Pi2型地磁気脈動の昼間側電離層電流系の 2 次元構造

Pi2型地磁気脈動の昼間側電離層
電流系の 2 次元構造
今城峻1) , 吉川顕正 2)1), 魚住禎司2), 大谷晋一3) ,中溝葵4)
1) 九州大学理学府地球惑星科学専攻, 2) 九州大学国際宇宙天気科学研究・教育センター(ICSWSE), 3) Johns Hopkins大学応用物理学研究所(APL), 4) 情報通信研究機構(NICT),
Pi2の昼間側への伝播
多くの磁気圏擾乱同様に、昼間側では磁気
H
域結合系の存在を示唆するものであり、
その結合メカニズムの解明は磁気圏擾乱
伝播の普遍的な課題として重要である。
て観測される突発的な地磁気の振動現象
-1
-2
2
1
0
-1
-2
2
1
Wed Oct 22 16:06:39 2014
ASB
L= 1.6
MLT=11.3hr
[nT]
BCL
L= 1.0
MLT= 8.9hr
[nT]
H
昼側磁気赤道
0
Pi2地磁気脈動は夜側のオーロラ活動に伴っ
昼側低緯度
1
夜側
FRD
L= 2.4
MLT=20.9hr
[nT]
2
H
0
-1
-2
hhmm
2012 Mar 26
0200
0210
赤道において振幅が強化される [e.g.
Sastry et al., 1983]。これは極域-磁気赤道
特にPi2のような夜側磁気圏起源の短時間の擾乱の昼
間側地上への伝播過程はよく分かっていない。
研究の目的
過去の研究では、昼間側地上低緯度のPi2に伴う
H成分磁場は極域電場の侵入による東西の電離層
電流振動が原因であると解釈される。[Kikuchi
and Araki,1979; Shinohara et al.,1998]
zonal ionospheric current
?
oscillating current source
?
問題点
• 高緯度-低緯度を結ぶ南北電流に対応するD成分
(東西)磁場まで含めた研究はほとんどなく、電
流の連続性が考慮されていない。
• 夜側FACによる極域電場から予想される昼間側
電流系構造は定量には明らかになっていない。
本研究では、昼間側でのPi2の電離層電流系の
形状を多点地上磁場データを用いた等価電流
分布とポテンシャルソルバーを用いた数値計算
からそれぞれ推定し、比較した。
観測データ解析方法
水平成分に関して主軸に沿った変動のみに注目する
水平成分の磁場変動振幅(
)の極大時に関し
て等価電流の方向を地磁気座標の地図上に描画する
Equivalent
current
of Pi2filt=[40
range
ASB 2012/02/03
10:30:56 intarval=5min
150]
magnetic
perturbation
offilt=[40
Pi2150]
range
ASB 2012/02/03
10:30:56 intarval=5min
0.5
0.5
H [nT]
H [nT]
90°時計回りに回転
0
−0.5
−0.5
0
D [nT]
0.5
電離圏電流
地上磁力計
0
−0.5
−0.5
磁場変動
0
D [nT]
0.5
磁場データ
イベント1の解析に使用したデータの観測点と高度100 kmでの昼夜境界
MAGDAS/CPMN
JMA, GSI
INTERMAGNET (exept BCMT and USGS)
THMIS gmags (USGS and McMAC)
BCMT
BMCT
90
60
30
90
120
150
180
-150
-120
-90
-60
-30
0
30
60
-30
朝側
2012-02-02/23:13:41
-60
夕方側
-90
• 赤道-中緯度( ¦磁気緯度¦<60 )
• 昼間側(日射領域)での観測点の数は41
• 1秒値
• 地理座標データのものは偏角の日平均で地磁気座標に変換
AL index, 各LT帯の波形 (40-150 s)
2012-03-22/21:35:45
0
hhmm
2012 Feb 02
Mon Feb 9 16:24:16 2015
-150
AL index
2300
0000
Feb 03
H真夜中前
真昼前
H
真昼後
Fri Feb 13 15:01:44 2015
H
H
2310
2320
夕方
2
1
0
-1
-2
1.0
0.5
0.0
-0.5
-1.0
1.0
0.5
0.0
-0.5
-1.0
1.0
0.5
0.0
-0.5
-1.0
AL
0100
D-comp
hhmm
2012 Feb 02
D
D
D
Fri Feb 13 15:01:49 2015
-200
-250
hhmm
2200
2012
Feb 02
SJG
TUC
ASB
L= 1.3
L= 1.7
L= 1.6
CLF
MLT=18.5hr MLT=14.8hr MLT= 8.1hr
L= 2.0
[nT]
[nT]
[nT]
MLT=23.2hr
[nT]
2
1
0
-1
-2
1.0
0.5
0.0
-0.5
-1.0
1.0
0.5
0.0
-0.5
-1.0
1.0
0.5
0.0
-0.5
-1.0
H-comp
-100
SJG
TUC
ASB
L= 1.3
L= 1.7
L= 1.6
CLF
MLT=18.5hr MLT=14.8hr MLT= 8.1hr
L= 2.0
[nT]
[nT]
[nT]
MLT=23.2hr
[nT]
Prov. AE
(1-min)
[nT]
-50
D
2310
2320
H成分は真昼前(朝方)でははっきりしないがほぼ同位相で振動。
Ｄ成分では経度方向の位相の反転が4回見られる。 (Terminator付近での位相反転 [Imajo et al., 2015, accepted for JGR])
真昼前の磁場(40-150s)
hhmm
2012 Feb 02
2310
2320
2310
2320
1.0
0.5
0.0
-0.5
-1.0
1.0
0.5
0.0
-0.5
-1.0
0.6
0.4
0.2
-0.0
-0.2
-0.4
-0.6
0.6
0.4
0.2
-0.0
-0.2
-0.4
-0.6
2
1
0
-1
-2
D-comp(東西成分)
Fri Feb 13 15:20:16 2015
1.0
0.5
0.0
-0.5
-1.0
1.0
0.5
0.0
-0.5
-1.0
0.6
0.4
0.2
-0.0
-0.2
-0.4
-0.6
0.6
0.4
0.2
-0.0
-0.2
-0.4
-0.6
2
1
0
-1
-2
H-comp(南北成分)
Fri Feb 13 15:20:08 2015
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
Fri Feb 13 15:20:06 2015
DAV
L= 1.0
MLT= 6.9hr
[nT]
CBI
L= 1.1
MLT= 8.1hr
[nT]
KAK
L= 1.3
MLT= 7.9hr
[nT]
ASB
L= 1.6
MLT= 8.1hr
[nT]
PTK
L= 2.1
MLT= 8.9hr
[nT]
(水平成分振幅)
2310
① ② ③ ④
水平方向の振幅極大時は観測点間でほぼ同時。
D/H振幅比は緯度が上がるほど大きい。
2320
真昼後の磁場(40-150s)
hhmm
2012 Feb 02
2310
2320
2310
2320
2
1
0
-1
-2
2
1
0
-1
-2
2
1
0
-1
-2
1.0
0.5
0.0
-0.5
-1.0
1.0
0.5
0.0
-0.5
-1.0
D-comp(東西成分)
Fri Feb 13 17:06:14 2015
2
1
0
-1
-2
2
1
0
-1
-2
2
1
0
-1
-2
1.0
0.5
0.0
-0.5
-1.0
1.0
0.5
0.0
-0.5
-1.0
H-comp(南北成分)
Fri Feb 13 17:06:09 2015
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
Fri Feb 13 17:06:04 2015
SATX
PCEL
BENN
AMER
WRTH
L= 1.7
L= 2.1
L= 2.7
L= 2.4
L= 3.0
MLT=15.8hr MLT=15.8hr MLT=15.9hr MLT=15.9hr MLT=15.9hr
[nT]
[nT]
[nT]
[nT]
[nT]
(水平成分振幅)
2310
① ② ③ ④
水平方向の振幅極大時は観測点間でほぼ同時。
D/H振幅比は真昼前(朝側)より小さい。
2320
等価電流分布
①
90
60
30
90
120 150 180 -150 -120 -90
-60
-30
0
30
-30
1nT
2012-02-02/23:13:41
-60
-90
90
午後側に比べ、午前側のほうでより南北成分の電流が卓
60
越する非対称な等価電流系をしている。
60
等価電流分布の時間変化
90
①
90
②
60
60
30
90
120 150 180 -150 -120 -90
-60
-30
0
30
30
60
90
120 150 180 -150 -120 -90
-60
-30
-30
2012-02-02/23:13:41
2012-02-02/23:14:18
④
60
120 150 180 -150 -120 -90
-60
-30
0
-60
2012-02-02/23:15:11
-90
60
60
30
30
60
90
120 150 180 -150 -120 -90
-60
-30
1nT
30
-90
90
30
90
60
-60
1nT
-90
90
③
30
-30
-60
1nT
0
-30
0
-30
1nT
2012-02-02/23:15:52
等価電流系の形状は維持したまま振動している
-60
-90
ASB
L= 1.6
MLT= 6.8hr
[nT]
イベント2 (2012-03-22/21:35:00)
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
hhmm
2012 Mar 22
2130
H-comp
2
1
0
-1
-2
2140
①②③ ④
2130
2140
2
1
0
-1
-2
D-comp
2130
2140
90
①
90
②
60
60
30
120 150 180 -150 -120 -90
-60
-30
0
30
30
60
90
120 150 180 -150 -120 -90
-60
-30
-30
2012-03-22/21:34:28
2012-03-22/21:34:54
-30
0
2012-03-22/21:35:20
-60
-90
60
90
30
30
60
90
120 150 180 -150 -120 -90
-30
1nT
30
60
30
-60
90
-90
90
④
60
120 150 180 -150 -120 -90
60
-60
1nT
-90
90
③
30
-30
-60
1nT
0
-60
-30
0
-30
1nT
2012-03-22/21:35:45
-60
-90
ASB
L= 1.6
MLT= 8.6hr
[nT]
イベント3 (2012-03-02/23:35:00)
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
hhmm
2012 Mar 02
2330
①
H-comp
1.0
0.5
0.0
-0.5
-1.0
2340
2330
④
③
②
90
①
2340
1.0
0.5
0.0
-0.5
-1.0
D-comp
2330
2340
90
②
60
60
30
90
120 150 180 -150 -120 -90
-60
-30
0
30
30
60
90
120 150 180 -150 -120 -90
-60
-30
-30
2012-03-02/23:33:28
2012-03-02/23:34:05
④
60
120 150 180 -150 -120 -90
-60
-30
0
2012-03-02/23:34:40
-60
-90
60
60
30
30
60
90
120 150 180 -150 -120 -90
-30
1nT
30
-90
90
30
90
60
-60
1nT
-90
90
③
30
-30
-60
1nT
0
-60
-30
0
-30
1nT
2012-03-02/23:35:14
-60
-90
電離圏ポテンシャルソルバーを用いた数値計算
1
[ ] Another important
assumption of the thin shell
r • J ¼ j sin I;
ð7Þ
þ s0 cos2 I
&sH sin I
ðs 0 &
jj sP Þ sin I cos I
16
is that the vertical variations of horizontal electric fie
sin I
sP
&sH cos I
negligibly small.
Under
this assumption,
we can perfo
Tsunomura,
1999;
Nakamizo
et
al.,
2012
2
2
Þthe
sin I cos
I
s
cos
I
s
cos
I
þ
s
sin
I
height-integration
0
densityH of thePFAC (positive
for
downward).of the above equations independ
electric field. Then the final form of the Ohm’s law
ð2bÞ
Equations
nd (7), we finally obtain
two-dimensional ionosphere is
C
A;
Thin Shell model [e.g.
current continuity equation
p angle of the local magnetic field. We denote
the three-dimensional
&jjj sin I ¼ system
r • ðSby•the
rFprime
Þ:
oid the confusion with those in the
twoElectrostatic
tem described below.
Inclination
potential
rtant
assumption
for the thin shell model is
FAC
current density
ospheric
current in the vertical direction is
hight integrated conductivity tensor
l ( j′z ≈ 0), which is consistent with the
the thickness of the ionosphere is much
horizontal scales. Here we can derive the twotem from the three-dimensional system in the
ming j′z = 0, E′z can be related to E′q and E′8 as
!
"
!
"
szq
′
szf
′
Eq′ þ &
Ef′:
Ez′ ¼ &
szz′
szz′
ð3Þ
on (3), the horizontal current in equation (2a)
514 (longitude)
nlygrid
withsize
the: horizontal
electricx 513
field,(latitude)
]
Ohm’s law
!
Jq
Jf
"
¼
!
Sqq
ð8Þ
Sfq
Sqf
Sff
"!
"
Eq
; or
Ef
J ¼ S•E
¼ S • ð&rFÞ;
: latitudinal
electric field
current density
: longitudinal
Z
Z
sP s0
;
Sqq ¼ sqq ¼
2
2
sP cos I þ s0 sin I
Z
EquationZ to be solved
sH s0 sin I
Sqf ¼ &Sfq ¼
Sff ¼
Z
sff
sqf ¼ &
Z !
¼
sP þ
sP
cos2
2
2
I þ s0 sin I
2
sH cos I
sP cos2 I þ s0 sin2 I
;
"
;
ポテンシャルΦについて
(The grid size of the figure is reduced by 1/8) where解き、電場、電流を計算する
J is the height-integrated current density, S
インプット(FACと伝導度)
downward
upward
Conductivity tensor are calculated by the same method as Nakamizo et al. [2012] with
input parameters at the first event. This method includes the modifications by auroral
precipitation [Hardy et al., 1987] and equatorial Cowling conductivity [Tsunomura, 1999].
数値計算から得られた電離層電流
westward electrojet
※背景は高度積分
電流密度の絶対値
• 赤道で電流が強化されている。
• 午後側に比べ、午前側のほうでより南北成分の電流が卓越する非対
称な電流系をしている。
偏ったFAC配置の場合
対称な場合
夕方側寄り
朝方側寄り
• 昼間側で閉じる電流系の非対称性に対するFACの非対称性の依存は小さい
• イベントごとのFACの構造は昼間側電流系にあまり影響しないと考えられる
Hall分極によるpotential のゆがみ [Yoshikawa et al., 2013]
夕方側ではFACと逆センスの
朝側ではFACと同じセンスの
電荷が昼夜境界に溜まる
電荷が昼夜境界に溜まる
1.5
ポテンシャル分布
12LT
1
0.5
18LT
6LT
夕方側では高緯度側にポテ
ンシャルが押し込められる
0LT
朝側では低緯度側にポテン
シャルが張り出す
電流の非対称性にはHall currentとその分極場に伴う電流が寄与する
まとめ
昼間側でのPi 2の電離層電流系の形状を地上磁場データを用いた等価電流分布
とポテンシャルソルバーを用いた数値計算からそれぞれ推定し、比較した。
結果 観測、数値計算共に、赤道付近での東西の電流に繋がる南北成分電離層電流が見
られ、午後側に比べ、午前側のほうでより南北成分の電流が卓越する非対称な構
造を持っている。FACの構造は昼間側電流系の形状にはあまり影響しない。電流の
非対称性にはHall電流とHall分極場に伴う電流が寄与する。
90
結論
60
昼間側Pi2の主軸方向の変動は、
30
夜側FACの振動をソースとした
昼間側電離層振動電流系により
解釈できる。
90
120 150 180 -150 -120 -90
-60
-30
0
-30
1nT
2012-02-02/23:13:41
-60
-90
90
60
30
60
END
Thank you for your attention
Acknowledgement:
This work was supported in part by JSPS Core-to-Core Program, B. Asia-Africa Science Platforms.
MAGDAS/CPMN magnetic data were provided by PI of MAGDAS/CPMN project (http://
magdas.serc.kyushu-u.ac.jp/). We thank the national institutes that support INTERMAGNET for
promoting high standards of magnetic observatory practice (www.intermagnet.org). Magnetic data from
KAK, CBI and KNY are provided by JMA. We acknowledge NASA contract NAS5-02099 and V.
Angelopoulos for use of data from the THEMIS Mission. US Geological Survey magnetometers: Original
data provided by the USGS Geomagnetism Program (http://geomag.usgs.gov). McMAC magnetometers:
Peter Chi for use of the McMAC data and NSF for support through grant ATM-0245139. This work is
supported by the Inter-University Upper Atmosphere Global Observation Network (IUGONET) project
funded by the Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology (MEXT), Japan.

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