Irkutsk, Russian Federation
Irkutsk, Russian Federation
From data of three three superstorms we study new features of the saturation process of the polar cap magnetic flux deceleration of its area at strengthening the solar wind (SW). It is shown that the saturation of the polar cap is observed at growth of the SW dynamic pressure and vertical IMF component for both signs. Saturation is realized not only during the passage of interplanetary magnetic clouds, but also at significant enhancement of SW density, when the SW thermal pressure is comparable with the pressure of the interplanetary magnetic field. We assume that at such condiitions the saturation is caused not only by a decrease in the efficiency of reconnection at the dayside magnetopause, but mainly by a finite magnetosphere compressibility –stopping the magnetopause compression due to the rapid Eathward growth of the geomagnetic field, ie, interior magnetospheric structure of the geomagnetic field
magnetosphere, solar wind, polar cap, magnetic flux
INTRODUCTION
В магнитосфере существуют два семейства силовых линий: замкнутые, или закрытые, относятся к внутренней магнитосфере; разомкнутые, или открытые, — к внешней магнитосфере (области входного слоя на дневной границе и долям хвоста). Открытые силовые линии проецируются в околополюсную область ионосферы — полярную шапку. Через нее в ионосферу вдоль открытых силовых линий, пересоединенных с межпланетным магнитным полем (ММП), из солнечного ветра (СВ) передаются магнитный поток Ψ и поток электромагнитной энергии — поток вектора Пойнтинга S, модуль которого мы далее обозначаем через ε′, следуя работе [Мishin, 1990]. Накопление магнитной энергии во время магнитосферных бурь и суббурь в долях геомагнитного хвоста приводит к росту долей, площади полярной шапки и передаваемых через нее потоков Ψ и ε′, что сопровождаетcя взрывными процессами освобождения накопленной энергии, наблюдаемыми, например, в виде полярных сияний, усиления электрических полей и токов в полярной ионосфере. Площадь полярной шапки и связанный с ней трансполярный потенциал UPC при усилении СВ растут линейно с ростом южной компоненты BS ММП или динамического давления СВ Pd при слабом СВ. При его значительном усилении во время сильных бурь рост UPC замедляется, становится нелинейным т. е. ростом медленнее линейного закона. Затем он почти останавливается после достижения критических значений: 1) межпланетных полей (электрического EСВ и/или южной компоненты BS ММП) [Siscoe et al., 2002; Borovsky et al., 2009; Kan et al., 2010; Lyatsky et al., 2010; Wilder et al., 2011; Gao et al., 2013 и ссылки там], а также 2) динамического давления Pd, как это показано в [Karavaev et al., 2012a, b; Mishin et al., 2015, 2016]. Это явление замедления роста UPC и Ψ было названо в литературе насыщением, соответственно, потенциала полярной шапки [Siscoe et al., 2002] и ее площади [Merkin, Goodrich, 2007]. Далее мы будем называть насыщением магнитного потока полярной шапки замедление его линейного роста в зависимости от параметров СВ. При этом под полным насыщением Ψ мы будем понимать отсутствие его роста при усилении СВ. В работе [Mishin et al., 2015, 2016] отмечена возможная связь этого явления с конечной сжимаемостью магнитосферы, а именно с тем, что ее дневная граница редко наблюдается внутри геостационарной орбиты [Shue et al., 1997, 1998; Kuznetsov, Suvorova, 1998; Dmitriev et al., 2014]. Большая часть авторов рассматривает явление насыщения как замедление процессов переноса импульса и энергии через дневную магнитопаузу в зависимости от межпланетных полей EСВ или Bz. При этом часть авторов связывает насыщение с обратным влиянием ионосферы на процессы на магнитопаузе. Так, авторы работы [Siscoe et al., 2002] объясняют насыщение пересоединения там уменьшением магнитного поля из-за усиления продольных токов зоны 1, а авторы [Maltsev, Lyatsky, 1975; Kivelson, Ridley, 2008; Lyatsky et al., 2010] рассматривают насыщение переноса энергии через магнитопаузу МГД-волнами как результат увеличения проводимости ионосферы. Кроме того, явление насыщения может быть связано с кольцевым током и током в хвосте магнитосферы. В [Kalegaev et al., 2008] показано, что во время сильных бурь с Dst>150 нТл происходит насыщение тока хвоста магнитосферы и основной вклад в Dst-вариацию вносит кольцевой ток. Ясно, с другой стороны, что усиление кольцевого тока во время супербурь, наряду с ростом его теплового давления может уменьшать магнитное поле внутри магнитосферы [Suvorova et al., 2003]. Если оба этих эффекта не уравновешивают друг друга, их дисбаланс может изменить полное давление внутри магнитопаузы и повлиять на ее положение [Dmitriev et al., 2011]. Это обратное влияние кольцевого тока на положение магнитопаузы и, соответственно, параметры Ψ и UPC требует проведения специального исследования, которое, однако, в задачу данной работы не входит и может быть предметом нашей дальнейшей работы.
1. Alex S., Mukherjee S., Lakhina G.S. Geomagnetic signatures during the intense geomagnetic storms of 29 October and 20 November 2003. J. Atmos. Sol. Terr. Phys. 2006, vol. 68, no. 7. pp. 769-780. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp.2006.01.003.
2. Bazarshapov A.D., Mishin V.M., Shpynev G.B. A Mathematical Analysis of Geomagnetic Variation Fields. Gerlands Beitr. Geophysik. 1976, vol. 85, no. 1, pp. 76-82.
3. Borovsky J.E., Lavraud B., Kuznetsova M.M. Polar cap potential saturation, dayside reconnection, and changes to the magnetosphere. J. Geophys. Res. 2009, vol. 114, A03224. DOI:https://doi.org/10.1029/2009JA014058.
4. Dmitriev A., Suvorova A., Chao J.-K. A predictive model of geosynchronous magnetopause crossings. J. Geophys. Res. 2011, vol. 116, A05208. DOI:https://doi.org/10.1029/2010JA016208.
5. Dmitriev A.V., Suvorova A.V., Chao J.-K., Wang C.B., Rastaetter L., Panasyuk M.I., Lazutin L.L., Kovtyukh A.S., Veselovsky I.S., Myagkova I.N. Anomalous dynamics of the extremely compressed magnetosphere during 21 January 2005 magnetic storm. J. Geophys. Res. 2014, vol. 119, no. 2, pp. 877-896. DOI:https://doi.org/10.1002/2013JA019534.
6. Gao Y., Kivelson M.G., Walker R.J. Two models of cross polar cap potential saturation compared: Siscoe-Hill model versus Kivelson-Ridley model. J. Geophys. Res. Space Physics. 2013, vol. 118, no. 2, pp. 794-803.
7. Huttunen K.E.J., Koskinen H.E.J., Pulkkinen T.I., Pulkkinen A., Palmroth M., Reeves G.D., Singer H.J. April 2000 magnetic storm: Solar wind driver and magnetospheric response. J. Geophys. Res. 2002, vol. 107, no. A12, p. 1440.
8. Iijima T., Potemra T.A. Large-scale characteristics of field-aligned currents associated with substorms. J. Geophys. Res. 1978, vol. 83, no. A2, pp. 599-615.
9. Kalegaev V.V., Makarenkov E.V. Relative importance of ring and tail currents to Dst under extremely disturbed conditions. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2008, vol. 70, p. 519.
10. Kan J., Lee L. Energy coupling function and solar wind magnetosphere dynamo. Geophys. Res. Lett. 1979, vol. 6, pp. 577-580.
11. Kan J.R., Li H., Wang C., Tang B.B., Hu Y.Q. Saturation of polar cap potential: Nonlinearity in quasi-steady solar wind-magnetosphere-ionosphere coupling. J. Geophys. Res. 2010, vol. 115, no. A8, pp. A08226. DOI:https://doi.org/10.1029/2009JA014389.
12. Karavaev Yu.A., Shapovalova A.A., Mishin V.M., Mishin V.V. The superstorm on 20.11.2003: Identification of hidden dependencies of the tail lobe magnetic flux on the solar wind dynamic pressure. Proc. 9th International Conference “Problems of Geocosmos”, St. Petersburg, Petrodvorets, Russia, October. 2012a, pp. 245-250.
13. Karavaev Y.A., Shapovalova A.A., Mishin V.M., Mishin V.V. Super-storm 24-25.09.1998: identification of hidden dependencies of the tail lobe magnetic flux on the solar wind dynamic pressure. Proc. 9th International Conference “Problems of Geocosmos”, St. Petersburg, Petrodvorets, Russia, October 2012b, pp. 251-255.
14. Kivelson M.G., Ridley A.J. Saturation of the polar cap potential: Inference from Alfven wing arguments. J. Geophys. Res. 2008, vol. 113, DOI:https://doi.org/10.1029/2007ja012302.
15. Kovner M.S., Feldstein Ya.I. On solar wind interaction with the Earth’s magnetosphere. Planet. Space Sci. 1973, vol. 21, pp. 1191-1211.
16. Kuznetsov S.N., Suvorova A.V. Solar wind magnetic field and plasma during magnetopause crossings at geosynchronous orbit. Adv. Space Res. 1998, vol. 22, no. 1, pp. 63-66.
17. Lavraud B., Borovsky J.E. Altered solar wind-magnetosphere interaction at low Mach numbers: Coronal mass ejections. J. Geophys. Res. 2008, vol. 113, A00B08. DOI:https://doi.org/10.1029/2008JA013192.
18. Lopez R.E., Bruntz R., Mitchell E.J., Wiltberger M., Lyon J.G., Merkin V.G. Role of magnetosheath force balance in regulating the dayside reconnection potential. J. Geophys. Res. 2010, vol. 115, A12216. DOI:https://doi.org/10.1029/2009JA014597.
19. Lyatsky W., Khazanov G.V., Slavin J.A. Saturation of the electric field transmitted to the magnetosphere. J. Geophys. Res. 2010, vol. 115, no. A8, pp. A08221. DOI: 10.1029/ 2009JA015091.
20. Maltsev Yu.P, Lyatsky W.B. Field-aligned currents and erosion of dayside magnetosphere. Planet. Space Sci. 1975, vol. 23, pp. 1257-1261.
21. Merkin V.G., Goodrich C.C. Does the polar cap area saturate? Geophys. Res. Lett. 2007, vol. 34, no. 9, p. L09107.
22. Mishin V.M. The magnetogram inversion technique and some applications. Space Sci Rev. 1990, vol. 53, no. 1, pp. 83-163.
23. Mishin V.M. The Magnetogram Inversion Technique - Applications to the Problem of Magnetospheric Substorms. Space Sci Rev. 1991, vol. 57, no. 3-4. pp. 237-337.
24. Mishin V.M., Russell C.T., Saifudinova T.I., Bazarzha-pov A.D. Study of weak substorms observed during December 8, 1990, Geospace Environment Modeling campaign: Timing of different types of substorm onsets. J. Geophys. Res. 2000, vol. 105, no. A10, pp. 23263-23276. DOI: 10.1029/ 1999ja900495.
25. Mishin V.M., Förster M., Kurikalova M.A., Mishin V.V. The generator system of field-aligned currents during the April 06, 2000, superstorm. Adv. Space Res. 2011, vol. 48, no. 7, pp. 1172-1183.
26. Mishin V.V., Mishin V.M., Pu Z., Lunyushkin S.B., Sapronova L.A., Sukhbaatar U., Baishev D.G. Old tail lobes effect on the solar wind - magnetosphere energy transport for the 27 August 2001 substorm. Adv. Space Res. 2014, vol. 54, no. 12, pp. 2540-2548. DOI:https://doi.org/10.1016/j.asr.2014.09.013.
27. Mishin V.V., Karavaev Y., Han J.P., Wang C. The saturation effect of the Poynting flux into the magnetosphere during superstorms: results of mit and the global PPMLR-MHD model... “Physics of Auroral Phenomena”. Proc. XXXVIII Annual Seminar, Apatity. A.G. Yahnin. Apatity, Kola Science Centre, Russian Academy of Science. 2015, pp. 40-43.
28. Mishin V.V., Mishin V.M., Karavaev Y., Han J.P., Wang C. Saturation of superstorms and finite compressibility of the magnetosphere: Results of the magnetogram inversion technique and global PPMLR-MHD model. Geophys. Res. Lett. 2016, vol. 43, no. 13, pp. 6734-6741. DOI:https://doi.org/10.1002/2016 GL069649.
29. Perreault P., Akasofu S.I. A study of geomagnetic storms. Geophys. J. R. Astr. Soc. 1978, vol. 54, no. 3, pp. 547-573. DOI:https://doi.org/10.1111/j.1365-246X.1978.tb05494.x.
30. Pulkkinen T.I., Dimmock A.P., Lakka A., Osmane A., Kilpua E., Myllys M., Tanskanen E.I., Viljanen A. Magnetosheath control of solar wind-magnetosphere coupling efficiency. J. Geophys. Res. Space Phys. 2016, vol. 121, pp. 8728-8739. DOI:https://doi.org/10.1002/2016JA023011.
31. Russell C.T., Wang Y.L., Raeder J., Tokar R.L., Smith C.W., Ogilvie K.W., Lazarus A.J., Lepping R.P., Szabo A., Kawano H., Mukai T., Savin S., Yermolaev Y.I., Zhou X.-Y., Tsurutani B.T. The interplanetary shock of September 24, 1998: Arrival at Earth. J. Geophys. Res. 2000, vol. 105, no. A11, pp. 25143-25154. DOI: 10.1029/ 2000ja900070.
32. Shue J.H., Chao J.K., Fu H.C., Russell C.T., Song P., Khurana K. K., Singer H. A new functional form to study the control of the magnetopause size and shape. J. Geophys. Res. 1997, vol. 102, p. 9497.
33. Shue J.H., Song P., Russell C.T., Khurana K.K., Russell C.T., Singer H.J., Song P. Magnetopause location under extreme solar wind conditions. J. Geophys. Res. 1998, vol. 103, no. A8, pp. 17691-17700.
34. Siscoe G.L., Crooker N.U., Siebert K.D. Transpolar potential saturation: Roles of region 1 current system and solar wind ram pressure. J. Geophys. Res. 2002, vol. 107, no. A10, p. 1321.
35. Suvorova A., Dmitriev A., Chao J.-K., Thomsen M., Yang Y.-H. Necessary conditions for geosynchronous magnetopause crossings. J. Geophys. Res. 2005, vol. 110, A01206. DOI:https://doi.org/10.1029/2003JA010079.
36. Wilder F.D., Clauer C.R., Baker J., Cousins E.P., Hairston M.R. The nonlinear response of the polar cap potential under southward IMF: A statistical view. J. Geophys. Res. 2011, vol. 116, no. A12, p. A12229.
37. URL: http.gsfc.cdaw.gov (accessed April 14, 2017).
