Simulation on ring current formation: A case study of a storm on February 13, 1972

Abstract

A computer simulation scheme for the motion of energetic particles trapped in the Earth's magnetic field during a magnetic storm was developed. The particles are injected into the inner magnetosphere from the near-Earth plasma sheet by a strong inductive electric field due to a dipolarization in association with a substorm. The motion of the particles is traced by bounce-average approximation under a dipolar magnetic field and the Volland-Stern type convection field. The absolute quantity of a directional differential flux of the particles can be obtained. The azimuthal component of the current density and an H-component of the magnetic disturbance at the center of the Earth (Dst(sup *)) induced by the current, can be calculated. In this paper, the formation of the ring current and the magnetic disturbance on the moderate storm occurred on February 13-14, 1972, is examined. It is found that: (1) the inductive electric field due to the dipolarization may be one of major contribution to Dst(sup *) on this storm; (2) the steep variations of Dst(sup *) in the main phase cannot reproduced by the inductive electric field model; and (3) the intensity of Dst(sup *) is sensitive to the number density in the near-Earth plasma sheet, that is, an enhancement of the number density in the near-Earth plasma sheet may produce the steep and the major variations of Dst(sup *).

磁気嵐の中で地球磁場に捕獲された活動的な粒子の運動を、計算機で再現する方法を開発した。サブストームの影響による双極子型磁場形成のために生じた強い誘導電場により、粒子は地球近傍のプラズマシートから内側磁気圏へと入射する。粒子の運動を、双極磁場およびボランド・シュテルン型対流場のもとでのはねかえり平均近似によって追跡した。粒子の方向微分フラックスの絶対量が得られた。電流によって誘導される、地球中心での電流密度の方位角成分と磁気擾乱のH成分(Dst(sup *))を計算した。当論文では1972年2月13日から14日にかけて起こった中規模な嵐における、環電流の発生と磁気擾乱について調べた。結果として、(1)この磁気嵐では双極子型磁場形成による誘導電流がDst(sup *)に対する主要な寄与であったであろうこと、(2)主相でのDst(sup *)の急激な変化は誘導電場モデルでは再現できないこと、および(3)Dst(sup *)の強度は地球に近いプラズマシートの数密度に強く依存する、つまり、地球に近いプラズマシートの数密度の増加は、急激で大きなDst(sup *)の変化を起こしうることなどがわかった。