CAMPOS ELETRICOS NA FORMACAO DA CAMADA- E

CAMPOS ELETRICOS NA FORMACAO DA CAMADAE ESPORADICA DURANTE TEMPOS CALMOS E
TEMPESTADES MAGNETICAS
M. A. Abdu, J. R. de Souza, A. M. Santos, I. S.
Batista J. H. A. Sobral
Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais –
INPE, Sao Jose dos Campos, Brazil.
[email protected]
SBGEA-­‐29 Set-­‐03 out 2014 Outline
Ø  Introdução:
Ø  Processos da formação da Camada E
esporádica (Es) em tempo quieto;
Ø  A eletrodinâmica da camada Es durante
tempestades magnéticas;
Ø  Conclusoes.
A camada E esporádica se forma
pela ação de cisalhamento de
ventos na região E da ionosfera,
como ilustrado na Figura.
Nas medias latitude onde as linhas
de campo magnético são bastante
inclinadas, o cisalhamento em
vento meridional produze a
convergências de íons levando a
formação da Es.
Nas baixas latitudes, e nas
altura < 115 km, o vento zonal
domina na convergência vertical
dos íons responsável pela
formação da camada.
Um vento para oeste causa
transporte do plasma para baixo
e um vento para leste causa o
transporte para cima, resultando
em convergência dos íons na
altura da velocidade zero, assim
formando a camada Es.
Electrodinamica dos processos ES
O mecanismo de geração e interrupção da
camada ES pelo campo elétrico vertical do
Hall
A grande maioria das camadas Es ocorre na
altura de ~105 km, aonde os transportes
verticais do plasma se conduzam tanto pelo
vento zonal como pelo campo elétrico
vertical conforme representado pela Eqn. 1
(1) dz
=
1 ⎡
⎢−
R i ⎣⎢
E
BH
z
0
+
n
d
dz
160
140
E y − %'
U y'
B 0 Ri
&
Ri=γi/ωi
d vZ
F O R T A L E Z A S E P T 1979
180
V irtua l H e ig ht (km )
R i "$ E z −
=
υ z 1+ 2 $
Ri # B 0
200
120
100
E
B
z
0
+
U
H
y
n
−
⎤
d
⎥ +
U
y
dz
⎦⎥
2
E
B R H
(2) 80
y
2
0
i
0
n
10
20
30
40
C o u n t o f E s layer O c c u rren c e
dυ z = 1 "$− E z + dE z %'
dz
R i $# B 0 H n dzB 0 '&
(3) E
V
= − ΣH
Σ
( EZ ) P
P
E y + B( L)U y +
J
Σ
z
P
50
60
O papel do campo elétrico vertical no processo da camada ES tem as seguintes caraterísticas operacionais: 1.  Um processo de convergência de íons dirigida por vento (com o cisalhamento ou não) poderá sofrer modi@icação por um campo elétrico imposto, resultando em reforço ou interrupção do processo. Tal situação ocorre principalmente durante o tempo quieto; 2.  Formação/ interrupção da camada Es pelo convergência/ divergência de íons pode ser causada pelo campo elétrico de penetração que ocorre somente durante tempestades magnéticas. O papel do campo elétrico vertical no processo da camada ES tem as seguintes caraterísticas operacionais: 1.  Um processo de convergência de íons dirigida por vento (com o cisalhamento ou não) poderá sofrer modi@icação por um campo elétrico imposto, resultando em reforço ou interrupção do processo. Tal situação ocorre principalmente durante o tempo quieto; O papel do campo elétrico vertical no processo da camada Es possui as seguintes caraterísticas operacionais: 1.  Um processo de convergência de íons dirigida por vento (com o cisalhamento ou não) poderá sofrer modi@icação por um campo elétrico imposto, resultando em reforço ou interrupção do processo. Tal situação ocorre principalmente durante o tempo quieto; O campo elétrico vertical no processo de camada Es durante o tempo quieto : 2-­‐ O campo elétrico vertical associado à PRE, fazendo parte do vórtice do plasma, ao por de sol, desempenha papel importante no processo de camada Es. Fejer et al., JGR 1991 Kudeki and Ba:acharyya JGR 1998 Post sunset plasma vortex of the F region driven by sunset electrodynamic processes, and electric @ield mapping to low latitude E region E
V
= − ΣH
Σ
P
E
P
y
+ B( L)U y +
J
Σ
z
P
Perfil vertical do campo elétrico vertical Ez
às 19:15 horas conforme o medelo baseado
nas medidas por foguetes sobre o Natal,
Brasil adaptado de Haerendel et al. (1992). Fz CP Quiet Kme: Post sunset Es layer Disrup3on/forma3on by PRE associated ver3cal electric field 600
400
NO V -­‐D E C 2001
F o rtalez a, F -­‐L yer h eig h t 500
300
10
8
6
4
2
0
10
F z -­‐ Ver. D rift
PRE
FORTALEZA Dip lat: 5° 200
60
40
20
0
-­‐20
-­‐40
F z -­‐ E s -­‐L ayer, foE s
8
CACHOEIRA PAULISTA Dip lat: 18° 6
4
2
0
foE s /fbE s (MH z ) V z (m /s )
H e ig ht (K M)
C . P -­‐ E s -­‐L ayer-­‐ foE s , fbE s
12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 U T
Storm time processes
PPEF para leste Deriva ve3cal para cima PPEF para oeste Deriva ver3cal para baixo Fejer et la 2008 Um campo elétrico zonal para
leste (oeste) induz um campo
elétrico Hall dirigido para cima
(baixo)
Storm time processes:
Es layer formation/disruption
Ez from Westward E-­‐field We have noted before that a downward Hall electric field can cause Es layer formaKon whereas an upward electric field will disrupt an ongoing Es layer Ez from Eastward E-­‐field S. LUIS
-5
FZ
o
10 N
Di
o
p
Eq
ua
to
r
o
JIC (11.95 S, 76.87 W)
-15
o
10 S
-20
o
20 S
C.PAULISTA
o
30 S
-25
-80
-75
-70
-65
-60
-55
-50
o
40 S
-45
-40
600
500
400
300
200
600
500
400
300
200
600
500
400
300
200
1
2
J IC
J IC
21 00 03 06 09 12 15 18 21 00 03 06 09 12 15 L T
SL
A E (nT ) B z (nT )
d ΔΗ (nT )
-35
LONGITUDE
LATITUDE
-10
500
400
300
200
30 O C T
29 O C T
Fz
o
20 N
6000
4500
3000
1500
3000
200
100
0
-­‐100
-­‐200
24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54 57 60 63 66 69 U T
CP
MAGNETIC DIP MAP
Geographic Equator
0
The intensity of the PPEF of westward polarity as determined from SUPIM simulaKon was ~ 3.5 mV/m. This westward PPEF induced a downward Hall electric field, under the E layer conducKvity enhanced by storm associated energeKc parKcle precipitaKon. r he ig ht (K M)
F -­‐ la ye
The Super Storm
of 29-30 Oct 2003
40
20
0
-­‐20
-­‐40
21 00 03 06 09 12 15 18 21 00 03 06 09 12 15 18 L T
F layer and E layer responses over Sao Luis, Fortaleza, C. Paulista and Jicamarca during the storm development star3ng at 0610 UT on 29 Oct 2003 These are clear cases of Es layer formation due to the under-­‐shielding electric @ield of westward polarity (downward Hall E-­‐@ield) 20
0
-­‐20
-­‐40
2000
A E (n T )
B z (n T )
1 5 MA Y 2 0 0 5
40
1500
1000
F orta le z a
400
hm F 2
300
F -­‐la y e r h t (K M)
500
200
hF : 3 ,4 ,5 -­‐-­‐ MH z
E s -­‐ la ye r 100
00
03
06
09
12
15
18
21
UT
Ez = ( dVz/dz Nmax/N0 ) Ey We can demonstrate, in an approximate way, how the PPEF can quanKtaKvely produce the Es layer with the observed characterisKcs. foE = 2.5 MHz (N = 6.6 x 1010/m3); iEs = 3.5 MHz (Nmax = 1.5x 1010/m3) so that Nmax/No = ~ 2.5 From the conKnuity equaKon for Es layering the esKmated value of ion convergence term: dVz/dz ≈ 3 m/s/km. From Eq.3 the corresponding Ez can be esKmated as ≈ 12 mV/m From the knowledge of the intensity of PPEF, (Ey), the conducKvity raKo can be calculated from Ez = Ey (∑H/∑P). Since Ey = 3.5 mV/m , the conducKvity raKo is = 3.4. 800
700
(a )
∑H/∑P (b)
(c )
4.0
3.0
04:00 L T
1.0
quiet time
dis turbunc e time
4.0
2.0
3.0 1.0
2.0
500
3.0 1.0
2.0
A ltitude (km )
600
400
300
200
2.0
1.0
2.0
1.0
4.0 3.0 3.0 5.0
6.0 6.0 8.0
9.0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
F re que nc y (MH z )
0
3
7.0
3.0
4.07.0
9.0 5.0
8.0 6.0
L oc a l T ime
6
0
3.0
7.0 8.0
4.0
3
1.0
1.0
2.0 5.0
5.0
2.0
100
1.0
2.0 1.0
1.0
1.0
1.0
6.0
2.0
9.0
L oc a l T ime
9.0 4.0
8.0 7.0
6
The increase in the conducKvity raKo following the storm onset is found to be sufficient to explain the generaKon of Hall electric field of sufficient intensity to cause Es layer formaKon. FORTALEZA 31 MARCH 2001 (a) KM
500
400
300
200
0200UT 0300UT 0445UT 0545UT 100
500
400
300
0645UT 0715UT 0815UT 0745UT 200
100
0 2 0 4 0 6 0 8 M
Hz 02 04 06 08 MHz 02 04 06 08 MHz 01 02 03 04 05 MHz (b) 500
400
300
200
2115UT 2159UT 2345UT 2245UT 100
500
2215UT 400
300
200
100
0015UT 0045UT 0115UT 02 04 06 08 10 12 14 MHz 02 04 06 08 10 12 14 MHz 02 04 06 08 10 12 14 MHz 01 02 03 04 05 MHz Um caso de formação da camada Es
pelo um campo elétrico “under-­‐
Shielding” que ocorreu nas horas Depois meia noite. Um caso de formação da camada Es pelo um campo elétrico “over-­‐Shielding” que ocorreu nas horas de entardecer. Camada Es formado pelo campo eletrico de penetracao no logitude indiano 20:45UT
UT 40
B z (n T )
20
09 Nov 2004
0
S tart of enhanc ed E s layers over S riharikota, Waltair and K ototaban -­‐20
-­‐40
A E (n T )
1500
500
19:45UT 0
-­‐100
-­‐200
S Y M-­‐H /D s t (n T )
1000
-­‐300
15 16 17 18 19 20 21 22 23 UT
20:30 21:30 22:30 23:30 00:30 01:30 02:30 03:30 04:30 05:30 LT 20:15UT 22:30UT
UT Abdu et al., 2014 JASTP Rastogi et al., 2012 ESC Rastogi et al. 2012 Camada Es formado pelo campo eletrico de penetracao no logitude asiatico 40
09 Nov 2004
-­‐20
-­‐40
A E (n T )
1500
S Y M-­‐H /D s t (n T )
S tart of enhanc ed E s layers over S riharikota, Waltair and K ototaban 1000
0
500
0
-­‐100
-­‐200
B z (n T )
20
-­‐300
15 16 17 18 19 20 21 22 23 UT
These cases correspond to under-­‐shielding electric @ield Abdu et al., 2014 Rastogi et al. 2012 Notamos que um campo elétrico zonal
para
oeste, induzindo um campo elétrico Hall
dirigido para baixo, causa a formação da
camada Es conforme verificado acima.
Portanto, um campo elétrico para leste o
qual induz um campo elétrico Hall dirigido
para cima
devera causar interrupção/
disfunção da camada Es em progresso. È isso
mesmo que esta constatada, conforme
mostrado nas seguintes figuras. 30
29-­‐ 30 O c t 2003
20
0
-­‐10
B z (n T )
10
-­‐20
-­‐30
E s -­‐ L a y er D is ru p tio n -­‐40
5000
4000
A E (n T )
3000
2000
2
1
1000
0
At the time of recovery of a substorm,
marked by Bz turning north and AE
recovery around 02 LT over Brazil, an
over-shielding electric field of eastward
polarity caused the F layer rapid rise
and Es layer disruption that completed
in the ionogram at 02:50 LT
12 15 18 21 00 03 06 09 12 15 18 21 U
T
At the time of the AE intensification at
18 LT 30 Oct 2003, with Bz south, an
under-shielding electric field of eastward
polarity caused the F layer rapid rise
and Es layer disruption that completed
in the ionogram at 18:30 LT (21:30 UT
Setor Longitudinal Setor brasileiro Setor Asiatico Campo Elétrico (HALL) Vertical-­‐ Formação/Dispersão da Camada Es Ez = Ey ∑H/∑P + BUPy (Ne da camada E/Ne da camada F) Ez = Ey ∑H/∑P + BUPy (Ne da camada E/ Ne da camada F) Conclusoes:
Ø  O campo elétrico Hall desempenha papel importante na dinâmica
da formação da camada E-esporádica (Es) das baixas latitudes;
Ø  Nos tempos quietos a formação/dispersão da camada Es ocorre
nas horas seguidas de por de sol, associado com o PRE;
Ø  A geração do campo elétrico vertical (do Hall) domina durante as
tempestades magnéticas;
Ø  Dependendo de hora local e a fase da tempestade um campo
elétrico de “over-shielding” ou “under-shielding” poderá controlar
o processo da camada Es ;
Ø  Dependendo de longitude, a taxa de condutividade integrada (a
qual controla a formação da Es) pode ser modificada pela
condutividade Hall, e/ou a condutividade Pedersen.