Шестая ежегодная конференция "Физика плазмы в солнечной системе"

1. Шестая ежегодная конференция "Физика плазмы в солнечной системе" 14–18 февраля 2011 г.ИКИ РАН, Москва Различные подходы к моделированию ионосферных эффектов геомагнитных бурь М.В. Клименко 1,2; В.В. Клименко 1, К.Г. Ратовский 3, Л.П. Гончаренко 4 1Западное отделение ИЗМИРАН им. Н.В. Пушкова, Калининград, Россия, vvk_48@mail.ru 2Калининградский государственный технический университет, Калининград, Россия 3Институт солнечно-земной физики СО РАН, Иркутск, Россия 4Обсерватория Хайстек, Массачусетский технологический институт, Вестфорд, Массачусетс, США

2. Mayr H.G., Volland H.(1973) Magnetic Storm Characteristics of the Thermosphere. J. Geophys. Res., 78(13), 2251–2264. • Mayr H.G., Hedin A.E.(1977) Significance of Large-Scale Circulation in Magnetic Storm Characteristics With Application to AE-C Neutral Composition Data. J. Geophys. Res., 82(7), 1227–1234. • Namgaladze A.A., Zakharov L.P., Namgaladze A.N.(1981) Numerical modeling of the ionospheric storms. Geomagn. Aeron., 21(2), 259–265 (in Russian). • Maeda S., Fuller-Rowell T.J., Evans D.S.(1989) Zonally Averaged Dynamical and Compositional Response of the Thermosphere to Auroral Activity During September 18-24, 1984. J. Geophys. Res., 94(A12), 16869–16883. • Sojka J.J., Schunk R.W., Denig W.F.(1994) Ionospheric response to the sustained high geomagnetic activity during the March’89 great storm. J. Geophys. Res., 99(A11), 21341–21352. • Reddy C.A., Mayr H.G.(1998) Storm-time penetration to low latitudes of magnetospheric-ionospheric convection and convection-driven thermospheric winds. Geophys. Res. Lett., 25(16), 3075–3078. • Förster M., Namgaladze A.A., Yurik R.Y.(1999) Thermospheric composition changes deduced from geomagnetic storm modeling. Geophys. Res. Lett., 26(16), 2625–2628. • Maruyama N., Richmond A.D., Fuller-Rowell T.J., Codrescu M.V., Sazykin S., Toffoletto F.R., Spiro R.W., Millward G.H.(2005) Interaction between direct penetration and disturbance dynamo electric fields in the storm-time equatorial ionosphere. Geophys. Res. Lett., 32, L17105, doi:10.1029/2005GL023, 763. • Fuller-Rowell T., Codrescu M., Maruyama N., Fredrizzi M., Araujo-Pradere E., Sazykin S., Bust G.(2007) Observed and modeled thermosphere and ionosphere response to superstorms. Radio Sci., 42, RS4S90, doi:10.1029/2005RS003392. • Lu G., Goncharenko L.P., Richmond A.D., Roble R.G., Aponte N.(2008) A dayside ionospheric positive storm phase driven by neutral winds. J. Geophys. Res., 113, A08304, doi:10.1029/2007JA012, 895 • Balan N., Shiokawa K., Otsuka Y., Kikuchi T., Vijaya Lekshmi D., Kawamura S., Yamamoto M., and Bailey G.J. (2010) A physical mechanism of positive ionospheric storms at low latitudes and midlatitudes. J. Geophys. Res. 115, A02304, doi:10.1029/2009JA014515.

3. Model GSM TIP Brief Description Global Self-consistent Model of the Thermosphere, IonosphereandProtonosphere(GSM TIP) was developed in West Department of IZMIRAN. The model GSM TIP was described in detail inNamgaladze et al., 1988, 1990, 1991. The model is added by the new block of electric field calculation Klimenko et al., 2006a,b, 2007. Namgaladze, A.A., Korenkov, Yu.N., Klimenko, V.V., Karpov, I.V., Bessarab, F.S., Surotkin, V.A., Glushenko, T.A., Naumova, N.M. Pure and Applied Geophysics (PAGEOPH) 127, No. 2/3, 219–254, 1988. Namgaladze, A.A., Korenkov, Yu.N., Klimenko, V.V., Karpov, I.V., Bessarab, F.S., Surotkin, V.A., Glushchenko, T.A., Naumova, N.M. Geomagnetism and Aeronomy 30, No. 4, 612–619, 1990. Namgaladze, A.A., Korenkov, Yu.N., Klimenko, V.V., Karpov, I.V., Surotkin, V.A., Naumova, N.M. J. Atmos. Terr. Phys. 53, 1113–1124, 1991. Klimenko, M.V., Klimenko, V.V., Bryukhanov, V.V. Geomagn. Aeron. 46, No. 4, 457–466, doi: 10.1134/S0016793206040074, 2006a. Клименко В.В., Клименко М.В., Брюханов В.В.Математическое моделирование 8, №3, 77-92, 2006b. Klimenko, M.V., Klimenko, V.V., Bryukhanov, V.V. Adv. Radio Sci. 5, 385–392, 2007.

4. Модель рассчитывает зависящие от времени глобальные трехмерные распределения температуры, состава (O2, N2, O) и вектора скорости движения нейтрального газа, концентрации, температуры и векторных скоростей атомарных (O+, H+) ионов, электронов и суммы молекулярных ионов O2+ и NO+, а также двумерного распределения потенциала электрического поля динамо и магнитосферного происхождения. Модель основана на численном интегрировании системы квазигидродинамических уравнений непрерывности, движения и теплового баланса для нейтральных и заряженных частиц холодной околоземной плазмы совместно с уравнением для потенциала электрического поля. Геомагнитное поле Земли аппроксимируется наклоненным диполем. При этом учитывается несовпадение географической и геомагнитной осей. Уравнения для нейтральных частиц и молекулярных ионов интегрируются в интервале высот 80 – 520 км в сферической геомагнитной системе координат. Уравнения для атомарных ионов и электронов интегрируются вдоль силовых линий геомагнитного поля в дипольной системе координат с учетом электромагнитного дрейфа от 175 км над поверхностью Земли до геоцентрического расстояния ~15 земных радиусов. В модели используется пространственная сетка с шагами 5° по широте и 15° по долготе, в которой рассчитываются параметры нейтральной атмосферы и двумерное распределение электрического потенциала, а также заданы основания силовых линий геомагнитного поля на высоте 175 км. При интегрировании моделирующих уравнений используется переменный шаг по вертикали, растущий с высотой. Все уравнения модели решаются методом конечных разностей. Начальные условия для решения системы моделирующих уравнений выбирались произвольным образом, и расчеты проводились с шагом 2 мин до получения квазипериодических решений. В качестве нижних граничных условий использовались условия фотохимического и теплового равновесия.

6. Quiet conditions Δ = 35.7 (kV) setting at geomagnetic latitudes 75° j2= 310-8 A/m2 (Region 2 Field-Aligned Currents (R2 FAC) j2 setting at geomagnetic latitudes 70°)

7. Storm Δ = 26.4 + 13.3Kp (kV) at geomagnetic latitudes 75° Feshchenko, Maltsev (2003) j2 = 2.7810-8 + 0.3210-8Kp (A/m2) with delay 0.5 h GMLat(j2) = 70° for Kp ≤ 3.0 GMLat(j2) = 65° for 3.0 < Kp ≤ 6.0 GMLat(j2) = 60° for 6.0 < Kp Iijima and Potemra (1976), Kikuchi et al. (2008) FluxStorm/FluxQuiet = 0.55 + 0.64Kp with delay 0.5 h with turn of a maximum precipitation from midnight to the morning sector

8. Effect of additional precipitations Magnetosphere convection without R2 FAC and without (dark blue asterisks) and with additional precipitations (red asterisks). Dark blue circles – quiet conditions. Norilsk Yakutsk Irkutsk Hainan Millstone Hill

9. Effect of R2 FAC Magnetosphere convection with additional precipitations and without (blue asterisks) and with (red asterisks) R2 FAC. Blue circles – quiet conditions. Norilsk Yakutsk Irkutsk Hainan Millstone Hill

10. Effect of R2 FAC displacement Magnetosphere convection with additional precipitations and with R2 FAC without (blue asterisks) and with R2 FAC displacement (red asterisks). Blue circles – quiet conditions. Norilsk Yakutsk Irkutsk Hainan Millstone Hill

11. Simulation results Magnetosphere convection without additional precipitations and R2 FAC (blue asterisks) and with precipitation and R2 FAC with displacement (red asterisks) . Blue circles – quiet conditions.

12. FIRST SUMMARY 1. Comparison of model calculation results of the different ionospheric parameters with experimental data under middle- and low- latitude stations reveals the satisfactory consent. 2. The reasons of distinctions of calculation resultsand observational data are the folowing: a) the use of 3-hour Kp-indexes at modelling of temporal dependence of input model parameters; b) the dipole approach of geomagnetic field; c) absence in model calculations the effects of solar flares which are taken place during the considered period.

13. The use in model GSM TIP the dipole approach of geomagnetic field does not allow considering its distortion observed during storms: • Its compression on the dayside of magnetosphere • Its expansion on night side of magnetosphere. • By the compression of a geomagnetic field on the day side it is possible to explain the additional contribution to the positive disturbance in electron concentration in the afternoon. At the compression the volume of plasma tube decreases that leads to the enhancement of electron concentration. Unfortunately, now the model GSM TIP does not describe this process.

14. Solar Flares

15. Quiet conditions Kp = 1 AE = 0 F10.7 = 101 on 09.09.2005 F10.7 = 118 on 10.09.2005 F10.7 = 111 on 11.09.2005 F10.7 = 120 on 12.09.2005 F10.7 = 115 on 13.09.2005 F10.7 = 118 on 14.09.2005 Δ = 38.0 kV setting at geomagnetic latitudes 75° j2 = 310-9 A/m2 (Region 2 field aligned currents j2 setting at geomagnetic latitudes 65°) Storm time conditions 09.09.2005 09:00 UT – 14:01 UT quiet conditions, 14:01 UT – 16:00 UT SSC, 16:00 UT – 18:00 UT main phase, 18:00 UT – 06:00 UT 10.09.2005 recovery phase; 10.09.2005 06:00 UT – 13:00 UT SSC, 13:00 UT – 20:00 UT main phase, 20:00 UT – 01:14 UT 11.09.2005 recovery phase; 11.09.2005 01:14 UT – 05:00 UT SSC, 05:00 UT – 11:00 UT main phase, 11:00 UT – 24:00 UT 14.09.2005 recovery phase.

16. Storm time conditions Δ= 38 + 0.089AE, kVat geomagnetic latitudes75° Feshchenko, Maltsev (2003) Region 2 Field aligned currents according to Cheng et al. (2008); Snekvik et al. (2007) in quiet conditions and at recovery phase of storm j2= 310-9 + 6 10-12AE, A/m2 at SSC phase of storm with 30 min delay j2= 310-9 + 1.5 10-11AE, A/m2 in active phase of storm j2= 310-9 + 3.6 10-11AE, A/m2 The displacement of Region 2 field aligned currents to the lower latitudes as by Sojka et al. (1994) 65° for Δ ≤ 40 kV; 60° for 40 kV < Δ≤ 50 kV; 55° for 50 kV < Δ≤ 88.5 kV; 50° for 88.5 kV < Δ≤ 127 kV; 45° for 127 kV < Δ≤ 165.4 kV; 40° for 165.4 kV < Δ≤ 200 kV; 35° for 200 kV < Δ

17. Kp=0.0 Particle Precipitation Model of Zhan and Paxton, 2008 Energy (keV) & Energy Flux (erg/cm2) Kp=6.0 Kp=2.0 Kp=4.0 Kp=7.0 Kp=5.0 Kp=7.7

18. September 10, 2005 Ionospheric Storm Millstone Hill

19. Goncharenko et al., 2007

22. September 10, 2005 Ionospheric Storm Arecibo

23. Goncharenko et al., 2007

26. Ionospheric Effects in TEC of Storm Sequence September 10–14, 2005

27. TEC Disturbances during Storm Sequence on 09-13 September, 2005 Model GPS Model GPS

31. Simulation results Calculation results: dark blue circles – without solar flares, light red circles – with solar flares, light blue circles – quiet conditions. Experimental data: light black circles – quiet conditions, dark black circles – storm time conditions.

34. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Представлены различные подходы к моделированию ионосферных эффектов геомагнитных бурь и показано, что следует использовать AEиндекс с минутным разрешением по времени в качестве независимой переменной вместо 3-часового Kp-индексапри задании временной зависимости разности потенциалов через полярные шапки. 2. Для корректного описания высыпаний авроральных электронов модель ГСМ ТИП была модифицирована введением в нее современной эмпирической модели высыпаний, зависящей от Kp-индекса. 3. Предложены способы задания продольных токов второй зоны, основанные на современных теоретических представлениям и экспериментальных данных, имеющихся в настоящее время в литературе. 4. Учет эффектов солнечных вспышек за счет дополнительной ионизации солнечным излучением позволил в отдельных случаях улучшить согласие результатов расчетов и наблюдений, а также показал, что солнечные вспышки могут влиять на время существования дополнительного F3-слоя в экваториальной ионосфере. 5. Показано, что необходимо учитывать запаздывание вариаций продольных токов второй зоны относительно изменений разности потенциалов через полярные шапки на всех фазах развития геомагнитных бурь.

35. Acknowledgments Authors express the huge gratitude for use ofthe ionospheric observational data during the period on September 8-14, 2005 obtained from SPIDR. Authors acknowledge the Kyoto Center of geomagnetic data for providing geomagnetic activity indices and World Data Center in Boulder for providing solar activity indices during the period on September 8-14, 2005. We are grateful to the IGS community for providing GPS permanent data. Weacknowledge the GUVI team, Irkutsk and Yakutsk digisonde teams and Arecibo and Millstone Hill ISR teams for processing the data and making the experimental data available. We want to say many thanks to Dr. Habaruelema for GPS TEC data above Grahamstown, Dr. L-.A. Maccinel for processing of digisondes data and Dr. Zakharenkova I.E. for plotting of global maps of GPS TEC deviations. This investigations were carried out at financial support of Russian Foundation for Basic Research (RFBR) – Grant № 08-05-00274.

36. Thank you very much for your attention