The Substorms Impact on Processes in the Ionosphere and Plasmasphere of the Earth
- Authors: Kotova G.A.1, Khalipov V.L.1, Stepanov A.E.2, Bezrukykh V.V.1
-
Affiliations:
- Space Research Institute, Russian Academy of Sciences
- Shafer Institute of Cosmophysical Research and Aeronomy, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences
- Issue: Vol 64, No 2 (2024)
- Pages: 208-216
- Section: Articles
- URL: https://ruspoj.com/0016-7940/article/view/650940
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0016794024020043
- EDN: https://elibrary.ru/DZKGKH
- ID: 650940
Cite item
Abstract
During magnetospheric substorms in the F region of the ionosphere and up to altitudes of ~1000 km, a polarization jet (PJ) is developed. Measurements of energetic ring current ions on the AMPTE/CCE satellite and driftmeter data on the DMSP satellites evidence that the formation of PJ is associated with the injection of energetic ions (10–100 keV) into the inner magnetosphere during substorms. In the region of PJ development, the characteristics of the ionospheric plasma change: the plasma density decreases, sometimes by an order of magnitude, and at the same time, the plasma temperature increases significantly. In addition, simultaneously with the westward plasma drift, upward plasma drift is usually observed. The upward ion flux from the region of PJ development of ~109 cm–2 s–1 is an order of magnitude greater than the average daytime ion flux from the ionosphere to the plasmasphere. Measurements on the MAGION-5 satellite in the plasmasphere on the same L-shells, where the polarization jet is recorded in the ionosphere, show an increase in the cold ion density. The density “humps” observed near the plasmapause are apparently formed due to plasma flows from the ionosphere accompanying the formation of the polarization jet. Thus, the consequences of substorms are observed throughout almost the entire magnetosphere.
Full Text

About the authors
G. A. Kotova
Space Research Institute, Russian Academy of Sciences
Author for correspondence.
Email: kotova@iki.rssi.ru
Russian Federation, Moscow
V. L. Khalipov
Space Research Institute, Russian Academy of Sciences
Email: kotova@iki.rssi.ru
Russian Federation, Moscow
A. E. Stepanov
Shafer Institute of Cosmophysical Research and Aeronomy, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences
Email: kotova@iki.rssi.ru
Russian Federation, Yakutsk
V. V. Bezrukykh
Space Research Institute, Russian Academy of Sciences
Email: kotova@iki.rssi.ru
Russian Federation, Moscow
References
- Галеев А.А. Механизм магнитосферной суббури // Успехи физ. наук. 1979. Т. 127. № 3. С. 535—536. https://doi.org/10.3367/UFNr.0127.197903l.0535
- Гальперин Ю.И., Пономарев В.Н., Зосимова А.Г. Прямые измерения скорости дрейфа ионов в верхней ионосфере во время магнитной бури // Космич. исслед. 1973. Т. 11. № 2. С. 273—296.
- Деминов М.Г. Ионосфера Земли // Плазменная гелиогеофизика. В 2 т. Т. 2 / Под ред. Л.М. Зеленого, И.С. Веселовского. М.: Физматлит, 2008. С. 92–163.
- Котова Г.А. Плазмосфера Земли. Современное состояние исследований // Геомагнетизм и аэрономия. 2007. Т. 47. С. 1—16. https://doi.org/10.1134/S0016793207040019
- Кринберг И.А., Тащилин А.В. Ионосфера и плазмосфера. М.: Наука, 1984. 177 с.
- Степанов А.Е., Халипов В.Л., Бондарь Е.Д. Сопоставление характеристик поляризационного джета на разнесенных станциях Якутск — Подкаменная Тунгуска // Космич. исслед. 2008. Т. 46. № 2. С. 116—121. https://doi.org/10.1134/S0010952508020032
- Степанов А.Е., Голиков И.А., Попов В.И., Бондарь Е.Д., Халипов В.Л. Структурные особенности субавроральной ионосферы при возникновении поляризационного джета // Геомагнетизм и аэрономия. 2011. Т. 51. № 5. С. 643—649. https://doi.org/10.1134/S0016793211050136
- Степанов А.Е., Халипов В.Л., Котова Г.А., Заболоцкий М.С., Голиков И.А. Данные наблюдений крупномасштабной конвекции плазмы в магнитосфере в зависимости от уровня геомагнитной активности // Геомагнетизм и аэрономия. 2016. Т. 56. № 2. С. 194—199. https://doi.org/10.1134/S0016793216010114
- Степанов А.Е., Халипов В.Л., Голиков И.А., Бондарь Е.Д. Поляризационный джет: узкие и быстрые дрейфы субавроральной ионосферной плазмы. Якутск: Издательский дом СВФУ, 2017. 176 с.
- Степанов А.Е., Кобякова С.Е., Халипов В.Л., Котова Г.А. Результаты наблюдений дрейфов ионосферной плазмы в области поляризационного джета // Геомагнетизм и аэрономия. 2019. Т. 59. № 5. С. 578—581. https://doi.org/10.1134/s001679321905013x
- Халипов В.Л., Гальперин Ю.И., Степанов А.Е., Шестакова Л.В. Формирование поляризационного джета в ходе взрывной фазы суббури: результаты наземных измерений // Космич. исслед. 2001. Т. 39. Вып. 3. С. 244—253. https://doi.org/10.1023/A:1017573319665
- Халипов В.Л., Степанов А.Е., Котова Г.А., Бондарь Е.Д. Вариации положения поляризационного джета и границы инжекции энергичных ионов во время суббурь // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 56. № 2. С. 187—193. 2016а. https://doi.org/10.1134/S0016793216020080
- Халипов В.Л., Степанов А.Е., Котова Г.А., Кобякова С.Е., Богданов В.В., Кайсин А.В., Панченко В.А. Вертикальные скорости дрейфа плазмы при наблюдении поляризационного джета по наземным доплеровским измерениям и данным дрейфометров на спутниках DMSP // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 56. № 5. С. 568—578. 2016б. https://doi.org/10.1134/S0016793216050066
- Anderson P.C., Heelis R.A., Hanson W.B. The ionospheric signatures of rapid subauroral ion drifts // J. Geophys. Res. 1991. V. 96. № A4. P. 5785—5792. https://doi.org/10.1029/90JA02651
- Anderson P.C., Hanson W.B., Heelis R.A., Craven J.D., Baker D.N., Frank L.A. A proposed production model of rapid subauroral ion drifts and their relationship to substorm evolution // J. Geophys. Res. 1993. V. 98. P. 6069—6078. https://doi.org/10.1029/92JA01975
- Foster J., Burke W. SAPS: A new categorization for subauroral electric fields // EOS Trans. AGU. 2002. V. 83. P. 293—294. https://doi.org/10.1029/2002EO000289
- Foster J.C., Vo H.B. Average characteristics and activity dependence of the subauroral polarization stream // J. Geophys. Res. 2002. V. 107. № A12. P. 1475. https://doi.org/10.1029/2002JA009409
- Galperin Yu.I., Ponomarev V.N., Zosimova A.G. Plasma convection in the polar ionosphere // Ann. Geophys. 1974. V. 30. P. 1—7.
- Gloeckler G., Ipavich F.M., Studemann W., et al. The charge-energy-mass-spectrometer for 0.3—300 kev/e ions on the Ampte CCE // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1985. V. GE_23. № 3. P. 234—240. https://doi.org/10.1109/TGRS.1985.289519
- Khalipov V.L., Galperin Yu.I., Stepanov A.E., Bondar’ E.D. Formation of polarization jet during injection of ions into the inner magnetosphere // Adv. Space Res. 2003. V. 31. № 5. P. 1303—1308. https://doi.org/10.1016/S0273-1177(03)00016-4
- Khazanov G. Kinetic theory of the inner magnetospheric plasma // Astrophysics and Space Science Library 372. New York: Springer, 2011. https://doi.org/10.1007/978-1-4419-6797-8
- Kitamura N., Seki K., Keika K., Nishimura Y., Hori T., Hirahara M., Lund E.J., Kistler L.M., Strangeway R.J. On the relationship between energy input to the ionosphere and the ion outflow flux under different solar zenith angles // Earth Planets and Space. 2021. V. 73. № 202. https://doi.org/10.1186/s40623-021-01532-y
- Kotova G., Bezrukikh V., Verigin M. The effect of the Earth’s optical shadow on thermal plasma measurements in the plasmasphere // J. Atm. Solar-Terr. Phys. 2014. V. 120. P. 9—14. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2014.08.013
- Kotova G., Verigin M., Lemaire J., Pierrard V., Bezrukikh V., Smilauer J. Experimental study of the plasmasphere boundary layer using MAGION5 data // J. Geophys. Res. 2018. V. 123. P. 1251—1259. https://doi.org/10.1002/2017JA024590
- Kotova G., Khalipov V., Stepanov A., Bezrukikh V. Signatures of the polarization jet in the plasmasphere // J. Atm. Sol.-Terr. Phys. 2023. Available at SSRN (Social Science Research Network). http://dx.doi.org/10.2139/ssrn.4454933
- Landry R.G., Anderson P.C. An auroral boundary-oriented model of subauroral polarization streams (SAPS) // J. Geophys. Res. 2018. V. 123. P. 3154—3169. https://doi.org/10.1002/2017JA024921
- Lemaire J.F. and Gringauz K.I. with contribution from Carpenter D.L. and Bassolo V. The Earth’s Plasmasphere. Cambridge: Cambridge University Press, 1998.
- Moffett R.J., Ennis A.E., Bailey G.J., Heelis R.A., Brace L.H. Electron temperatures during rapid subauroral ion drift events // Ann. Geophysicae. 1998. V. 16. P. 450—459. https://doi.org/10.1007/s00585-998-0450-x
- Ness N.F. The Earth’s magnetic tail // J. Geophys. Res. 1965. V. 70. P. 2989—3005. https://doi.org/10.1029/JZ070i013p02989
- Rodger A.S., Moffet R.J., Quegan S. The role of the ion drift in the formation of ionization troughs in the mid- and high-latitude ionosphere — A Review // J. Atm. Terr. Phys. 1992. V. 54. P. 1—30. https://doi.org/10.1016/0021-9169(92)90082-V
- Smiddy M., Kelley M.C., Burke W.J., Rich R., Sagalyn R., Shuman B., Hays R., Lai S. Intense poleward directed electric fields near the ionospheric projection of plasmapause // Geophys. Res. Lett. 1977. V. 4. P. 543—546. https://doi.org/10.1029/GL004i011p00543
- Southwood D.J., Wolf R.A. An assessment of the role of precipitation in magnetospheric convection // J. Geophys. Res. 1978. V. 83. P. 5227—5232. https://doi.org/10.1029/JA083iA11p05227
- Spiro R.W., Heelis R.A., Hanson W.B. Rapid subauroral ions drifts observed by Atmospheric Explorer C // Geophys. Res. Lett. 1979. V. 6. № 8. P. 657—660. https://doi.org/10.1029/GL006i008p00657
- Stephens G.K., Sitnov M.I., Korth H., Tsyganenko N.A., Ohtani S., Gkioulidou M., Ukhorskiy A.Y. Global empirical picture of magnetospheric substorms inferred from multimission magnetometer data // J. Geophys. Res. 2019. V. 124. P. 1085—1110. https://doi.org/10.1029/2018JA025843
- Wang H., Lühr H. Seasonal variation of the ion upflow in the topside ionosphere during SAPS (subauroral polarization stream) periods // Ann. Geophys. 2013. V. 31. P. 1521—1534. https://doi.org/10.5194/angeo-31-1521-2013
- Yeh H.C., Foster J.C. Storm time heavy ion outflow at mid-latitude // J. Geophys. Res. 1990. V. 95. P. 7881—7891. https://doi.org/10.1029/JA095iA06p07881
Supplementary files
