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N. A. Frissell (Space@VT) GEM Student Day 16 June 2013 Nathaniel Frissell Virginia Tech SuperDARN Laboratory 20112013 GEM Student RepresentaBve

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N.  A.  Frissell  (Space@VT)   GEM  Student  Day   16  June  2013  

Nathaniel  Frissell      

Virginia  Tech  SuperDARN  Laboratory  2011-­‐2013  GEM  Student  RepresentaBve  

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N.  A.  Frissell  (Space@VT)   GEM  Student  Day   16  June  2013  

Intro  to  Inner  Magnetosphere    

•  Interested  in  the  response  and  coupling  of  the  inner  magnetosphere  and  ionosphere  during  storms  

Sudden Commencement

Main Phase

Recovery Phase

Day 134 136 142 144   Dst  

-100

0

50

-150

[h8p://pluto.space.swri.edu/image/glossary/magnetosphere2.html]  

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ConvecIon  Review  

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ConvecIon  Review  

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•  Magnetospheric  convecBon  can  be  seen  down  into  the  ionosphere.  

•  Under  normal  condiBons,  convecBon  is  not  seen  below  the  auroral  zone.  

ConvecIon  Review  

©The  COMET  Program  

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SIMIC  Focus  Group  

•  Long  standing  interest  in  this  topic  by  the  GEM  Community:  –  (h8p://www-­‐ssc.igpp.ucla.edu/gemwiki/index.php/GEM_Tutorials)  

–  2011:  Inner  Magnetosphere-­‐Ionosphere  (IMI)  Coupling  (MI  Coupling  -­‐  IM  Coupling)  by  Pontus  Brandt  (APL/JHU)  and  Mark  Moldwin  (University  of  Michigan)  

•  Nice  video  and  really  good  at  showing  the  GEM-­‐CEDAR  connecBon.    They  emphasize  that  we  need  to  look  at  the  whole  system  in  order  to  solve  the  problem.  

–  2005:  Sub-­‐AuroralElectric  Fields:An  Inner  Magnetosphere  PerspecBve  by  Bob  Spiro  

–  2002:  Inner  Magnetospheric  Electric  Fields  by  Rich  Wolf  

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SIMIC  Focus  Group    

1.  They  control  plasmasphere  and  ring-­‐current  dynamics.  We  won’t  understand  ring  current  injecBon  unBl  we  understand  the  associated  electric  fields.  

2.  They  affect  the  radiaBon  belts  somewhat  (through  inducBon  electric  fields,  and  waves  are  probably  more  important).  

3.  They  drive  much  of  the  dynamics  of  the  low-­‐  and  mid-­‐laBtude  ionosphere  

4.  They  seem  to  be  the  most  unknown  element  in  modern  ionospheric  modeling  of  the  subauroral  ionosphere.  

5.  DisrupBons  of  the  mid-­‐  and  low-­‐laBtude  ionosphere  seem  to  be  the  most  important  aspects  of  space  weather  at  present,  parBcularly  for  the  military.  

[Wolf,  2002,  GEM  Tutorial]  

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•  Inner  Magnetospheric  Models  –  RAM-­‐SCM  –  HEIDI  –  CRCM  –  Rice  ConvecBon  Model  (RCM  and  RCM-­‐E)  

•  Ground-­‐Based  Subauroral  Ionosphere  –  MidlaBtude  SuperDARN  –  GPS-­‐TEC  –  Incoherent  Sca8er  Radar  (ISRs)  –  THEMIS  GBO  

•  In-­‐situ  Inner  Magnetosphere  and  Ionosphere  –  Van  Allen  Probes  –  THEMIS  –  Cluster  –  AMPERE  –  DMSP  –  POES  

New  InstrumentaIon  

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New  InstrumentaIon    

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New  InstrumentaIon  

[B.  Kunduri]  

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•  PenetraIon  Electric  Fields  •  SAPS:  Sub-­‐auroral  polarizaIon  stream  

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•  ApplicaBon  of  Cross-­‐Tail  E  Moves  Plasmasheet  Sunward  

•  Causes  a  parBal  westward  ring  across  night  side  

•  Dusk  side  of  edge  charges  +,  dawn  side  -­‐.  •  Charging  occurs  near  eq.  plane  and  in  

ionosphere  •  Region  2  Currents  flow  down  into  the  

ionosphere  at  dusk  and  up  from  on  the  dawnside.  

•  These  Region  2  Currents  tend  to  shield  the  near-­‐Earth  region  from  the  dawn-­‐dusk  E.  Dusk-­‐dawn  polarizaBon  E  opposes  convecBon  in  the  inner  magnetosphere.  

Plasma sheet

E=0

Gradient/curvature drift currents

+

<

E

Eshielding

ConvecIon  Electric  Field  

[Wolf,  2002,  GEM  Tutorial]  

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E(reduced)

E(overshielding)

E  (Reduced)  E  (Increased)  

•  Undershielding  – Southward  IMF  leads  to  convecBon  increase  

– Results  in  dawn-­‐dusk  E  in  Inner  Mag    •  Overshielding  

– Sudden  Northward  IMF  Turning  – Results  in  dusk-­‐dawn  E  in  Inner  Mag  – First  seen  at  Jicamarca  by  Kelley  et  al.  (GRL,  6,  301,  1977)  

OVERSHIELDING  

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[RCM Runs by Stan Sazykin, Figures from F. Toffoletto CISM Tutorial]  

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[RCM Runs by Stan Sazykin, Figures from F. Toffoletto CISM Tutorial]  

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[RCM Runs by Stan Sazykin, Figures from F. Toffoletto CISM Tutorial]  

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[L.  Clausen]  

IMF  Bz  [n

T]  

Ft.  H

ays,  Kan

sas  

Supe

rDAR

N  

N-­‐S  Velocity

 [m/s]  

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[L.  Clausen]  

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•  SAPS  (subauroral  polarizaBon  stream)  is  defined  as  a  relaBvely  narrow  channel  (~5˚  MLAT)  of  westward  flow,  located  just  below  the  lower  auroral  electron  precipitaBon  boundary  on  the  nightside.  

•  SAID  (subauroral  ion  drim)  is  defined  as  a  narrower,  faster  channel  someBmes  observed  in  the  SAPS.  

[Clausen  et  al.,  2012]  

9  April  2011  

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•  Inner  magnetosphere-­‐ionospheric  coupling  has  been  studied  for  many  years,  but…  – TradiBonally,  instrumentaBon  has  been  sparse.  – Modelers  need  more  observaBons  to  develop,  constrain,  and  validate  the  models.  

•  Today,  – We  now  have  much  be8er  inner  magnetosphere-­‐ionospheric  instrumental  coverage.  

– Models  are  poised  to  take  the  next  step.  

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Storm-­‐Time  Inner  Magnetosphere  –  Ionosphere  ConvecIon    

MoIvaIon  1.  ConBnue  the  improvement  and  validaBon  of  physics-­‐based  models  of  the  

coupled  inner  magnetosphere.  2.  Many  recent  expansions  of  both  ground-­‐  and  space-­‐  based  instrumentaBon,  

especially  at  midlaBtudes  and  the  inner  magnetospheric  region.  3.  Recent  ramping  up  of  solar  acBvity  leading  to  increased  geomagneBc  acBvity.  

Vision  This  FG  will  bring  together  experimentalists,  modelers,  and  theorists  to  synthesize  a  new  understanding  of  how  plasma  distribuBons,  convecBon  electric  fields,  and  current  systems  emerge  and  evolve  in  the  inner  magnetosphere  and  conjugate  ionosphere  during  geomagneBc  storms.  

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1.  Develop  an  improved  canonical  descripBon  of  convecBon  in  the  coupled  inner  magnetosphere  -­‐  ionosphere  during  storms  

2.  Validate  and  improve  the  performance  of  coupled  inner  magnetosphere-­‐ionosphere  models  

3.  Make  steps  toward  developing  a  new  module  for  acBve  ionospheric  feedback  during  storms.  

Read  the  full  proposal  here:  h8p://www-­‐ssc.igpp.ucla.edu/gemwiki/index.php/FG:_Storm-­‐

Time_Inner_Magnetosphere-­‐Ionosphere_ConvecBon  

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Joseph  Baker  Virginia  Tech  

 

J.  Michael  Ruohoniemi  Virginia  Tech  

 

Stanislav  Sazykin  Rice  University  

 

Peter  Chi  University  of  California  Los  Angeles  

 

Mark  Engebretson  Augsburg  College  

 

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•  Download  this  and  all  other  student  tutorials  at  the  GEMwiki  Student  Forum:    h8p://www-­‐ssc.igpp.ucla.edu/gemwiki  

 [email protected]  

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(h8p://www-­‐ssc.igpp.ucla.edu/gemwiki/index.php/GEM_Tutorials)  

– 2011:  Inner  Magnetosphere-­‐Ionosphere  (IMI)  Coupling  (MI  Coupling  -­‐  IM  Coupling)  by  Pontus  Brandt  (APL/JHU)  and  Mark  Moldwin  (University  of  Michigan)  

•  Nice  video  and  really  good  at  showing  the  GEM-­‐CEDAR  connecBon.    They  emphasize  that  we  need  to  look  at  the  whole  system  in  order  to  solve  the  problem.  

– 2005:  Sub-­‐AuroralElectric  Fields:An  Inner  Magnetosphere  PerspecBve  by  Bob  Spiro  

– 2002:  Inner  Magnetospheric  Electric  Fields  by  Rich  Wolf  

 

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Clausen,  L.  B.  N.,  et  al.  (2012),  Large-­‐scale  observaBons  of  a  subauroral  polarizaBon  stream  by  midlaBtude  SuperDARN  radars:  Instantaneous  longitudinal  velocity  variaBons,  J.  Geophys.  Res.,  117,  A05306,  doi:10.1029/2011JA017232.