В.А.Сергеев, Н.А.Цыганенко , М.В.Смирнов, А.В. Николаев ( СПбГУ ) ,

1. Магнитосферные магнитные возмущения во время взрывной фазы суббури - экспериментальная проверка новой модели токового клина суббури В.А.Сергеев, Н.А.Цыганенко, М.В.Смирнов, А.В. Николаев (СПбГУ), Г. Сингер (NOAA, Boulder), В. Баумйоханн(IWF, Graz)

2. Токовый клин суббури - история понятия • Birkeland (1908), Bostrom (1964), Atkinson (1967),… • McPherron (1972 ) ground-ATS-1, Caan et (1973) lobe-ground • McPherron et al. (1973) Substorm Current Wedge • Разрушение тока хвоста -- способ высвобождения запасенной магнитной энергии при суббуре • Интенсивность –до n*106А – формирует магнитную конфигурацию • Возможность наземной диагностики

3. Токовый клин суббури – развитие моделей • Horning et al., 1974 – обратная задача определения параметров SCW по наземным магнитным возмущениям ;прод.токи – по дипольным силовым линиям • Бахмина,Калегаев2008 – аналит.формулы • Craymosan et al.,1995 • Sergeev et al., 1996– подход Н74, но с IGRF • наземная диагностика параметров SCW !! ( I, долготы прод. токов) • Несколько попыток построения каркасных моделей с линейными токами вдоль реальных силовых линий (Т87- Васильев и др.,1986), • Tsyganenko(1997) расчетная модель SCW с недипольнымисил.линиями - (?непригодна для расчетов наземных возмущений , трудна в применении) отсутствие реалистичных количественных моделей SCW для расчета возмущений в ионосфере и магнитосфере ; модели SCW измерениями количественно не подтверждены

4. Задачи работы • Создать быструю, гибкую, удобно параметризованную модель ТКС с реалистичными продольными токами (FW) • Проверить ее пригодность сравнением с возмущениями в магнитосфере (в долях хвоста и на 6.6Re) во время взрывной фазы суббурь. • Выделение систематических отклонений от простой модели ТКС ; их интерпретация

5. Модель Токового клина суббури (FW) –1 Mеthod: ”Economical”Biot-Savart summation, with a possibility to flexibly deform electric currentdistributions within wide limits. • From the very beginning, work with a vector potential, in order to keepdivB=0 when spreading out the currents over a finite volumein space: 2. Calculate A by integrating along flow lines of J and remove singularity byassuming a variable transverse thickness of the electric current flow tube: so thatat |r-r’|>>D the field remains currrent- free,while at |r-r’|<D we have a volume current – the thin «wire» gets spread out into a «rope» with a controllable finite thickness.

6. Модель Токового клина суббури (FW)– 2 3. Common problem of the Biot-Savart approach: the summation requires a very fine grid of currentelements, which often results in prohibitevely slow algorithms. We overcome that difficulty by replacing many point elements by much fewer number of rectilinear segments: replacing the integral by the sum: whеre

7. Модель Токового клина суббури (FW) –3 Flow lines of spread-out model electric current, based on a loop with 245 segmentsand D=0.1R3/2. Volume current density is calculated asj~rot B, B = rot A, with А derived by summation over individual segments. The model allows any arbitrary deformation of both the circuit geometry andthe variable loop thicknessD=D(s), without violating div B=0 and without any undesired artificial currents outside of the loop. NB:By contrast to the above method, deforming the magnetic field [Stern, 1987; Tsyganenko, 1998]conserves onlydiv B=0, but notrot B !

8. Модель токового клина суббури( FW ) - 4 • Модель каркасного типа с токами конечной толщины • Каркас по реалистичным силовым линиям IGRF + T89, -пригодна для расчетов как в ионосфере, так и в магнитосфере Входные параметрымодели: • Pw, Pe– долготы продольных токов ; • Iscw– интенсивность. • RT- положение области разрушения тока; требует определения по спутниковым данным • RCF– контролирует вытянутость силовых линий в модели Т89; требует определения по спутниковым данным • D:~ B-1/2у Земли,но <2Re на r15Re

9. Магнитное поле токов SCW (модель FW) Плоскость YZ Профиль Bz компоненты вдоль оси X GSM Плоскость XZ

10. Определениепараметров токового клинапо данным наземныхсреднеширотных станций Сеть станций INTERMAGNET Измерения на поверхности Земли

11. Параметры токового клина, полученные после интерпретацииназемных данных • метод\модельиз Sergeev et al., JGR, 1996 • 3-комп. модель SCW + DRP + DR • сеть среднеширотных станций (20-50о гмш)проекта INTERMAGNET • на выходе Iscw, Pe, Pw, … Величина тока и долготы краев токового клина Pe Pw Положение спутников Cluster (XY) относительнопроекции токового клина

12. Создать быструю, гибкую, удобно параметризованную модель ТКС с реалистичными продольными токами (FW) • Проверить ее пригодность сравнением с возмущениями в магнитосфере (в долях хвоста и на 6.6Re) во время взрывной фазы суббурь. • Триангуляция по спутниковым данным в долях (Iscw, RT -из спутниковых измерений, Pe,Pw –из наземных данных) • Массовое сравнение амплитуд возмущений на спутниках с предсказаниями модели (задавая Iscw, Pe,Pw –из наземных данных) • Выделение систематических отклонений и их интерпретация

13. Пример – событие 02.10.2006 с тремя активизациями (начало в 05:08, 06:17 и 07:14)

14. Результаты триангуляции B • - Cluster-1,Cluster-2, Geotail • Поиск RT, IscwминимизирующихВiobs-Вimod2 • Контроль границ сектора по наземным данным • Расстояниедо области разрушения тока • в среднем –на 14-18 RE(12 событий), значения меняются с развитием суббури; • RT =15REвзято для статистики Bobs/Bmod • Величина тока в контуре SCW в 1,5-2 раза выше ее величины, определяемой по наземным данным, отношение меняется в ходе суббури j PS

15. Сравнение модельного и наблюдаемого магнитных полей - измерения в долях хвоста • Сравнение BxиBz компонент наблюдаемого имодельного (I из наземн.измер.) магнитных полей(статистика по 14 событиям, t=3min ) : • Корреляция амплитуд (СС~0.7) при заметном разбросе; • Bobs/Bmod >1

16. Сравнение модельного и наблюдаемого магнитных полей - измерения на 6.6 Re • 25 изолированных суббурь 2006-2010 г., GOES-10,-11,-12, шаг t=3min • RWA – масштабирование относит. долготного расположения спутников и прод.токов SCW; • модель на основе наземных данных, RT=15Re • Результаты: • Средние амплитуды предсказываемых и наблюдаемых возмущений в Н-компоненте ~ 25-30 нТл на 1 МА, внутри клина. • Cреднее распределение Н и D – компонент в координатах RWA соответствует модельному; • однако : • Большой разброс, не объясняется полностью погрешностями определения геометрических параметров SCW, влиянием сторонних токовых систем и пр.

17. Создать быструю, гибкую, удобно параметризованную модель ТКС с реалистичными продольными токами (FW) • Проверить ее пригодность сравнением с возмущениями в магнитосфере (в долях хвоста и на 6.6Re) во время взрывной фазы суббурь. • Выделение систематических отклонений и их интерпретация

18. Сравнение пиковых амплитудв центре SCW – 6.6Re Отношение амплитуд Hobs/Hmod зависит от интенсивности события: Hobs/Hmod≈ 1 для слабых возмущений (≲ 10 нТл); Hobs/Hmod≈ 2.5 для сильны возмущений (≳ 10 нТл); Схожая тенденция для измерений в долях хвоста

19. Зависимости Hobs/Hmod от прочих факторов (6.6Re) Значительная часть разброса объясняется систематической зависимостью Hobs/Hmod: (1) от магнитной конфигурации (RCF); (2) от времени суббури; RCF

20. Результаты проверки модели FW • Одиночный токовый контур SCW (петля R1) разумно описывает существенную часть возмущений в магнитосфере. • Большой разброс величин и наличие систематических отклонений Hobs/Hmodреальная токовая система сложнее «классического» SCW • Основные отличия можно объяснить наличием в ближней части хвоста второй токовой петли с токами обратного направления (петля R2) вблизи геостационарной орбиты

21. Интерпретация зависимости Hobs/Hmodот магнитной конфигурации Область диполизациисмещается в хвост за 6.6 Re  отношениеHobs/Hmod1 RCF Krc ~ 1-3 RCF I1 - I2 I1 + I2 RCF Krc ~ 4-8

22. Интерпретация зависимостиHobs/Hmodот времени суббури Область диполизации отодвигается в хвост  схождение отношения Hobs/Hmodк единице. Baumjohannet al., JGR 1999: В первые минуты взрывной фазы диполизации наблюдаются на близких к Земле расстояних  в ходе суббури область диполиз. движется в хвост.

23. Интерпретация токовой петли R2 ? Взаимодействие струйного течения (BBF) со внутренней магнитосферой  Долготно-ограниченный рост плазменного давления и азимутальных градиентов давления  генерация токов R2 См. численное моделирование пересоединения в хвосте магнитосферы Birn et al.,JGR 1999: R2 R1

24. E N D ? • V. A. Sergeev, N. A. Tsyganenko, M.V. Smirnov, A.V. Nikolaev, H.J. Singer, W. Baumjohann, Magnetic effects of the substorm current wedge in a 'spread-out wire' model and their comparison with ground, geosynchronous, and tail lobe data, JGR, submitted, 2011.

25. Модель токового клина суббури( FW ) - 4 Каркас SCW = IGRF + T89 Входные параметрымодели: Pw, Pe– долготы продольных токов; Iscw – интенсивность. RCF – контролирует вытянутость силовых линий. D (~ R3/2 )–контролирует диаметр волоконпродольных токов.

26. Сравнение модельного и наблюдаемого магнитных полей Примеры с отдельными событиями (Bx, By, Bzкомпонентыполя): Сравнение модельных и наблюдаемых полей на поверхности Земли

27. RC=0 70o Some further details RC=6 • T89 model field lines for FAC route • Regulate stretching by 1 parameter (RC) • Main parameters –: I, Pw,Pe, R • RT to be determined later (~ 15Re) 63o

28. Токи SCW и магнитное поле от них (T09SCW) Профиль Bx компоненты поля вдоль оси Z GSM (X=-15RE, Y=0)для токовых трубок различной толщины

29. Пример данных События 2006.09.27 с началом в 09:28 и 10:00, 2диполизации Обработка спутниковых данных:- пересчет в GSM систему координат (при необходимости);- вычет начального уровня;- вычет поля внутренних источников.

30. Определение входных параметров модели TW09 по наземным данным. H D H D SM longitude – 180, degrees • метод из Sergeev et al., JGR, 1996 • определение параметров 3-комп. модели SCW + DRP + DR • сеть среднеширотных станций (20-50о гмш)проекта INTERMAGNET • на выходе Iscw, Pe, Pw, … UT

31. Выводы и результаты В результате проведенного исследования магнитных возмущений в долях хвоста магнитосферы во время взрывной фазы изолированных суббурь было показано, что: ‑ область разрушения тока в хвосте магнитосферы расположена в среднем на расстояниях 14-18 RE (по данным спутников Cluster и Geotail), эти значения непостоянны и изменяются во время развития суббури; ‑ величина тока в контуре токового клина, определенная из спутниковых измерений всреднем выше определяемой по наземным данным в 1.5-3.0 раза; ‑ вариации модельного (TW09) поля сходны с вариациями магнитного поля, наблюдаемыми на спутниках в долях хвоста магнитосферы на расстояниях 8-18 RE, так что модель TW09 в целом достаточно хорошо описывает реальные измеряемые возмущения; ‑ амплитуды наблюдаемых в долях Bx и Bz компонент поля возмущений в среднем в ~1.5раза больше, чем предсказываемые моделью на основании наземных измерений, то есть существует систематическое различие амплитуд модельных и наблюдаемых компонент поля возмущений.