Физические основания для расчёта РС индекса

1. PC индекс как средство мониторинга космической погодыО.А.Трошичеви А.С.ЯнжураАрктический и Антарктический НИИ, С.Петербург

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] • Выделены различные типы магнитных возмущений в полярной шапке, обусловленные вариациями южной, азимутальной и северной компонент ММП;. • Возмущения, связанные с Южным ММП оказались тождественными системе DP2 [Obayashi,1967] • 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] • Воздействие межпланетного электрического поля на магнитосферу приводит к постоянному движению плазмы во всей магнитосфере. • В результате градиенты плазменного давления постоянно формируются в магнитосфере и генерируются соответствующие ортогональные к силовым линиям, электрические токи. • На секторных границах магнитосферы, разделяющих области с противоположно-направленными поперечными токами, происходит формирование пространственных электрических зарядов. • Эти заряды служат постоянным источником магнитосферных продольных электрических токов, связывающих экваториальную магнитосферу с полярной ионосферой. • . 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, т.е. 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, чтовеличина магнитных возмущений в полярной шапке определяется геоффективным межпланетным электрическим полем (coupling function) EKL определяемым формулой [Kan and Lee,1978]: EKL = Vsw·(BZ2 +BY2)1/2·sin2(Θ/2), • где Vsw - скорость солнечного ветра, BZ, BY - компоненты ММП,Θ – 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 EKLнамагнитосферу.. Влияние азимутальной компоненты ММП BYна распределение электрического поля в шапках значительно слабее влияния южного ММП и сказывется только при северной ориентации ВZ [Ridley and Kihn, 2004]. 0.5 EM=0 mV/m 0.5 1.8 1.8 Hall current 3.1 3.1 3.6 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 δFзависитот 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 индексаTroshichev, O. A., V. G. Andrezen, et al,Planet. Space Sci., 36, 1095, 1988; Troshichev O., A.Janzhura, and H.Stauning, J. Geophes. Res., 2006;A.Janzhura and O.A.Troshichev, J.Atmos. Solar-Terr. Phys, 2009 • 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. • 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. • 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 determinedusing the data of magnetic observations from near-pole station δF = δD·sinγ ± δH·cosγ,where γ=λ ± DE+ φ + UT, δD andδHare deviations of the magnetic horizontal components from the quiet level, DEis themean declination angle for the given station, λis geographycal longitude and φis 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 Emis calculated for each month and UT δF = αEKL + β whereαand βthe coefficients of regression. 3. Coefficientsα, βand φ, ensuring the best correlation betweenδF и Emare used for calculation of the PC index РС = ξEKL= ξ (δF– β)/ α where ξis 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 • 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 • 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 • Имеет место соответствие в хлде положительных значений PC в южном и северном полушариях. • Экстремальные значения положительного PC индекса (до 20 мВ/м)наблюдаются на станциях Туле и Восток одновременно. • 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 мВ/м, 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 мВ/м. РСN и PCSиндексы хорошо согласуются друг с другом

17. Реакция РС индекса на внезапные изменения параметров солнечного ветрa:межпланетного электрического поля EKLи 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 EKLс временной задержкой ~ 15 – 30 минs. PC отвечает на изменения EKLодинаковым 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 «идеального»(статистического) соответствия между EKLи PC (мВ/м), можно вывести приблизительное соотношениеΔPsw=1 nPa ≈ EKL=0.33 mV/m.

20. Поведение РС индекса при внезапном уменьшении динамического давления солнечного ветра на фоне неизменного EKL(а), и при внезапном увеличении Pswна фоне северном ММП, когда EKL =0 (б) • Отрицательные импульсы давления Psw не сопровождается заметными изменениями в EKL, но PC индекс начинает уменьшаться сразу же после “нулевого момента”. Оценка эффекта уменьшения давления даёт соотношение 1 nPa ≈ 0.25 mV/m. • Положительный импульс давления Psw при северном ММП (при EKL ~ 0) сопровождается явным ростом РС индекса. Оценка соответствующего эффекта даёт 1 nPa ≈ 0.4 mV/m. 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 1-1.5 часа.

21. Взаимосвязь между поведением РС индекса и магнитосферными суббурями Рассматривались следующие категории магнитных возмущений: Магнитные бухты (AL ~ 150 nT), Короткие суббури (AE ~ 300 nT) с длительностью < 3 часов, Длинные суббури (AE ~ 400 nT) с длительностью > 3 часов, Замедленные суббури (AE ~ 200 nT), максимум которых наблюдался через несколько часов после внезапного начала. Периодически повторяющиеся бухтообразные возмущения с AL > 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 EKLнаблюдаются периодические возмущения, повторяемость которых определяется характером изменений поля EKL, при воздействии устойчивого и интенсивного поля EKL> 3 мВ/м 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 мВ/м суббуря затухает.

25. Cоотношения между полем EKLи РС и AL индексамив случае периодически повторяющиеся бухтообразных возмущений Суперпозиция хода РС и AU/AL индексов (тонкие линии) для 43 периодических магнитных возмущений и соответствующий ход усреднённых вариаций BZ и BY компонент ММП, электрического поля EKL, и индексов РС, AU/AL Результат: • Быстрый и согласованный рост поля Em и индекса PC начинается в среднем за ~ 25 минут до незапного начала возмущения. • Величина РС в момент внезапного начала во всех 43 событиях была больше 2 мV/м. • Рост EKL и РС продолжается и после внезапного начала суббури (~15 минут), Причиной роста EKL и РС является увеличение южной компоненты ММП. • Магнитная возмущенность в авроральной зоне (AL-индекс) начинает расти, в среднем, через 15 минут после начала роста РС индекса. • 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 development.The 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 • the substorm sudden onsets are preceded by the PC growth, • the substorm development do not affect the PC growth rate, • achievement of the magnetic disturbance maximum is followed by synchronous drop in the PC and AL indices roughly down to level preceding the substorm, • 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 (т.е. 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. Вывод: Устойчивое 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 • 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 – при наибольших значениях PCgro. • 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). Результат: Все параметры магнитной суббури показывают явную связь со скоростью роста PC индекса (PCGR = dPC/dT)) 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 = - 0.5 + 55 PCgr с коэфф. корреляции R = 0.996. Средние величины PCgr и ALmax связаны соотношением ALmax = 114 + 6570*PCgr с коэфф. корреляции R = 0.997. Вывод: Скорость 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: duration of magnetic storm should be longer than 12 hours, the 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 PC>2 mV/m.

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

33. Соотношение между Em, РС и Dst для бурь разной мощности

34. Results of examination for individual storms and for summary plots • The magnetic depression starts to develop when field EKL and PC index firmly as soon as PC and EKL exceed the threshold ~2 mV/m • As a whole rule, PC and EKL cross the threshold simultaneously, although sometimes EKL goes ahead PC, sometimes PC goes ahead EKL; • 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; • When EKL (PC) slowly rises and reaches the maximum value only by the end of disturbed period, the slow start storm pattern takes place; • When EKL (PC) demonstrates repetitive strong enhancements and decreases, the magnetic storm displays the appropriate multiple depressions with growth and damping phases; • The persistent descend of PC (EKL) below the threshold level 2 mV/m is indicative on the end of the storm main phase (damping phase) and transition to the storm recovery phase; • The “PC saturation effect” is typical of events with the PC and EKL values > 6 mV/m.

35. Соотношение между интенсивностью бури Dst ивеличинами 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 = -17.32 - 19.33*EKL and Dst = 23.13 - 32.15*PC. It is particularly remarkable that correlation between Dstmin and PC index turned out to be higher (R= - 0.79) than between Dst(min) and interplanetary electric field Em (R = - 0.74). There is also the high correlation (R=0.95), between values Dst(decay), estimated for moments when EKL and PC firmly fall below the threshold level 2mV/m.

36. 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). Зависимостьинтенсивности бури Dst от величин функции Еkl и РС индекса

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 “there was a first energy storage in the magnetotail and then a delayed energy injection into the magnetosphere”. 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 > 800 km/s. The Em drop below 2 mV/m is noted only for short period from 22:15 to 23:30UT on January 21, but this drop is not confirmed by the PC index, which was larger than 4 mV/m at this time, the EKL and PC values grew again above 4 mV/m by 02:00 UT, as a result the geomagnetic storm was being continued. Conclusion The 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) – 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 mV/m 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 “PC index saturation” 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 mV/m 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 (>10-20 nT). The coupling function EKL well responds to the IMF BY and BZN variations. In average, EKL and PC quantitieswere close to the threshold level 2 mV/m, the substorm intensity was correspondingly low (AE≈100-250nT).

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 “PC saturation effect”. 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 BYсомпоненты) There are some features typical of “triggered” 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 20–30 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. Conclusion: “Triggered” substorms have no relation to “northward IMF turning” or BY reverse.

43. Соотношение между «coupling function» EKLи 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 mV/m.

44. Выводы • Функции EY= VswBz и EKLотличатся отношением к азимутальной (BY) компоненте ММП. Расхождение между EY и EKL увеличивается по мере роста BYотносительно BZ, величинаЕKLфункции может достигать 5-10 mV/m even даже при северном ММП. PCиндекс растёт в соответствии с ростом величиныEKL. • Роль азимутальной компоненты ММП игнорируется во всех анализах суббурь и магнитных бурь, происходящих при северном ММП. При включении PCиндекса в анализ таких возмущений сразу же становится очевидным что «экстраординарные возмущения» являются, вдействительности , обычными возмущениями, Происходящими при необходимом и достаточном условии для развития суббурь (PC ≥1.5-1.7 mV/m) или магнитных бурь (PC ≥ 2 mV/m). • Та же ситуация верна и для суббурь триггируемых резких поворотом ММП к северу («northward turning») или обращением полярности азимутальной компоненты.Рассмотрение таких событий показывает, что они инициируются увеличением функции EKLи 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: • магнитные бури и магнитосферные суббури начинаются только в том случае, если величина PC индекса превышает некий пороговый уровень (~ 2 mV/m для бурь и >1.5mV/m для суббурь) • длительность фазы роста суббури и интенсивность суббури определяются скоростью нарастания РС индекса; развитие суббури прекращается, как только величина PC индекса падает ниже 1-1.5 mV/m • продолжительность магнитной бури определяется длительностью периода, когда PC>2mV/m, и интенсивность бури (Dst_peak) линейно связана с величиной РС индекса, усреднённой за длительность главной фазы, • периодичность saw-tooth substorms происходящих в условиях устойчивого высокого уровня функции EKL определяется продолжительностью «фазы роста РС индекса» и «фазы спада РС индекса»сменяющих друг друга; • Развитие бурь и суббурь лучше согласуется с ходом РС индекса, чем с вариациями функции EKL; • “необычные” бури и суббури, происходящие при воздействии северной компоненты ММП оказываются обычными возмущениями, если рассматривать их в отношении к РС индексу и функции EKL; • PCиндекс 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 («proxy») энергии солнечного ветра поступившей в ионосферу. Если придерживаться этой точки зрения, становится очевидным, почему бури и суббури лучше коррелируют с РСиндексом, чем с «coupling function»EKL (посколькуEKLхарактеризует 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: • PCN http://www.dmi.dk/dmi • PCS http://www.geophys.aari.ru/

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 (dPsw/dt). РС реагирует с задержкой примерно 15-30 минут на изменения поля Em, и с задержкой ~ 3-5 минут – 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 = 0.83 и на фазе экспансии R = 0.75. Учитывая это соответствие, далее будет рассматриваться средняя для зимней и летней полярных шапок величина PC индекса.

49. Resultsof 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. • substorms start when the PC value exceeds threshold of ~ 2 mV/m; • if the appropriate PC index stay at a high level (≥ 4 mV/m) for some hours, the substorm activations can happen irrespective of the PC change; • the higher the PC index, the larger is the substorm intensity; • the fall of the PC index below 1 - 2 mV/m is definitely followed by a decay of the substorm magnetic activity. The substorm growth phase duration is determined by the PC value: • if the PC index is less than 4 mV/m, the substorm onset follows the PC enhancement with a delay time in the range 15 - 60 minutes; • while further increasing the PC index, the growth phase is shortened. • the growth phase can reduce to zero, when the PC index keeps level ≥ 4 mV/m over some hours or quickly exceeds the value of ~ 6-8 mV/m. 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 южнойкомпонентой ММП. Индексы хорошо согласуются, когда влияние Вz<0 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.