Magnetospheric current dynamics inferred from wavelet and correlation analysis of ground magnetic measurements

Abstract

We show that geomagnetic variations, reflecting changes in the intensity of the ring current and of the auroral currents during the magnetic storms (MSs) of March 2015 and August 2018, have characteristic patterns in the correlation matrix. At magnetic latitudes -50 deg<λ<50 deg, the geomagnetic field variations are highly correlated with the SYM-H index, as well as being correlated among themselves, with peak correlation value varying from 0.87 to 0.93 when correlated among themselves, and from 0.9 to 0.94 when correlated to SYM-H index. However, they are not correlated with variations from auroral or polar magnetic latitudes. At auroral magnetic latitudes 50 deg<λ<73 deg, the field variations are only moderately correlated with SYM-H index, but are highly correlated among themselves during the MSs we examine. We interpret these temporal and spatial patterns as the combined effect of both ring current and auroral currents. Finally, at polar geomagnetic latitudes 73 deg<λ<85 deg, the geomagnetic field is better correlated with the convection electric field VxBs of the solar wind with peak correlation value from 0.70 to 0.72 rather than with SYM-H index with peak correlation values less than 0.6, indicating the direct effect of that electric field in polar ionospheric convection and induced currents. Using the correlation matrix among geomagnetic fields from different observatories we identified the magnetic latitude ranges where each current type is dominant. Plotting the peak correlation values during MSs as a function of magnetic latitude, groups of observatories are obtained where the simultaneous peak values for observatories, form three distinct blocks. The magnetic latitudes affected by ring current form the largest block in the correlation matrix, the magnetic latitudes affected by both ring current and auroral currents form the second block and the polar cusp magnetic latitudes form the third block. The size of the latitudinal blocks is a direct consequence of the number of observatories in the corresponding area of geomagnetic latitudes. The peak correlation values for observatories, at magnetic latitudes -50 deg<λ<50 deg, vary from 0.8 to 0.9, in the same order of magnitude with the peak correlation value when correlated with the SYM-H index, and thus, we infer that they are influenced mainly by the ring current. The peak correlation values for observatories, at magnetic latitudes 50 deg<λ<73 deg vary from 0.8 to 0.9, when correlated among themselves. This is expected since in the auroral zone the substorm-associated auroral electrojets contribute significantly to the deviation of the geomagnetic field from its nonstorm-time values. Notably for observatories located at auroral latitudes, correlating horizontal component of geomagnetic field on the ground (H) separately for midnight to noon and noon to midnight we get peak correlation values varying from 0.7 to 0.9 for local midnight to noon and from 0.7 to 0.8 for local noon to midnight. We interpret this result as the effect of the westwards and eastward electrojet currents flowing at those latitudes. In summary our results show how correlation analysis and basic visualization techniques can be used to identify the time evolution of different magnetospheric current systems and of the solar wind, magnetosphere coupling. We also show that time variations in the ring current and auroral electrojets in 2015, during which three major magnetic storms (MSs) occurred, are recorded in several specific ways by ground magnetometers. In particular, we show how the time variations in magnetic -field intensity have power-law wavelet spectra. The ring current changes are detected in geomagnetic field measurements of ground stations at magnetic mid-latitudes from λ=-50º to +50º. We have verified the results of an older study by Balasis et al. (2006), who had shown that the Dst index wavelet spectrum follows a power law of the form f-β, where f is the frequency, by applying the same wavelet analysis to the SYM-H version of the index and also to ground magnetic field measurements. Balasis et al. (2006) also showed that the critical exponent β of the power law, obtains values greater than 2, (or equivalently that the Hurst exponent H>0.5) shortly before the onset and during the main phase of the storms. Here, using wavelet transforms on the Earth’s magnetic field as measured at different magnetic latitudes (MLAT), we show that at mid-geomagnetic latitudes, where the Earth’s magnetic field is determined mainly by the ring current, the resulting Hurst exponent is greater than 0.5 several hours before and during magnetic storms. The auroral currents changes are detected at higher magnetic latitudes (λ=50°-73°). For those high-latitude geomagnetic fields we find a more complex dependence with two power-law exponents. We interpret this double power law as the effect of both the ring current and the auroral electrojets. Finally, for polar-latitude stations located between λ=73° and 85°, the geomagnetic field has much lower power and very different wavelet spectra compared to the field at the two ranges of lower magnetic latitude. Our results show how different measures of ground geomagnetic variations reflect the time evolution of several magnetospheric current systems and of the solar wind – magnetosphere coupling.

Mπορούμε να συνοψίσουμε τα συμπεράσματα αυτής της διατριβής σε δύο κατηγορίες: Πρώτη κατηγορία, χρησιμοποιώντας την μέθοδο συσχέτισης και τον μετασχηματισμό wavelet: Από την μέγιστη τιμή της συσχέτισης ηλιακού ανέμου και δείκτη SYM-H υπολογίστηκε η χρονική διαφορά ανάδρασης του δακτυλιωτού ρεύματος (ring current) από τη χρονική στιγμή άφιξης του ηλιακού ανέμου στην μαγνητόπαυση σε 75 λεπτά και με μέγιστη τιμή συσχέτισης 0.67. Από τη μέγιστη τιμή της συσχέτισης δείκτη SYM-H και γεωμαγνητικού πεδίου, όπως αυτό μετρήθηκε σε γεωμαγνητικούς σταθμούς στην επιφάνεια της γής σε διάφορα γεωμαγνητικά πλάτη(λ), υπολογίστηκε το γεωμαγνητικό εύρος επίδρασης του δακτυλιωτού ρεύματος σε λ=-500 έως λ =500, με μέγιστη τιμή συσχέτισης 0.93. Επαλήθευσα την χρονική εξάρτηση του εκθέτη Hurst, στην διάρκεια των μαγνητικών καταιγίδων, για το γεωμαγνητικό πεδίο στα γεωμαγνητικά πλάτη που επηρεάζονται από το δακτυλιωτό ρεύμα, και για τον SYM-H δείκτη σε συμφωνία με το αποτέλεσμα των [ Balasis et. al., 2006] για τον Dst δείκτη. Στα σελαϊκά και πολικά γεωμαγνητικά πλάτη, και για χρονική περίοδο, που δεν περιέχει μαγνητική καταιγίδα, ο εκθέτης Hurst του εκθετικού νόμου για τις μεταβολές του γεωμαγνητικού πεδίου, βρήκαμε ότι εμφανίζει πιο σύνθετη μορφή με δύο διαφορετικές τιμές αντί για μία. Το ίδιο επαληθεύτηκε και για τον AU δείκτη. Δεύτερη κατηγορία, αποτελέσματα που βρέθηκαν, με την βοήθεια της συσχέτισης του γεωμαγνητικού πεδίου, στα γεωμαγνητικά πλάτη που εξετάστηκαν σε αυτή της εργασία: Τιμές συσχέτισης 0.9 ανάμεσα σε γειτονικούς σταθμούς μέτρησης του γεωμαγνητικού πεδίου. Η συσχέτιση αυτή χρησιμοποιήθηκε για την ανίχνευση της επίγειας επίδρασης κατά την διάρκεια μαγνητικών καταιγίδων των μεταβολών του δακτυλιωτού ρεύματος, των auroral currents, και του convection current στα πολικά γεωμαγνητικά πλάτη. Τιμές συσχέτισης μικρότερες από 0.4 ανάμεσα σε σταθμούς μέτρησης του γεωμαγνητικού πεδίου, καταδεικνύουν περιοχές στην επιφάνεια της γής που επηρεάζονται από διαφορετικά μαγνητοσφαιρικά ρεύματα. Διάκριση μεταξύ eastwards and westwards auroral electrojet currents λόγω της διαφορετικών τιμών συσχέτισης, μεταξύ σταθμών μέτρησης του γεωμαγνητικού πεδίου που βρίσκονται στα βόρεια σελαϊκά πλάτη, στις τιμές του γεωμαγνητικού πεδίου που μετρήθηκαν από τα μεσάνυχτα (τοπική ώρα σε όλους τους παρακάτω χρονικούς προσδιορισμούς ) μέχρι το μεσημέρι, και αυτών που μετρήθηκαν από το μεσημέρι μέχρι τα μεσάνυχτα. Τέλος σε χρονικές περιόδους μακριά από μαγνητικές καταιγίδες, τιμές συσχέτισης 0.9, μεταξύ σταθμών που βρίσκονται στα σελαϊκα πλάτη σε αντίθεση με τιμές συσχέτισης μικρότερες από 0.4 σε σταθμούς με μικρότερα γεωμαγνητικά πλάτη, καταδεικνύουν πως οι μαγνητικές υποκαταιγίδες δημιουργούνται και κατά την διάρκεια μαγνητικών καταιγίδων όμως και ανεξάρτητα από αυτές.