Role of ionospheric hall effect on the energy balance in the magnetosphere-ionosphere coupled system

Abstract

The role of ionospheric Hall effect on the energy balance in the Magnetosphere-Ionosphere (M-I) coupled system through the Field Aligned Current (FAC) is discussed. It is well known that the ionospheric Hall current can not be dissipated or worked on the external system (the inner product of JHALL and E = 0). However, it is also true that the ionospheric rotational Hall current excited by the incident FAC, and it generates the Poynting fluxes of poloidal type magnetic field to the magnetosphere and atmosphere. From a viewpoint of energy conservation law, it seems that there are some ambiguities above two contexts. By dividing the total currents concerning the M-I coupling into the divergent and rotational current systems, the role of ionospheric Hall effect in the energy balance between ionospheric Joule dissipation and Poynting flux of wave fields was cleared up. It was confirmed that the net works between these current systems done by the Hall effect are canceled out each other, but the rotational current system spend a energy of FAC (divergent current) through the divergent Hall current. The relation of (the inner product of JHALL and E = 0) in total current system fairly means the relation of (the inner product of JHALL and E in divergent system) + (the inner product of JHALL and E in rotational system) = 0. To put the above argument in another way, the finite divergent Hall current pumps up the energy of the FAC system into the rotational Hall current during its growing stage (inductive process), for the buildup of the large scale steady Hall current in the ionosphere. The new theory clarify, when the ionospheric rotational current system or electrojet current system are growing up, how they get their growing energy from the FAC system, and what is the carrier of such energy transfer. A new theory can be easily applied to the formation process of auroral electrojet and equatorial electrojet current systems.

磁気圏電離圏(M-I)結合でのエネルギー収支における、ホール効果の沿磁力線(FAC)を介した役割について議論した。電離圏ホール電流は散逸できず、外部の系に対し仕事もしないことが知られている(JHALL・E=0)。ところが、入射したFACによって電離圏回転ホール電流が励起され、これがポロイダル型磁場の磁気圏および大気圏へのポインティングフラックスを生じることもまた事実である。エネルギー保存則の観点からは、これら2つの状況にはいくつかの不定性があるようにみえる。M-I結合に関する全電流を発散成分と回転成分の系に分けることにより、電離圏での、ジュール散逸および電磁波のポインティングフラックスの間のエネルギー収支における電離圏ホール効果の役割を明らかにした。これらの電流系間の、ホール効果による正味の仕事はお互いに打ち消し合うが、回転成分の電流系は発散ホール電流を介してFAC(発散電流)のエネルギーを消費することを確認した。全電流系のJHALL・E=0という関係は、(発散成分系のJHALL・E)+(回転成分系のJHALL・E)=0を意味しているとするのが適切である。上記の議論を言い換えれば、電離圏において大規模定常ホール電流を形成するために、有限の発散ホール電流がその増幅段階(誘導過程)でFAC系のエネルギーを回転ホール電流にくみ上げていると考えられる。この新しい理論は、いつ電離圏の回転成分電流系ないしエレクトロジェット電流系が増幅するか、それらがいかにしてFAC系から増幅するためのエネルギーを獲得するか、また、そのようなエネルギー輸送の媒体が何であるかを明らかにするものである。この理論はオーロラエレクトロジェット系および赤道エレクトロジェット電流系の形成にも簡単に応用できる。