🔧На сайте запланированы технические работы
25.12.2025 в промежутке с 18:00 до 21:00 по Московскому времени (GMT+3) на сайте будут проводиться плановые технические работы. Возможны перебои с доступом к сайту. Приносим извинения за временные неудобства. Благодарим за понимание!
🔧Site maintenance is scheduled.
Scheduled maintenance will be performed on the site from 6:00 PM to 9:00 PM Moscow time (GMT+3) on December 25, 2025. Site access may be interrupted. We apologize for the inconvenience. Thank you for your understanding!

 

ION RING CURRENT ON THE RECOVERY PHASE OF MAGNETIC STORMS

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Based on the results of measurements near the equatorial plane of fluxes and spectra of H+ and O+ ions of the magnetospheric ring current (RC) on the Explorer-45, AMPTE/CCE, CRRES and Van Allen Probes satellites, a systematic analysis of the spatial distributions of the energy density of these ions on the recovery phase of magnetic storms was carried out. Nine storms of varying intensity were considered, with max|Dst| from 59 to 307 nT. The radial profile of the ion energy density of the RC is characterized by the position of its maximum (Lm) and by the ratio of the ion energy density and the magnetic field at this maximum (βm), and at L > Lm this profile is approximated by the dependence w(L) = w0 exp(−L/L0). The distributions of the parameter Lm depending on the index Dst and on MLT, as well as the parameters βm, w0 and L0 depending on Dst, MLT and Lm were obtained. For H+ and O+ ions, as well as for low-energy (E < 60 keV) and higher-energy ions, these distributions are different, which is associated with different loss rates of these ions. It is shown that for the RC protons, the average values of the parameters Lm and βm usually increase as the recovery phase develops, and the dependence Lm(Dst) is significantly stronger than in the main phase of storms. During strong storms, on the fast recovery phase, the average value of the L0 parameter for H+ ions with E ≈ 1−300 keV decreases from ~1.7 to ~1.4 (dominance of the RC symmetrization effect by MLT), and for O+ ions of the same energies, L0 increases from ~0.9 to ~1.2 (dominance of the RC ion losses). According to the estimates made, on the slow recovery phase of strong storms, a significant contribution, from 30 to 50 %, to the total energy of the ion RC can be related to the region on 7 ≤ L ≤ 10. It is shown that for some storms the contribution of the RC ions at L ≤ 10 to the Dst value is well described by the Dessler–Parker–Sckopke relation, but in other measurements considered here, especially during very strong storms, the contribution of the RC to the Dst value is no more than 40–60 %, and the rest is the part of other magnetospheric current systems.

About the authors

A. S. Kovtyukh

Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics, Lomonosov Moscow State University

Email: kovtyukhas@mail.ru
Moscow, Russia

References

  1. Gloeckler G., Hamilton D.C. AMPTE ion composition results // Phys. Scripta. 1987. V. 18. P. 73–84. https://doi.org/10.1088/0031–8949/1987/T18/009
  2. Daglis I.A., Thorne R.M., Baumjohann W., Orsini S. The terrestrial ring current: Origin, formation, and decay // Rev. Geophys. 1999. V. 37. Iss. 4. P. 407–438. https://doi.org/10.1029/1999RG900009
  3. Ковтюх А.С. Геокорона горячей плазмы // Космич. исслед. 2001. Т. 39. № 6. С. 563–596. (= Kovtyukh A.S. Geocorona of hot plasma // Cosmic Res. 2001. V. 39. Iss. 6. P. 527–558. https://doi.org/10.1023/A:1013074126604)
  4. Keika K., Kistler L.M., Brandt P.C. Energization of O+ ions in the Earth’s inner magnetosphere and the effects on ring current buildup: A review of previous observations and possible mechanisms // J. Geophys. Res. Space Phys. 2013. V. 118. Iss. 7. P. 4441–4464. https://doi.org/10.1002/jgra.50371
  5. Williams D.J., Lyons L.R. The proton ring current and its interaction with the plasmapause: Storm recovery phase // J. Geophys. Res. 1974. V. 79. Iss. 28. P. 4195–4207. https://doi.org/10.1029/JA079i028p04195
  6. Williams D.J., Lyons L.R. Further aspects of the proton ring current interaction with the plasmapause: Main and recovery phases // J. Geophys. Res. 1974. V. 79. Iss. 31. P. 4791–4796. https://doi.org/10.1029/JA079i031p04791
  7. Kistler L.M., Ipavich F.M., Hamilton D.C. et al. Energy spectra of the major ion species in the ring current during geomagnetic storms // J. Geophys. Res. 1989. V. 94. Iss. A4. P. 3579–3599. https://doi.org/10.1029/JA094iA04p03579
  8. Ковтюх А.С. Радиальный профиль давления буревого кольцевого тока как функция Dst // Космич. исслед. 2010. Т. 48. № 3. С. 218–238. (= Kovtyukh A.S. Radial profile of pressure in a storm ring current as a function of Dst // Cosmic Res. 2010. V. 48. Iss. 3. P. 211–231. https://doi.org/10.1134/S0010952510030032)
  9. Ковтюх А.С. Параметризация пространственно-энергетических распределений ионов H+ и O+ кольцевого тока на главной фазе магнитных бурь // Геомагнетизм и аэрономия. 2024. Т. 64. № 4. С. 529–547. https://doi.org/10.31857/S0016794024040087 (= Kovtyukh A.S. Parametrization of Spatial-Energy Distributions of H+ and O+ Ions of the Ring Current on the Main Phase of Magnetic Storms // Geomagnetism and Aeronomy. 2023. V. 63. Suppl. 1. P. S110–S127. https://doi.org/10.1134/S001679322360114X)
  10. Smith P.H., Hoffman R.A. Ring current particle distributions during the magnetic storms of December 16–18, 1971 // J. Geophys. Res. 1973. V. 78. Iss. 22. P. 4731–4737. https://doi.org/10.1029/JA078i022p04731
  11. Fritz T.A., Smith P.H., Williams D.J. et al. Initial observations of magnetospheric boundaries by Explorer 45 (S³) // Correlated Interplanetary and Magnetospheric Observations. Ed. D.E. Page / Astrophys. Space Sci. Library. Dordrecht, Holland: D. Reidel Publ. Co. 1974. V. 42. P. 485–506. https://doi.org/10.1007/978-94-010-2172-2_31
  12. Berko F., Cahill L., Jr., Fritz T. Protons as the prime contributors to storm time ring current // J. Geophys. Res. 1975. V. 80. Iss. 25. P. 3549–3552. https://doi.org/10.1029/JA080i025p03549
  13. Hoffman R.A., Cahill L.J., Jr., Anderson R.R. et al. Explorer 45 (S³-A) observations of the magnetosphere and magnetopause during the August 4–6, 1972, magnetic storm period // J. Geophys. Res. 1975. V. 80. Iss. 31. P. 4287–4296. https://doi.org/10.1029/JA080i031p04287
  14. Hamilton D.C., Gloeckler G., Ipavich F.M. et al. Ring current development during the great geomagnetic storm of February 1986 // J. Geophys. Res. 1988. V. 93. Iss. 12. P. 14343–14355. https://doi.org/10.1029/JA093iA12p14343
  15. Kozyra J.U., Liemohn M.W., Clauer C.R. et al. Multistep Dst development and ring current composition changes during the 4–6 June 1991 magnetic storm // J. Geophys. Res. 2002. V. 107. Iss. A8. Art.ID. 1224. https://doi.org/10.1029/2001JA000023
  16. Menz A.M., Kistler L.M., Moulkis C.G. et al. The role of convection in the buildup of the ring current pressure during the 17 March 2013 storm // J. Geophys. Res. Space Phys. 2017. V. 122. Iss. 1. P. 475–492. https://doi.org/10.1002/2016JA023358
  17. Zhao H., Li X., Baker D.N. et al. The evolution of ring current ion energy density and energy content during geomagnetic storms based on Van Allen Probes measurements // J. Geophys. Res. Space Phys. 2015. V. 120. Iss. 9. P. 7493–7511. https://doi.org/10.1002/2015JA021533
  18. Yue C., Borinik J., Li W. et al. Oxygen ion dynamics in the Earth's ring current: Van Allen Probes observations // J. Geophys. Res. Space. Phys. 2019. V. 124. Iss. 10. P. 7786–7798. https://doi.org/10.1029/2019JA026801
  19. McPherron R.L., O'Brien T.P. Predicting geomagnetic activity: The Dst index // Space Weather. Eds. P. Song, H.J. Singer, G.L. Siscoe / Geoph. Monog. Series. Washington, D. C.: AGU. 2001. V. 125. P. 339–345. https://doi.org/10.1029/GM125p0339
  20. Siscoe G.L., McPherron R.L., Jordanova V.K. Diminished contribution of ram pressure to Dst during magnetic storms // J. Geophys. Res. 2005. V. 110. Iss. A12. Art.ID. A12227. https://doi.org/10.1029/2005JA011120
  21. Kistler L.M., Moulkis C.G., Spence H.E. et al. The source of O+ in the storm time ring current // J. Geophys. Res. Space Phys. 2016. V. 121. Iss. 6. P. 5333–5349. https://doi.org/10.1002/2015JA022204
  22. Keika K., Seki K., Nose M. et al. Three-step buildup of the 17 March 2015 storm ring current: Implication for the cause of the unexpected storm intensification // J. Geophys. Res. Space Phys. 2018. V. 123. Iss. 1. P. 414–428. https://doi.org/10.1002/2017JA024462
  23. Sheldon R.B., Hamilton D.C. Ion transport and loss in the Earth's quiet ring current: I. Data and standard model // J. Geophys. Res. 1993. V. 98. Iss. A8. P. 13491–13508. https://doi.org/10.1029/92JA02869
  24. Ma L., Yu Y., Liu W. et al. Simulating the ring current proton dynamics in response to radial diffusion by ultra-low-frequency (ULF) waves // Geophys. Res. Lett. 2024. V. 51. Iss. 6. Art.ID. e2023GL107326. https://doi.org/10.1029/2023GL107326
  25. Cahill L.J., Jr., Lee Y.C. Development of four magnetic storms in February 1972 // Planet. Space Sci. 1975. V. 23. Iss. 9. P. 1279–1292. https://doi.org/10.1016/0032–0633(75)90151–8
  26. Krimigis S.M., Gloeckler G., McEntire R.M. et al. Magnetic storm of September 4, 1984: A synthesis of ring current spectra and energy densities measured with AMPTE/CCE // Geophys. Res. Lett. 1985. V. 12. Iss. 5. P. 329–332. https://doi.org/10.1029/GL012i005p00329
  27. Anderson R.R., Gurnett D.A. Plasma wave observations near the plasmapause with the S³-A satellite // J. Geophys. Res. 1973. V. 78. Iss. 22. P. 4756–4764. https://doi.org/10.1029/JA078i022p04756
  28. Dessler A.J., Parker E.N. Hydromagnetic theory of geomagnetic storms // J. Geophys. Res. 1959. V. 64. Iss. 12. P. 2239–2252. https://doi.org/10.1029/JZ064i012p02239
  29. Sckopke N. A general relation between the energy of trapped particles and the disturbance field near the Earth // J. Geophys. Res. 1966. V. 71. Iss. 13. P. 3125–3130. https://doi.org/10.1029/JZ071i013p03125
  30. Акасофу С.-И., Чепмен С. Солнечно-земная физика. Часть 2. М.: Мир, 1975. 512 с. (= Akasofu S.-I., Chapman S. Solar-Terrestrial Physics. Oxford Univ. Press. NY. 1972. 624 p.)
  31. Langel R.A., Estes R.H. Large-scale, near-field magnetic fields from external sources and the corresponding induced internal field // J. Geophys. Res. 1985. V. 90. Iss. B3. P. 2487–2494. https://doi.org/10.1029/JB090iB03p02487
  32. Sckopke N. A study of self-consistent ring current models // Cosmic Electrodynamics. 1972. V. 3. P. 330–348.
  33. Carovillano R.L., Siscoe G.L. Energy and momentum theorems in magnetospheric dynamics // Rev. Geophys. Space Phys. 1973. V. 11. Iss. 2. P. 289–353. https://doi.org/10.1029/RG011i002p00289
  34. Vasyliūnas V.M. Ionospheric and boundary contributions to the Dessler-Parker-Sckopke formula for Dst // Ann. Geophys. 2006. V. 24. Iss. 3. P. 1085–1097. https://doi.org/10.5194/angeo-24-1985-2006
  35. Шабанский В.П. Явления в околоземном пространстве. М.: Наука, 1972. 272 с.
  36. Zhao H., Li X., Baker D.N. et al. Ring current electron dynamics during geomagnetic storms based on the Van Allen Probes measurements // J. Geophys. Res. Space Phys. 2016. V. 121. Iss. 4. P. 3333–3346. https://doi.org/10.1002/2016JA022358
  37. Kennel C.F., Petschek H.E. Limit on stably trapped particle fluxes // J. Geophys. Res. 1966. V. 71. Iss. 1. P. 1–28. https://doi.org/10.1029/JZ071i001p00001
  38. Greenspan M.E., Hamilton D.C. A test of the Dessler-Parker-Sckopke relation during magnetic storms // J. Geophys. Res. 2000. V. 105. Iss. A3. P. 5419–5430. https://doi.org/10.1029/1999JA000284
  39. Yang Y.Y., Shen C., Dunlop M. et al. Storm time current distribution in the inner equatorial magnetosphere: THEMIS observations // J. Geophys. Res. Space Phys. 2016. V. 121. Iss. 6. P. 5250–5259. https://doi.org/10.1002/2015JA022145
  40. Редерер Х. Динамика радиации, захваченной геомагнитным полем. М.: Мир, 1972. 192 с. (= Roederer J.G. Dynamics of Geomagnetically Trapped Radiation. New York: Springer, 1970.)
  41. Вовченко В.В., Антонова Е.Е. Нелинейное возмущение дипольного поля осесимметричным распределением плазмы // Геомагнетизм и аэрономия. 2010. Т. 50. № 6. С. 768–777. (= Vovchenko V.V., Antonova E.E. Nonlinear disturbance of the dipole field by an axisymmetric plasma distribution // Geomagnetism and Aeronomy. 2010. V. 50. Iss. 6. P. 739–748. https://doi.org/10.1134/S0016793210060058)
  42. Alexeev I.I., Belenkaya E.S., Kalegaev V.V. et al. Magnetic storms and magnetotail currents // J. Geophys. Res. 1996. V. 101. Iss. A4. P. 7737–7747. https://doi.org/10.1029/95JA03509
  43. Ganushkina N. Yu., Pulkkinen T.I., Kubyshkina M.V. et al. Long-term evolution of magnetospheric current systems during storms // Ann. Geophys. 2004. V. 22. Iss. 4. P. 1317–1334. https://doi.org/10.5194/angeo-22-1317-2004
  44. Kalegaev V.V., Ganushkina N. Yu., Pulkkinen T.I. et al. Relation between the ring current and the tail current during magnetic storms // Ann. Geophys. 2005. V. 23. Iss. 2. P. 523–533. https://doi.org/10.5194/angeo-23-523-2005
  45. Tsyganenko N.A., Simov M.I. Modeling the dynamics of the inner magnetosphere during strong geomagnetic storms, J. Geophys. Res. 2005. V. 110. Iss. A3. Art.ID. A03208. https://doi.org/10.1029/2004JA010798
  46. Kalegaev V., Makarenkov E. Relative importance of ring and tail currents to Dst under extremely disturbed conditions // J. Atmos. Sol. Terr. Phys. 2008. V. 70. Iss. 2–4. P. 519–525. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2007.08.029
  47. Ganushkina N. Yu., Liemohn M.W., Kubyshkina M.V. et al. Distortions of the magnetic field by storm-time current systems in Earth’s magnetosphere // Ann. Geophys. 2010. V. 28. Iss. 1. P. 123–140. https://doi.org/10.5194/angeo-28-123-2010
  48. Asikainen T., Maliniemi V., Marsula K. Modeling the contributions of ring, tail, and magnetopause currents to the corrected Dst index // J. Geophys. Res. Space Phys. 2010. V. 115. Iss. A12. Art.ID. A12203. https://doi.org/10.1029/2010JA015774
  49. Ganushkina N.Y., Liemohn M.W., Dubyagin S. et al. Defining and resolving current systems in geospace // Ann. Geophys. 2015. V. 33. Iss. 11. P. 1369–1402. https://doi.org/10.5194/angeo-33-1369-2015

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».