММП (список Lee et al 2010) ndash cуббури с выраженным началом в АL индексе

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 mVm 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

Effect of ldquoPC index saturationrdquo typical of high values of coupling function is clearly revealed during substorm event of November 16 2000

40

Суббури при северном ММП без внезапного начала в АL индексе (список Lee et al 2010)

Behavior 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)

In events (a) and (b) the IMF BZN component was insignificant The respective EKL and PC quantities were higher than 6 mVm 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

In events (c) and (d) the value of the IMF BZN component was steadily high (gt10-20 nT) The coupling function EKL well responds to the IMF BY and BZN variations In average EKL and PC quantities were close to the threshold level 2 mVm the substorm intensity was correspondingly low (AEasymp100-250nT)

41

Развитие магнитосферных суббурь в условиях северного ММП (список Lee et al 2010)

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 ldquoPC saturation effectrdquo

Conclusion The high level of the EKL (and PC) values

under conditions of northward IMF is provided by the IMF BY component

42

Суббури триггируемые внезапным поворотом ММП в северу (или изменением полярности BY сомпоненты)

There are some features typical of ldquotriggeredrdquo 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 20ndash30 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

ConclusionldquoTriggeredrdquo substorms have no

relation to ldquonorthward IMF turningrdquo or BY reverse

43

Соотношение между laquocoupling functionraquo 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 increasing By in spite of northward IMF orientation the EKL value can be as large as 5-10 mVm

44

Выводы

bull 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 mVm even даже при северном ММП PC индекс растёт в соответствии с ростом величины EKL

bull 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 laquoэкстраординарные возмущенияraquo являются вдействительности обычными возмущениями Происходящими при необходимом и достаточном условии для развития суббурь (PC ge 15-17 mVm) или магнитных бурь (PC ge 2 mVm)

bull Та же ситуация верна и для суббурь триггируемых резких поворотом ММП к северу (laquonorthward turningraquo) 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

45

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

bull магнитные бури и магнитосферные суббури начинаются только в том случае если величина PC индекса превышает некий пороговый уровень (~ 2 mVm для бурь и gt15mVm для суббурь)

bull длительность фазы роста суббури и интенсивность суббури определяются скоростью нарастания РС индекса развитие суббури прекращается как только величина PC индекса падает ниже 1-15 mVm

bull продолжительность магнитной бури определяется длительностью периода когда PCgt2mVm и интенсивность бури (Dst_peak) линейно связана с величиной РС индекса усреднённой за длительность главной фазы

bull периодичность saw-tooth substorms происходящих в условиях устойчивого высокого уровня функции EKL определяется продолжительностью laquoфазы роста РС индексаraquo и laquoфазы спада РС индексаraquo сменяющих друг друга

bull Развитие бурь и суббурь лучше согласуется с ходом РС индекса чем с вариациями функции EKL

bull ldquoнеобычныеrdquo бури и суббури происходящие при воздействии северной компоненты ММП оказываются обычными возмущениями если рассматривать их в отношении к РС индексу и функции EKL

bull PC индекс адекватно реагирует на резкие изменения динамического давления солнечного ветра

46

Все рассмотренные выше закономерности приводят к заключению что РС индекс следует рассматривать как адекватный и удобный показатель (laquoproxyraquo) энергии солнечного ветра поступившей в ионосферу

Если придерживаться этой точки зрения становится очевидным почему бури и суббури лучше коррелируют с РС индексом чем с laquocoupling functionraquo 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

bull PCN httpwwwdmidkdmibull PCS httpwwwgeophysaariru

35

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 = -1732 - 1933EKL and Dst = 2313 - 3215PC It is particularly remarkable that correlation

between Dstmin and PC index turned out to be higher (R= - 079) than between Dst(min) and interplanetary electric field Em (R = - 074)

There is also the high correlation (R=095) between values Dst(decay) estimated for moments when EKL and PC firmly fall below the threshold level 2mVm

36

Зависимость интенсивности бури Dst от величин функции Еkl и РС индекса

bull 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)

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

Dst

(tra

ns)

n

T

EKL

(PC) damp mVm

EKL

PC

(a) Storm intensity Dst(peak) vs EKL

and PC values

(b) Storm parameter Dst_trans vs EKL and PC values

Dst

(pe

ak)

n

T

EKL

(PC) growth mVm

PC

EKL

37

Магнитные бури и магнитосферные суббуриразвивающиеся 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 ldquothere was a first energy storage in the magnetotail and then a delayed energy injection into the magnetosphererdquo

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

38

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 gt 800 kms

The Em drop below 2 mVm is noted only for short period from 2215 to 2330UT on January 21 but this drop is not confirmed by the PC index which was larger than 4 mVm at this time the EKL and PC values grew again above 4 mVm by 0200 UT as a result the geomagnetic storm was being continued

ConclusionThe storm of 21-22 January 2005

should be regarded as nothing out of the ordinary event if we examine behavior of PC index

39

Магнитосферные суббури при северном ММП (список Lee et al 2010) ndash cуббури с выраженным началом в АL индексе

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 mVm 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

Effect of ldquoPC index saturationrdquo typical of high values of coupling function is clearly revealed during substorm event of November 16 2000

40

Суббури при северном ММП без внезапного начала в АL индексе (список Lee et al 2010)

Behavior 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)

In events (a) and (b) the IMF BZN component was insignificant The respective EKL and PC quantities were higher than 6 mVm 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

In events (c) and (d) the value of the IMF BZN component was steadily high (gt10-20 nT) The coupling function EKL well responds to the IMF BY and BZN variations In average EKL and PC quantities were close to the threshold level 2 mVm the substorm intensity was correspondingly low (AEasymp100-250nT)

41

Развитие магнитосферных суббурь в условиях северного ММП (список Lee et al 2010)

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 ldquoPC saturation effectrdquo

Conclusion The high level of the EKL (and PC) values

under conditions of northward IMF is provided by the IMF BY component

42

Суббури триггируемые внезапным поворотом ММП в северу (или изменением полярности BY сомпоненты)

There are some features typical of ldquotriggeredrdquo 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 20ndash30 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

ConclusionldquoTriggeredrdquo substorms have no

relation to ldquonorthward IMF turningrdquo or BY reverse

43

Соотношение между laquocoupling functionraquo 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 increasing By in spite of northward IMF orientation the EKL value can be as large as 5-10 mVm

44

Выводы

bull 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 mVm even даже при северном ММП PC индекс растёт в соответствии с ростом величины EKL

bull 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 laquoэкстраординарные возмущенияraquo являются вдействительности обычными возмущениями Происходящими при необходимом и достаточном условии для развития суббурь (PC ge 15-17 mVm) или магнитных бурь (PC ge 2 mVm)

bull Та же ситуация верна и для суббурь триггируемых резких поворотом ММП к северу (laquonorthward turningraquo) 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

45

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

bull магнитные бури и магнитосферные суббури начинаются только в том случае если величина PC индекса превышает некий пороговый уровень (~ 2 mVm для бурь и gt15mVm для суббурь)

bull длительность фазы роста суббури и интенсивность суббури определяются скоростью нарастания РС индекса развитие суббури прекращается как только величина PC индекса падает ниже 1-15 mVm

bull продолжительность магнитной бури определяется длительностью периода когда PCgt2mVm и интенсивность бури (Dst_peak) линейно связана с величиной РС индекса усреднённой за длительность главной фазы

bull периодичность saw-tooth substorms происходящих в условиях устойчивого высокого уровня функции EKL определяется продолжительностью laquoфазы роста РС индексаraquo и laquoфазы спада РС индексаraquo сменяющих друг друга

bull Развитие бурь и суббурь лучше согласуется с ходом РС индекса чем с вариациями функции EKL

bull ldquoнеобычныеrdquo бури и суббури происходящие при воздействии северной компоненты ММП оказываются обычными возмущениями если рассматривать их в отношении к РС индексу и функции EKL

bull PC индекс адекватно реагирует на резкие изменения динамического давления солнечного ветра

46

Все рассмотренные выше закономерности приводят к заключению что РС индекс следует рассматривать как адекватный и удобный показатель (laquoproxyraquo) энергии солнечного ветра поступившей в ионосферу

Если придерживаться этой точки зрения становится очевидным почему бури и суббури лучше коррелируют с РС индексом чем с laquocoupling functionraquo 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

bull PCN httpwwwdmidkdmibull PCS httpwwwgeophysaariru

36

Зависимость интенсивности бури Dst от величин функции Еkl и РС индекса

bull 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)

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

0 2 4 6 8 10 120

-50

-100

-150

-200

-250

-300

-350

-400

Dst

(tra

ns)

n

T

EKL

(PC) damp mVm

EKL

PC

(a) Storm intensity Dst(peak) vs EKL

and PC values

(b) Storm parameter Dst_trans vs EKL and PC values

Dst

(pe

ak)

n

T

EKL

(PC) growth mVm

PC

EKL

37

Магнитные бури и магнитосферные суббуриразвивающиеся 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 ldquothere was a first energy storage in the magnetotail and then a delayed energy injection into the magnetosphererdquo

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

38

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 gt 800 kms

The Em drop below 2 mVm is noted only for short period from 2215 to 2330UT on January 21 but this drop is not confirmed by the PC index which was larger than 4 mVm at this time the EKL and PC values grew again above 4 mVm by 0200 UT as a result the geomagnetic storm was being continued

ConclusionThe storm of 21-22 January 2005

should be regarded as nothing out of the ordinary event if we examine behavior of PC index

39

Магнитосферные суббури при северном ММП (список Lee et al 2010) ndash cуббури с выраженным началом в АL индексе

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 mVm 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

Effect of ldquoPC index saturationrdquo typical of high values of coupling function is clearly revealed during substorm event of November 16 2000

40

Суббури при северном ММП без внезапного начала в АL индексе (список Lee et al 2010)

Behavior 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)

In events (a) and (b) the IMF BZN component was insignificant The respective EKL and PC quantities were higher than 6 mVm 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

In events (c) and (d) the value of the IMF BZN component was steadily high (gt10-20 nT) The coupling function EKL well responds to the IMF BY and BZN variations In average EKL and PC quantities were close to the threshold level 2 mVm the substorm intensity was correspondingly low (AEasymp100-250nT)

41

Развитие магнитосферных суббурь в условиях северного ММП (список Lee et al 2010)

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 ldquoPC saturation effectrdquo

Conclusion The high level of the EKL (and PC) values

under conditions of northward IMF is provided by the IMF BY component

42

Суббури триггируемые внезапным поворотом ММП в северу (или изменением полярности BY сомпоненты)

There are some features typical of ldquotriggeredrdquo 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 20ndash30 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

ConclusionldquoTriggeredrdquo substorms have no

relation to ldquonorthward IMF turningrdquo or BY reverse

43

Соотношение между laquocoupling functionraquo 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 increasing By in spite of northward IMF orientation the EKL value can be as large as 5-10 mVm

44

Выводы

bull 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 mVm even даже при северном ММП PC индекс растёт в соответствии с ростом величины EKL

bull 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 laquoэкстраординарные возмущенияraquo являются вдействительности обычными возмущениями Происходящими при необходимом и достаточном условии для развития суббурь (PC ge 15-17 mVm) или магнитных бурь (PC ge 2 mVm)

bull Та же ситуация верна и для суббурь триггируемых резких поворотом ММП к северу (laquonorthward turningraquo) 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

45

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

bull магнитные бури и магнитосферные суббури начинаются только в том случае если величина PC индекса превышает некий пороговый уровень (~ 2 mVm для бурь и gt15mVm для суббурь)

bull длительность фазы роста суббури и интенсивность суббури определяются скоростью нарастания РС индекса развитие суббури прекращается как только величина PC индекса падает ниже 1-15 mVm

bull продолжительность магнитной бури определяется длительностью периода когда PCgt2mVm и интенсивность бури (Dst_peak) линейно связана с величиной РС индекса усреднённой за длительность главной фазы

bull периодичность saw-tooth substorms происходящих в условиях устойчивого высокого уровня функции EKL определяется продолжительностью laquoфазы роста РС индексаraquo и laquoфазы спада РС индексаraquo сменяющих друг друга

bull Развитие бурь и суббурь лучше согласуется с ходом РС индекса чем с вариациями функции EKL

bull ldquoнеобычныеrdquo бури и суббури происходящие при воздействии северной компоненты ММП оказываются обычными возмущениями если рассматривать их в отношении к РС индексу и функции EKL

bull PC индекс адекватно реагирует на резкие изменения динамического давления солнечного ветра

46

Все рассмотренные выше закономерности приводят к заключению что РС индекс следует рассматривать как адекватный и удобный показатель (laquoproxyraquo) энергии солнечного ветра поступившей в ионосферу

Если придерживаться этой точки зрения становится очевидным почему бури и суббури лучше коррелируют с РС индексом чем с laquocoupling functionraquo 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

bull PCN httpwwwdmidkdmibull PCS httpwwwgeophysaariru

37

Магнитные бури и магнитосферные суббуриразвивающиеся 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 ldquothere was a first energy storage in the magnetotail and then a delayed energy injection into the magnetosphererdquo

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

38

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 gt 800 kms

The Em drop below 2 mVm is noted only for short period from 2215 to 2330UT on January 21 but this drop is not confirmed by the PC index which was larger than 4 mVm at this time the EKL and PC values grew again above 4 mVm by 0200 UT as a result the geomagnetic storm was being continued

ConclusionThe storm of 21-22 January 2005

should be regarded as nothing out of the ordinary event if we examine behavior of PC index

39

Магнитосферные суббури при северном ММП (список Lee et al 2010) ndash cуббури с выраженным началом в АL индексе

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 mVm 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

Effect of ldquoPC index saturationrdquo typical of high values of coupling function is clearly revealed during substorm event of November 16 2000

40

Суббури при северном ММП без внезапного начала в АL индексе (список Lee et al 2010)

Behavior 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)

In events (a) and (b) the IMF BZN component was insignificant The respective EKL and PC quantities were higher than 6 mVm 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

In events (c) and (d) the value of the IMF BZN component was steadily high (gt10-20 nT) The coupling function EKL well responds to the IMF BY and BZN variations In average EKL and PC quantities were close to the threshold level 2 mVm the substorm intensity was correspondingly low (AEasymp100-250nT)

41

Развитие магнитосферных суббурь в условиях северного ММП (список Lee et al 2010)

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 ldquoPC saturation effectrdquo

Conclusion The high level of the EKL (and PC) values

under conditions of northward IMF is provided by the IMF BY component

42

Суббури триггируемые внезапным поворотом ММП в северу (или изменением полярности BY сомпоненты)

There are some features typical of ldquotriggeredrdquo 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 20ndash30 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

ConclusionldquoTriggeredrdquo substorms have no

relation to ldquonorthward IMF turningrdquo or BY reverse

43

Соотношение между laquocoupling functionraquo 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 increasing By in spite of northward IMF orientation the EKL value can be as large as 5-10 mVm

44

Выводы

bull 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 mVm even даже при северном ММП PC индекс растёт в соответствии с ростом величины EKL

bull 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 laquoэкстраординарные возмущенияraquo являются вдействительности обычными возмущениями Происходящими при необходимом и достаточном условии для развития суббурь (PC ge 15-17 mVm) или магнитных бурь (PC ge 2 mVm)

bull Та же ситуация верна и для суббурь триггируемых резких поворотом ММП к северу (laquonorthward turningraquo) 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

45

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

bull магнитные бури и магнитосферные суббури начинаются только в том случае если величина PC индекса превышает некий пороговый уровень (~ 2 mVm для бурь и gt15mVm для суббурь)

bull длительность фазы роста суббури и интенсивность суббури определяются скоростью нарастания РС индекса развитие суббури прекращается как только величина PC индекса падает ниже 1-15 mVm

bull продолжительность магнитной бури определяется длительностью периода когда PCgt2mVm и интенсивность бури (Dst_peak) линейно связана с величиной РС индекса усреднённой за длительность главной фазы

bull периодичность saw-tooth substorms происходящих в условиях устойчивого высокого уровня функции EKL определяется продолжительностью laquoфазы роста РС индексаraquo и laquoфазы спада РС индексаraquo сменяющих друг друга

bull Развитие бурь и суббурь лучше согласуется с ходом РС индекса чем с вариациями функции EKL

bull ldquoнеобычныеrdquo бури и суббури происходящие при воздействии северной компоненты ММП оказываются обычными возмущениями если рассматривать их в отношении к РС индексу и функции EKL

bull PC индекс адекватно реагирует на резкие изменения динамического давления солнечного ветра

46

Все рассмотренные выше закономерности приводят к заключению что РС индекс следует рассматривать как адекватный и удобный показатель (laquoproxyraquo) энергии солнечного ветра поступившей в ионосферу

Если придерживаться этой точки зрения становится очевидным почему бури и суббури лучше коррелируют с РС индексом чем с laquocoupling functionraquo 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

bull PCN httpwwwdmidkdmibull PCS httpwwwgeophysaariru

38

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 gt 800 kms

The Em drop below 2 mVm is noted only for short period from 2215 to 2330UT on January 21 but this drop is not confirmed by the PC index which was larger than 4 mVm at this time the EKL and PC values grew again above 4 mVm by 0200 UT as a result the geomagnetic storm was being continued

ConclusionThe storm of 21-22 January 2005

should be regarded as nothing out of the ordinary event if we examine behavior of PC index

39

Магнитосферные суббури при северном ММП (список Lee et al 2010) ndash cуббури с выраженным началом в АL индексе

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 mVm 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

Effect of ldquoPC index saturationrdquo typical of high values of coupling function is clearly revealed during substorm event of November 16 2000

40

Суббури при северном ММП без внезапного начала в АL индексе (список Lee et al 2010)

Behavior 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)

In events (a) and (b) the IMF BZN component was insignificant The respective EKL and PC quantities were higher than 6 mVm 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

In events (c) and (d) the value of the IMF BZN component was steadily high (gt10-20 nT) The coupling function EKL well responds to the IMF BY and BZN variations In average EKL and PC quantities were close to the threshold level 2 mVm the substorm intensity was correspondingly low (AEasymp100-250nT)

41

Развитие магнитосферных суббурь в условиях северного ММП (список Lee et al 2010)

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 ldquoPC saturation effectrdquo

Conclusion The high level of the EKL (and PC) values

under conditions of northward IMF is provided by the IMF BY component

42

Суббури триггируемые внезапным поворотом ММП в северу (или изменением полярности BY сомпоненты)

There are some features typical of ldquotriggeredrdquo 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 20ndash30 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

ConclusionldquoTriggeredrdquo substorms have no

relation to ldquonorthward IMF turningrdquo or BY reverse

43

Соотношение между laquocoupling functionraquo 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 increasing By in spite of northward IMF orientation the EKL value can be as large as 5-10 mVm

44

Выводы

bull 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 mVm even даже при северном ММП PC индекс растёт в соответствии с ростом величины EKL

bull 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 laquoэкстраординарные возмущенияraquo являются вдействительности обычными возмущениями Происходящими при необходимом и достаточном условии для развития суббурь (PC ge 15-17 mVm) или магнитных бурь (PC ge 2 mVm)

bull Та же ситуация верна и для суббурь триггируемых резких поворотом ММП к северу (laquonorthward turningraquo) 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

45

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

bull магнитные бури и магнитосферные суббури начинаются только в том случае если величина PC индекса превышает некий пороговый уровень (~ 2 mVm для бурь и gt15mVm для суббурь)

bull длительность фазы роста суббури и интенсивность суббури определяются скоростью нарастания РС индекса развитие суббури прекращается как только величина PC индекса падает ниже 1-15 mVm

bull продолжительность магнитной бури определяется длительностью периода когда PCgt2mVm и интенсивность бури (Dst_peak) линейно связана с величиной РС индекса усреднённой за длительность главной фазы

bull периодичность saw-tooth substorms происходящих в условиях устойчивого высокого уровня функции EKL определяется продолжительностью laquoфазы роста РС индексаraquo и laquoфазы спада РС индексаraquo сменяющих друг друга

bull Развитие бурь и суббурь лучше согласуется с ходом РС индекса чем с вариациями функции EKL

bull ldquoнеобычныеrdquo бури и суббури происходящие при воздействии северной компоненты ММП оказываются обычными возмущениями если рассматривать их в отношении к РС индексу и функции EKL

bull PC индекс адекватно реагирует на резкие изменения динамического давления солнечного ветра

46

Все рассмотренные выше закономерности приводят к заключению что РС индекс следует рассматривать как адекватный и удобный показатель (laquoproxyraquo) энергии солнечного ветра поступившей в ионосферу

Если придерживаться этой точки зрения становится очевидным почему бури и суббури лучше коррелируют с РС индексом чем с laquocoupling functionraquo 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

bull PCN httpwwwdmidkdmibull PCS httpwwwgeophysaariru

39

Магнитосферные суббури при северном ММП (список Lee et al 2010) ndash cуббури с выраженным началом в АL индексе

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 mVm 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

Effect of ldquoPC index saturationrdquo typical of high values of coupling function is clearly revealed during substorm event of November 16 2000

40

Суббури при северном ММП без внезапного начала в АL индексе (список Lee et al 2010)

Behavior 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)

In events (a) and (b) the IMF BZN component was insignificant The respective EKL and PC quantities were higher than 6 mVm 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

In events (c) and (d) the value of the IMF BZN component was steadily high (gt10-20 nT) The coupling function EKL well responds to the IMF BY and BZN variations In average EKL and PC quantities were close to the threshold level 2 mVm the substorm intensity was correspondingly low (AEasymp100-250nT)

41

Развитие магнитосферных суббурь в условиях северного ММП (список Lee et al 2010)

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 ldquoPC saturation effectrdquo

Conclusion The high level of the EKL (and PC) values

under conditions of northward IMF is provided by the IMF BY component

42

Суббури триггируемые внезапным поворотом ММП в северу (или изменением полярности BY сомпоненты)

There are some features typical of ldquotriggeredrdquo 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 20ndash30 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

ConclusionldquoTriggeredrdquo substorms have no

relation to ldquonorthward IMF turningrdquo or BY reverse

43

Соотношение между laquocoupling functionraquo 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 increasing By in spite of northward IMF orientation the EKL value can be as large as 5-10 mVm

44

Выводы

bull 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 mVm even даже при северном ММП PC индекс растёт в соответствии с ростом величины EKL

bull 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 laquoэкстраординарные возмущенияraquo являются вдействительности обычными возмущениями Происходящими при необходимом и достаточном условии для развития суббурь (PC ge 15-17 mVm) или магнитных бурь (PC ge 2 mVm)

bull Та же ситуация верна и для суббурь триггируемых резких поворотом ММП к северу (laquonorthward turningraquo) 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

45

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

bull магнитные бури и магнитосферные суббури начинаются только в том случае если величина PC индекса превышает некий пороговый уровень (~ 2 mVm для бурь и gt15mVm для суббурь)

bull длительность фазы роста суббури и интенсивность суббури определяются скоростью нарастания РС индекса развитие суббури прекращается как только величина PC индекса падает ниже 1-15 mVm

bull продолжительность магнитной бури определяется длительностью периода когда PCgt2mVm и интенсивность бури (Dst_peak) линейно связана с величиной РС индекса усреднённой за длительность главной фазы

bull периодичность saw-tooth substorms происходящих в условиях устойчивого высокого уровня функции EKL определяется продолжительностью laquoфазы роста РС индексаraquo и laquoфазы спада РС индексаraquo сменяющих друг друга

bull Развитие бурь и суббурь лучше согласуется с ходом РС индекса чем с вариациями функции EKL

bull ldquoнеобычныеrdquo бури и суббури происходящие при воздействии северной компоненты ММП оказываются обычными возмущениями если рассматривать их в отношении к РС индексу и функции EKL

bull PC индекс адекватно реагирует на резкие изменения динамического давления солнечного ветра

46

Все рассмотренные выше закономерности приводят к заключению что РС индекс следует рассматривать как адекватный и удобный показатель (laquoproxyraquo) энергии солнечного ветра поступившей в ионосферу

Если придерживаться этой точки зрения становится очевидным почему бури и суббури лучше коррелируют с РС индексом чем с laquocoupling functionraquo 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

bull PCN httpwwwdmidkdmibull PCS httpwwwgeophysaariru

40

Суббури при северном ММП без внезапного начала в АL индексе (список Lee et al 2010)

Behavior 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)

In events (a) and (b) the IMF BZN component was insignificant The respective EKL and PC quantities were higher than 6 mVm 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

In events (c) and (d) the value of the IMF BZN component was steadily high (gt10-20 nT) The coupling function EKL well responds to the IMF BY and BZN variations In average EKL and PC quantities were close to the threshold level 2 mVm the substorm intensity was correspondingly low (AEasymp100-250nT)

41

Развитие магнитосферных суббурь в условиях северного ММП (список Lee et al 2010)

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 ldquoPC saturation effectrdquo

Conclusion The high level of the EKL (and PC) values

under conditions of northward IMF is provided by the IMF BY component

42

Суббури триггируемые внезапным поворотом ММП в северу (или изменением полярности BY сомпоненты)

There are some features typical of ldquotriggeredrdquo 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 20ndash30 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

ConclusionldquoTriggeredrdquo substorms have no

relation to ldquonorthward IMF turningrdquo or BY reverse

43

Соотношение между laquocoupling functionraquo 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 increasing By in spite of northward IMF orientation the EKL value can be as large as 5-10 mVm

44

Выводы

bull 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 mVm even даже при северном ММП PC индекс растёт в соответствии с ростом величины EKL

bull 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 laquoэкстраординарные возмущенияraquo являются вдействительности обычными возмущениями Происходящими при необходимом и достаточном условии для развития суббурь (PC ge 15-17 mVm) или магнитных бурь (PC ge 2 mVm)

bull Та же ситуация верна и для суббурь триггируемых резких поворотом ММП к северу (laquonorthward turningraquo) 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

45

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

bull магнитные бури и магнитосферные суббури начинаются только в том случае если величина PC индекса превышает некий пороговый уровень (~ 2 mVm для бурь и gt15mVm для суббурь)

bull длительность фазы роста суббури и интенсивность суббури определяются скоростью нарастания РС индекса развитие суббури прекращается как только величина PC индекса падает ниже 1-15 mVm

bull продолжительность магнитной бури определяется длительностью периода когда PCgt2mVm и интенсивность бури (Dst_peak) линейно связана с величиной РС индекса усреднённой за длительность главной фазы

bull периодичность saw-tooth substorms происходящих в условиях устойчивого высокого уровня функции EKL определяется продолжительностью laquoфазы роста РС индексаraquo и laquoфазы спада РС индексаraquo сменяющих друг друга

bull Развитие бурь и суббурь лучше согласуется с ходом РС индекса чем с вариациями функции EKL

bull ldquoнеобычныеrdquo бури и суббури происходящие при воздействии северной компоненты ММП оказываются обычными возмущениями если рассматривать их в отношении к РС индексу и функции EKL

bull PC индекс адекватно реагирует на резкие изменения динамического давления солнечного ветра

46

Все рассмотренные выше закономерности приводят к заключению что РС индекс следует рассматривать как адекватный и удобный показатель (laquoproxyraquo) энергии солнечного ветра поступившей в ионосферу

Если придерживаться этой точки зрения становится очевидным почему бури и суббури лучше коррелируют с РС индексом чем с laquocoupling functionraquo 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

bull PCN httpwwwdmidkdmibull PCS httpwwwgeophysaariru

41

Развитие магнитосферных суббурь в условиях северного ММП (список Lee et al 2010)

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 ldquoPC saturation effectrdquo

Conclusion The high level of the EKL (and PC) values

under conditions of northward IMF is provided by the IMF BY component

42

Суббури триггируемые внезапным поворотом ММП в северу (или изменением полярности BY сомпоненты)

There are some features typical of ldquotriggeredrdquo 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 20ndash30 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

ConclusionldquoTriggeredrdquo substorms have no

relation to ldquonorthward IMF turningrdquo or BY reverse

43

Соотношение между laquocoupling functionraquo 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 increasing By in spite of northward IMF orientation the EKL value can be as large as 5-10 mVm

44

Выводы

bull 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 mVm even даже при северном ММП PC индекс растёт в соответствии с ростом величины EKL

bull 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 laquoэкстраординарные возмущенияraquo являются вдействительности обычными возмущениями Происходящими при необходимом и достаточном условии для развития суббурь (PC ge 15-17 mVm) или магнитных бурь (PC ge 2 mVm)

bull Та же ситуация верна и для суббурь триггируемых резких поворотом ММП к северу (laquonorthward turningraquo) 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

45

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

bull магнитные бури и магнитосферные суббури начинаются только в том случае если величина PC индекса превышает некий пороговый уровень (~ 2 mVm для бурь и gt15mVm для суббурь)

bull длительность фазы роста суббури и интенсивность суббури определяются скоростью нарастания РС индекса развитие суббури прекращается как только величина PC индекса падает ниже 1-15 mVm

bull продолжительность магнитной бури определяется длительностью периода когда PCgt2mVm и интенсивность бури (Dst_peak) линейно связана с величиной РС индекса усреднённой за длительность главной фазы

bull периодичность saw-tooth substorms происходящих в условиях устойчивого высокого уровня функции EKL определяется продолжительностью laquoфазы роста РС индексаraquo и laquoфазы спада РС индексаraquo сменяющих друг друга

bull Развитие бурь и суббурь лучше согласуется с ходом РС индекса чем с вариациями функции EKL

bull ldquoнеобычныеrdquo бури и суббури происходящие при воздействии северной компоненты ММП оказываются обычными возмущениями если рассматривать их в отношении к РС индексу и функции EKL

bull PC индекс адекватно реагирует на резкие изменения динамического давления солнечного ветра

46

Все рассмотренные выше закономерности приводят к заключению что РС индекс следует рассматривать как адекватный и удобный показатель (laquoproxyraquo) энергии солнечного ветра поступившей в ионосферу

Если придерживаться этой точки зрения становится очевидным почему бури и суббури лучше коррелируют с РС индексом чем с laquocoupling functionraquo 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

bull PCN httpwwwdmidkdmibull PCS httpwwwgeophysaariru

42

Суббури триггируемые внезапным поворотом ММП в северу (или изменением полярности BY сомпоненты)

There are some features typical of ldquotriggeredrdquo 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 20ndash30 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

ConclusionldquoTriggeredrdquo substorms have no

relation to ldquonorthward IMF turningrdquo or BY reverse

43

Соотношение между laquocoupling functionraquo 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 increasing By in spite of northward IMF orientation the EKL value can be as large as 5-10 mVm

44

Выводы

bull 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 mVm even даже при северном ММП PC индекс растёт в соответствии с ростом величины EKL

bull 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 laquoэкстраординарные возмущенияraquo являются вдействительности обычными возмущениями Происходящими при необходимом и достаточном условии для развития суббурь (PC ge 15-17 mVm) или магнитных бурь (PC ge 2 mVm)

bull Та же ситуация верна и для суббурь триггируемых резких поворотом ММП к северу (laquonorthward turningraquo) 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

45

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

bull магнитные бури и магнитосферные суббури начинаются только в том случае если величина PC индекса превышает некий пороговый уровень (~ 2 mVm для бурь и gt15mVm для суббурь)

bull длительность фазы роста суббури и интенсивность суббури определяются скоростью нарастания РС индекса развитие суббури прекращается как только величина PC индекса падает ниже 1-15 mVm

bull продолжительность магнитной бури определяется длительностью периода когда PCgt2mVm и интенсивность бури (Dst_peak) линейно связана с величиной РС индекса усреднённой за длительность главной фазы

bull периодичность saw-tooth substorms происходящих в условиях устойчивого высокого уровня функции EKL определяется продолжительностью laquoфазы роста РС индексаraquo и laquoфазы спада РС индексаraquo сменяющих друг друга

bull Развитие бурь и суббурь лучше согласуется с ходом РС индекса чем с вариациями функции EKL

bull ldquoнеобычныеrdquo бури и суббури происходящие при воздействии северной компоненты ММП оказываются обычными возмущениями если рассматривать их в отношении к РС индексу и функции EKL

bull PC индекс адекватно реагирует на резкие изменения динамического давления солнечного ветра

46

Все рассмотренные выше закономерности приводят к заключению что РС индекс следует рассматривать как адекватный и удобный показатель (laquoproxyraquo) энергии солнечного ветра поступившей в ионосферу

Если придерживаться этой точки зрения становится очевидным почему бури и суббури лучше коррелируют с РС индексом чем с laquocoupling functionraquo 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

bull PCN httpwwwdmidkdmibull PCS httpwwwgeophysaariru

43

Соотношение между laquocoupling functionraquo 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 increasing By in spite of northward IMF orientation the EKL value can be as large as 5-10 mVm

44

Выводы

bull 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 mVm even даже при северном ММП PC индекс растёт в соответствии с ростом величины EKL

bull 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 laquoэкстраординарные возмущенияraquo являются вдействительности обычными возмущениями Происходящими при необходимом и достаточном условии для развития суббурь (PC ge 15-17 mVm) или магнитных бурь (PC ge 2 mVm)

bull Та же ситуация верна и для суббурь триггируемых резких поворотом ММП к северу (laquonorthward turningraquo) 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

45

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

bull магнитные бури и магнитосферные суббури начинаются только в том случае если величина PC индекса превышает некий пороговый уровень (~ 2 mVm для бурь и gt15mVm для суббурь)

bull длительность фазы роста суббури и интенсивность суббури определяются скоростью нарастания РС индекса развитие суббури прекращается как только величина PC индекса падает ниже 1-15 mVm

bull продолжительность магнитной бури определяется длительностью периода когда PCgt2mVm и интенсивность бури (Dst_peak) линейно связана с величиной РС индекса усреднённой за длительность главной фазы

bull периодичность saw-tooth substorms происходящих в условиях устойчивого высокого уровня функции EKL определяется продолжительностью laquoфазы роста РС индексаraquo и laquoфазы спада РС индексаraquo сменяющих друг друга

bull Развитие бурь и суббурь лучше согласуется с ходом РС индекса чем с вариациями функции EKL

bull ldquoнеобычныеrdquo бури и суббури происходящие при воздействии северной компоненты ММП оказываются обычными возмущениями если рассматривать их в отношении к РС индексу и функции EKL

bull PC индекс адекватно реагирует на резкие изменения динамического давления солнечного ветра

46

Все рассмотренные выше закономерности приводят к заключению что РС индекс следует рассматривать как адекватный и удобный показатель (laquoproxyraquo) энергии солнечного ветра поступившей в ионосферу

Если придерживаться этой точки зрения становится очевидным почему бури и суббури лучше коррелируют с РС индексом чем с laquocoupling functionraquo 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

bull PCN httpwwwdmidkdmibull PCS httpwwwgeophysaariru

44

Выводы

bull 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 mVm even даже при северном ММП PC индекс растёт в соответствии с ростом величины EKL

bull 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 laquoэкстраординарные возмущенияraquo являются вдействительности обычными возмущениями Происходящими при необходимом и достаточном условии для развития суббурь (PC ge 15-17 mVm) или магнитных бурь (PC ge 2 mVm)

bull Та же ситуация верна и для суббурь триггируемых резких поворотом ММП к северу (laquonorthward turningraquo) 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

45

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

bull магнитные бури и магнитосферные суббури начинаются только в том случае если величина PC индекса превышает некий пороговый уровень (~ 2 mVm для бурь и gt15mVm для суббурь)

bull длительность фазы роста суббури и интенсивность суббури определяются скоростью нарастания РС индекса развитие суббури прекращается как только величина PC индекса падает ниже 1-15 mVm

bull продолжительность магнитной бури определяется длительностью периода когда PCgt2mVm и интенсивность бури (Dst_peak) линейно связана с величиной РС индекса усреднённой за длительность главной фазы

bull периодичность saw-tooth substorms происходящих в условиях устойчивого высокого уровня функции EKL определяется продолжительностью laquoфазы роста РС индексаraquo и laquoфазы спада РС индексаraquo сменяющих друг друга

bull Развитие бурь и суббурь лучше согласуется с ходом РС индекса чем с вариациями функции EKL

bull ldquoнеобычныеrdquo бури и суббури происходящие при воздействии северной компоненты ММП оказываются обычными возмущениями если рассматривать их в отношении к РС индексу и функции EKL

bull PC индекс адекватно реагирует на резкие изменения динамического давления солнечного ветра

46

Все рассмотренные выше закономерности приводят к заключению что РС индекс следует рассматривать как адекватный и удобный показатель (laquoproxyraquo) энергии солнечного ветра поступившей в ионосферу

Если придерживаться этой точки зрения становится очевидным почему бури и суббури лучше коррелируют с РС индексом чем с laquocoupling functionraquo 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

bull PCN httpwwwdmidkdmibull PCS httpwwwgeophysaariru

45

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

bull магнитные бури и магнитосферные суббури начинаются только в том случае если величина PC индекса превышает некий пороговый уровень (~ 2 mVm для бурь и gt15mVm для суббурь)

bull длительность фазы роста суббури и интенсивность суббури определяются скоростью нарастания РС индекса развитие суббури прекращается как только величина PC индекса падает ниже 1-15 mVm

bull продолжительность магнитной бури определяется длительностью периода когда PCgt2mVm и интенсивность бури (Dst_peak) линейно связана с величиной РС индекса усреднённой за длительность главной фазы

bull периодичность saw-tooth substorms происходящих в условиях устойчивого высокого уровня функции EKL определяется продолжительностью laquoфазы роста РС индексаraquo и laquoфазы спада РС индексаraquo сменяющих друг друга

bull Развитие бурь и суббурь лучше согласуется с ходом РС индекса чем с вариациями функции EKL

bull ldquoнеобычныеrdquo бури и суббури происходящие при воздействии северной компоненты ММП оказываются обычными возмущениями если рассматривать их в отношении к РС индексу и функции EKL

bull PC индекс адекватно реагирует на резкие изменения динамического давления солнечного ветра

46

Все рассмотренные выше закономерности приводят к заключению что РС индекс следует рассматривать как адекватный и удобный показатель (laquoproxyraquo) энергии солнечного ветра поступившей в ионосферу

Если придерживаться этой точки зрения становится очевидным почему бури и суббури лучше коррелируют с РС индексом чем с laquocoupling functionraquo 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

bull PCN httpwwwdmidkdmibull PCS httpwwwgeophysaariru

46

Все рассмотренные выше закономерности приводят к заключению что РС индекс следует рассматривать как адекватный и удобный показатель (laquoproxyraquo) энергии солнечного ветра поступившей в ионосферу

Если придерживаться этой точки зрения становится очевидным почему бури и суббури лучше коррелируют с РС индексом чем с laquocoupling functionraquo 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

bull PCN httpwwwdmidkdmibull PCS httpwwwgeophysaariru

47

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 (dPswdt) РС реагирует с задержкой примерно 15-30 минут на изменения поля Em и с задержкой ~ 3-5 минут ndash 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 10-20 величины РС

Делается вывод что РС индекс является независимым индикатором поступления энергии солнечного ветра в магнитосферу

48

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 = 083 и на фазе экспансии R = 075

Учитывая это соответствие далее будет рассматриваться средняя для зимней и летней полярных шапок величина PC индекса

49

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

bull substorms start when the PC value exceeds threshold of ~ 2 mVm bull if the appropriate PC index stay at a high level (ge 4 mVm) for some hours the

substorm activations can happen irrespective of the PC change bull the higher the PC index the larger is the substorm intensity bull the fall of the PC index below 1 - 2 mVm is definitely followed by a decay of the

substorm magnetic activity The substorm growth phase duration is determined by the PC value bull if the PC index is less than 4 mVm the substorm onset follows the PC

enhancement with a delay time in the range 15 - 60 minutes bull while further increasing the PC index the growth phase is shortened bull the growth phase can reduce to zero when the PC index keeps level ge 4 mVm over

some hours or quickly exceeds the value of ~ 6-8 mVm 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

50

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 Вzlt0 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 компоненты меняет знак при обращении знака Ву компоненты ММП

51

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 066) хотя в целом PCexp на 27 mVm 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)

52

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

РезультатНет очевидной временной связи между

максимумальной интенсивностью суббури и появлением максимума в РС индексах (R=014 - 03)

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

53

Вариация отношений усреднённых величин PCEm и PC100AL в ходе магнитного возмущения

Согласно методике расчёта РС индекса отношение PCEm 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

bull Oба отношения PCEm и PC100AL 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

bull Именно эти отклонения определяют максимальный эффект (~15 от величины РС индекса) возможного воздействия магнитного возмущения в авроральной зоне на величину РС индекса

54

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 ~ 2mVm 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 mVm 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 mVm) Quantities PC(damp) and EKL(damp) were compared with Dst(trans)

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54

48

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 = 083 и на фазе экспансии R = 075

Учитывая это соответствие далее будет рассматриваться средняя для зимней и летней полярных шапок величина PC индекса

49

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

bull substorms start when the PC value exceeds threshold of ~ 2 mVm bull if the appropriate PC index stay at a high level (ge 4 mVm) for some hours the

substorm activations can happen irrespective of the PC change bull the higher the PC index the larger is the substorm intensity bull the fall of the PC index below 1 - 2 mVm is definitely followed by a decay of the

substorm magnetic activity The substorm growth phase duration is determined by the PC value bull if the PC index is less than 4 mVm the substorm onset follows the PC

enhancement with a delay time in the range 15 - 60 minutes bull while further increasing the PC index the growth phase is shortened bull the growth phase can reduce to zero when the PC index keeps level ge 4 mVm over

some hours or quickly exceeds the value of ~ 6-8 mVm 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

50

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 Вzlt0 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 компоненты меняет знак при обращении знака Ву компоненты ММП

51

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 066) хотя в целом PCexp на 27 mVm 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)

52

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

РезультатНет очевидной временной связи между

максимумальной интенсивностью суббури и появлением максимума в РС индексах (R=014 - 03)

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

53

Вариация отношений усреднённых величин PCEm и PC100AL в ходе магнитного возмущения

Согласно методике расчёта РС индекса отношение PCEm 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

bull Oба отношения PCEm и PC100AL 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

bull Именно эти отклонения определяют максимальный эффект (~15 от величины РС индекса) возможного воздействия магнитного возмущения в авроральной зоне на величину РС индекса

54

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 ~ 2mVm 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 mVm 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 mVm) Quantities PC(damp) and EKL(damp) were compared with Dst(trans)

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54

49

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

bull substorms start when the PC value exceeds threshold of ~ 2 mVm bull if the appropriate PC index stay at a high level (ge 4 mVm) for some hours the

substorm activations can happen irrespective of the PC change bull the higher the PC index the larger is the substorm intensity bull the fall of the PC index below 1 - 2 mVm is definitely followed by a decay of the

substorm magnetic activity The substorm growth phase duration is determined by the PC value bull if the PC index is less than 4 mVm the substorm onset follows the PC

enhancement with a delay time in the range 15 - 60 minutes bull while further increasing the PC index the growth phase is shortened bull the growth phase can reduce to zero when the PC index keeps level ge 4 mVm over

some hours or quickly exceeds the value of ~ 6-8 mVm 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

50

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 Вzlt0 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 компоненты меняет знак при обращении знака Ву компоненты ММП

51

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 066) хотя в целом PCexp на 27 mVm 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)

52

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

РезультатНет очевидной временной связи между

максимумальной интенсивностью суббури и появлением максимума в РС индексах (R=014 - 03)

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

53

Вариация отношений усреднённых величин PCEm и PC100AL в ходе магнитного возмущения

Согласно методике расчёта РС индекса отношение PCEm 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

bull Oба отношения PCEm и PC100AL 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

bull Именно эти отклонения определяют максимальный эффект (~15 от величины РС индекса) возможного воздействия магнитного возмущения в авроральной зоне на величину РС индекса

54

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 ~ 2mVm 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 mVm 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 mVm) Quantities PC(damp) and EKL(damp) were compared with Dst(trans)

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54

50

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 Вzlt0 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 компоненты меняет знак при обращении знака Ву компоненты ММП

51

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 066) хотя в целом PCexp на 27 mVm 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)

52

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

РезультатНет очевидной временной связи между

максимумальной интенсивностью суббури и появлением максимума в РС индексах (R=014 - 03)

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

53

Вариация отношений усреднённых величин PCEm и PC100AL в ходе магнитного возмущения

Согласно методике расчёта РС индекса отношение PCEm 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

bull Oба отношения PCEm и PC100AL 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

bull Именно эти отклонения определяют максимальный эффект (~15 от величины РС индекса) возможного воздействия магнитного возмущения в авроральной зоне на величину РС индекса

54

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 ~ 2mVm 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 mVm 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 mVm) Quantities PC(damp) and EKL(damp) were compared with Dst(trans)

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54

51

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 066) хотя в целом PCexp на 27 mVm 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)

52

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

РезультатНет очевидной временной связи между

максимумальной интенсивностью суббури и появлением максимума в РС индексах (R=014 - 03)

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

53

Вариация отношений усреднённых величин PCEm и PC100AL в ходе магнитного возмущения

Согласно методике расчёта РС индекса отношение PCEm 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

bull Oба отношения PCEm и PC100AL 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

bull Именно эти отклонения определяют максимальный эффект (~15 от величины РС индекса) возможного воздействия магнитного возмущения в авроральной зоне на величину РС индекса

54

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 ~ 2mVm 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 mVm 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 mVm) Quantities PC(damp) and EKL(damp) were compared with Dst(trans)

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54

52

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

РезультатНет очевидной временной связи между

максимумальной интенсивностью суббури и появлением максимума в РС индексах (R=014 - 03)

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

53

Вариация отношений усреднённых величин PCEm и PC100AL в ходе магнитного возмущения

Согласно методике расчёта РС индекса отношение PCEm 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

bull Oба отношения PCEm и PC100AL 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

bull Именно эти отклонения определяют максимальный эффект (~15 от величины РС индекса) возможного воздействия магнитного возмущения в авроральной зоне на величину РС индекса

54

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 ~ 2mVm 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 mVm 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 mVm) Quantities PC(damp) and EKL(damp) were compared with Dst(trans)

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54

53

Вариация отношений усреднённых величин PCEm и PC100AL в ходе магнитного возмущения

Согласно методике расчёта РС индекса отношение PCEm 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

bull Oба отношения PCEm и PC100AL 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

bull Именно эти отклонения определяют максимальный эффект (~15 от величины РС индекса) возможного воздействия магнитного возмущения в авроральной зоне на величину РС индекса

54

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 ~ 2mVm 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 mVm 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 mVm) Quantities PC(damp) and EKL(damp) were compared with Dst(trans)

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54

54

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 ~ 2mVm 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 mVm 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 mVm) Quantities PC(damp) and EKL(damp) were compared with Dst(trans)

• Slide 1
• Slide 2
• Slide 3
• Slide 4
• Slide 5
• Slide 6
• Slide 7
• Slide 8
• Slide 9
• Slide 10
• Slide 11
• Slide 12
• Slide 13
• Slide 14
• Slide 15
• Slide 16
• Slide 17
• Slide 18
• Slide 19
• Slide 20
• Slide 21
• Slide 22
• Slide 23
• Slide 24
• Slide 25
• Slide 26
• Slide 27
• Slide 28
• Slide 29
• Slide 30
• Slide 31
• Slide 32
• Slide 33
• Slide 34
• Slide 35
• Slide 36
• Slide 37
• Slide 38
• Slide 39
• Slide 40
• Slide 41
• Slide 42
• Slide 43
• Slide 44
• Slide 45
• Slide 46
• Slide 47
• Slide 48
• Slide 49
• Slide 50
• Slide 51
• Slide 52
• Slide 53
• Slide 54