平成26年度名古屋大学太陽地球環境研究所研究集会及び第263回生存圏シンポジウム「太陽地球環境データ解析に基づく超高層大気の空間・時間変動の解明」(京大セミナーハウス, 2015.2.20)

グローバル地磁気観測によるサブストーム
電流系の研究菊池崇、橋本久美子
T. Kikuchi1, K. K. Hashimoto2,
1 Solar-Terrestrial Environment Laboratory, Nagoya University
2 Kibi International Universityサブストーム電離圏等価電流系
成長相(DP2)と爆発相(DP1)[Iijima and Nagata, 1972]

Growth phase (DP2)

Expansion phase (DP1)H  0H  0H  0H  0H  0H  0H  0IMFによるDP2 磁場変動と等価電流(IMF-極域磁場-赤道磁場)
Quasi-periodic DP2 magnetic fluctuations
are caused by convection electric fieldscontrolled by the southward IMF.
(Nishida, JGR 1968)サブストーム成長相のDP2と爆発相の過遮蔽電場・磁場(EISCAT電場とIMAGEチェーン磁場)
The magnetic
perturbations are causedby the ionospheric Hallcurrents.

IMAGE Magnetometer chain
Growth phase

Expansion phase

EISCATEISCAT

Hall currents(Kikuchi et al.,JGR 1996)

DP2

Overshieldingオーロラ帯(EISCAT)と中緯度(Nurmijarvi)におけるサブストーム時の対流電場(E1)と過遮蔽 電場(E2)

Overshielding occurs when theR2 FAC electric field overcomesthe R1 FAC electric field when
the R1 FACs decrease rapidly.

(Kikuchi et al., JGR 2000)

成長相(DP2)と爆発相(過遮蔽)の赤道磁場(EEJ, CEJ)

Latitudinal profile of the DP2

Kikuchi et al. ( JGR 1996, 2000)

Magnetometer chain in the afternoon sector

Auroral latitude

DP2

Latitudinal profile of the negative bay

Overshielding

EEJ

Equator

CEJ準周期DP2変動の極・赤道磁場変動の同時発達（25秒以内）(領域1型沿磁力線電流 –赤道ジェット電流回路)

High Latitude

R = 0.9Equator

T = 25 sec

The excellent correlation between the highlatitude and equatorial DP2 suggests nearinstantaneous transmission of the electricfield and current to the equator.

A current circuit is completed
between the R1 FACs and theequatorial currents.
(Kikuchi et al., JGR 1996)

IMF Bz

サブストーム時に対流電場と過遮蔽電場が同時に発達

Greenland west coast

18.5 MLT
昼側,磁気赤道13 MLT

11 MLT
01 MLT(Hashimoto et al., JGR2011)サブストーム時の過遮蔽電流（Pedersen電流）による中緯度Y/D-成分（赤道CEJー中緯度Pedersen電流回路）(Hashimoto et al., JGR2011)

The H-component decreases
gradually at all mid latitude
stations, caused by the partial ringcurrent.
The D-component deflections arenegative in the morning (BOU,TUC) and positive in theafternoon sector (GUI, MBO),
which should be caused byionospheric currents closing withthe equatorial CEJ.

昼間赤道の過遮蔽電流(CEJ)が夜間positive bayより2分早く開始

01 MLT

13 MLT(Hashimoto et al., JGR2011)サブストームの三次元電流系（Current wedgeの内側に部分環電流PRCが発達）(Kamide et al. 1976)

赤道電離圏に延びるサブストーム過遮蔽電流（PRC-R2FAC-CEJ回路）
R1 FACs Dynamo in theDayside Outer Magnetosphere

R1 FACs
R2 FACs Dynamo in theNightside Inner Magnetosphere

R2 FACs

R2 FACs

Eastward Electrojet(DP1)
HallCurrent
Reversed Ionospheric
Currents at Mid-latitudes
12 MLT

Equatorial
Counter-Electrojet(Kikuchi et al., JGR 2003)

Partial Ring Current

サブストーム時の対流電場と過遮蔽電場による電離圏対流のSuperDARN観測The sunward convectionin the afternoon sector isintensified at the onset ofsubstorm.
The anti-sunward
convection appears
equatorward of thesunward convection.
The latitudinal features of
the convection flow
implies development of
the R2 FACs.

サブストームの過遮蔽電場によるプラズマ流の反転(Hashimoto et al., JGR 2011)グローバルMHDシミュレーションにより再現されたＲ１ＦＡＣダイナモ（dynamo currents (red) andthe R1 FACs (black)）[Tanaka, JGR 1995]

グローバルMHDシミュレーションで再現されたサブストーム電流系
A ring current-R2 FAC current
circuit is completed between theinner magnetosphere and auroral
ionosphere at the onset of thesubstorm.
Substorm R1 FACs are generated
by the dayside cusp dynamo(Tanaka et al., JGR 2010)グローバルMHDシ
ミュレーションで再現されたサブストームのＲ１ＦＡＣ，Ｒ２ＦＡＣ(Tanaka et al., JGR 2010)

Growthphase

ExpansionphaseグローバルMHDシミュレーションで再現されたサブス
トームのＲ１ＦＡＣ，Ｒ２ＦＡＣの時間変化(Courtesy of Fujita and Tanaka)
Both the R1 and R2 FACs increase significantly during the expansion phase inagreement with the observations.
The R2 FACs are strong enough to cause the overshielding at low latitude.
Substorm onset
Growth phase

Expansion phase
R1 FACs

R2 FACs

Advantages of the current description[Alfvén, H., Cosmic Plasma, 1981]
it is advantageous to translate the traditional field descriptionof plasma phenomena in space into a current description.
This gives a deeper understanding of those phenomena in thefollowing respects: (1) The circuit representation demonstrates the importance ofboundary conditions which have often been forgotten.
 (2) By studying the electromotive forces driving the current
and the regions of dissipation, the energy transfer from one
region to another is more easily understood.
 (3) Certain types of important current-produced phenomena,
including the formation of double layers, are difficult tounderstand without accounting for the current explicitly.
Magnetosphere-ionosphere-ground (MIG)伝送線によるエネルギー伝送
Transmission line equation
1   2V 2V
V 
 ,
22 2Vph  t
xt 

一対の磁力線を伝送線で置換し、地球電離圏導波管を伝送線を置換すると、2種の伝送線が結合した伝送線系ができる。
電離圏はエネルギーの消費地であると同時に伝送路でもある。
(Kikuchi, JGR 2014)1  2 I
2II   ,
22 2Vph  t
xt where Vph 2 

1R(phase velocity) ,  = (attenuation rate).
LCLMagnetosphere-ionosphere-ground (MIG)
伝送線によるエネルギー伝送
Poynting flux(Kikuchi, JGR 2014)

DynamoFAC-2(-)

FAC-1(+)

Magnetic field line

H
Inner magnetosphere

Polar ionosphere
H

Induced currents on the ground

Earth

Pedersen currents

Low latitude
ionosphere
Wave front currents of
the TM 0 mode waves

まとめ

南向きIMFにより対流電場とR1 FACsのダイナモが形成され（MHDシミュレーション)、電場・電流が極域電離圏を経由して中低緯度電離圏へ伝送される(MIG伝送線)。



対流電場が内部磁気圏へ伝送され、過遮蔽電場とR2 FACsを生成する。
IMF変動によるDP2変動時にはR1 FACs とR2 FACsの両方が寄与する。



サブストーム/ストーム時にR1 FACsとR2 FACs が強められ、中低緯度電離圏に伝送される。特に、過遮蔽電場が低緯度電離圏で強くなり、ＣＥＪや電離圏変動の原因となる。

電場・電流は、磁気圏で磁力線を伝送線とし、地面電離圏導波管を伝送線として中低緯度電離圏へ伝送される。Poynting fluxはAlfven波とTM0(TEM)モード波により伝送される。

MIG電流系は磁気圏から電離圏と地面へのエネルギー伝送路であり、グローバルデータの相関関係を解析することにより、全体像が理解できる。