Fast equatorward separatrix motion in the nightside ionosphere just prior to substorm onsets

Abstract

Flow burst features in the nightside ionosphere were observed just prior to substorm onsets. The present authors have explored the flow burst phenomenon with an emphasis on its direct association with reconnection of magnetic field lines in the magnetosphere. Since magnetic reconnection is an open/close boundary layer (separatrix) process, it is needed to trace the location of the boundary in the ionosphere. The purpose of this paper is to discuss implications of the morphology from the point of view of substorms. Firstly morphological features are described on the horizontal component of ground-based magnetic record of a substorm occurred after a long period of a northward IMF (Interplanetary Magnetic Field). Doppler velocities observed by the Goose Bay radar showed an equatorward bursty flow region with high velocity and migrated equatorward with time. It can be concluded that the flow burst occurred at or a little equatorward of the polar cap boundary, showing that the bursts of flow are consequences of a boundary layer process. Another example of the substorm-associated flow burst phenomenon is also given. The substorm followed after a long period of the quiet magnetosphere associated with a northward IMF. As observed in the above two examples, the equatoward separatrix motion just prior to the substorm onset is several hundred m/s, to such an extent that one may doubt whether the polar cap can move at such a high speed. The polar cap boundary on the nightside moved much faster for the 5 min prior to the expansion phase onset than for the preceding early and middle growth phases. Further a question whether the fast-moving boundary at the end of the growth phase is a feature at all local time is discussed. Since the polar cap area is proportional to the total amount of open magnetic flux, it must be interpreted that the fast moving boundary at the end of the growth phase is not a feature at all local time, but confined to the nightside. Furthermore, the reason why the polar cap expands non-uniformly is discussed. There are at least two factors that control the shape of the separatrix: one is the magnetic flux budget through the separatrix by the reconstruction process, and the other is the magnetic field configuration itself. The fast-moving boundary at the end of the growth phase on the nightside would be attributable to the latter factor.

サブストーム直前に電離圏の夜側でバースト流が観測される。著者らは磁気圏内の磁力線再結合との直接の関係に注目して調べてきた。磁力線再結合は、開いた磁場と閉じた磁場の境界領域(セパラトリックス)での過程なので、電離圏内でのその境界位置の変化を追跡して調べる必要がある。本研究では、サブストームの観点から、バースト流の形態学について論じた。始めに、長期間の北向きIMF(惑星間磁場)の後に生じたサブストームについて地上で観測した磁気記録の水平成分の形態学的特徴について述べた。グース・ベイレーダによるドップラー速度の観測は、赤道方向への高速なバースト流域があり、時間とともに赤道方向に移動していることを示している。バースト流は極冠境界あるいはその少し赤道方向に外れたところで生じ、バースト流は境界層過程の結果であると結論できる。サブストームに伴うバースト流現象のもう1つの例を示した。このサブストームは、北向きIMFに伴った長期間の静穏磁気圏の後に起こった。上記の2つの例で見られるように、サブストーム開始直前の赤道向きセパラトリックスは数100m/sであり、極冠がそんなに高速で移動できるであろうかと疑うほどである。夜側極冠境界は、爆発相に先立つ5分間に、初期および中間成長相の間よりずっと早く動く。また、成長相の終段での高速境界は、すべての地方時における特徴であるかという疑問について論じた。極冠面積が開いた磁束の全量に比例するので、成長相の終わりの段階での高速移動境界は、すべての地方時の特徴ではなく、夜側に限られていると言える。さらに、極冠が非一様に拡大する理由は何かについて論じた。セパラトリックスの形を制御する因子は2つある。1つは再結合過程によりセパラトリックスが関与する磁束収支であり、他は磁束分布そのものである。成長相の終段での高速移動境界は、後者の磁束分布によるであろう。