THE RELATIONSHIP BETWEEN PARTICLE INJECTION RATE OBSERVED AT GEOSYNCHRONOUS ORBIT AND DST INDEX DURING GEOMAGNETIC STORMS

To examine the causal relationship between geomagnetic storm and substorm, we investigate the correlation between dispersionless particle injection rate of proton flux observed from geosynchronous satellites, which is known to be a typical indicator of the substorm expansion activity, and Dst index during magnetic storms. We utilize geomagnetic storms occurred during the period of 1996 ~ 2000 and categorize them into three classes in terms of the minimum value of the Dst index ($Dst_{min}$); intense ($-200nT{$\leq$}Dst_{min}{$\leq$}-100nT$), moderate($-100nT{\leq}Dst_{min}{\leq}-50nT$), and small ($-50nT{\leq}Dst_{min}{\leq}-30nT$) -30nT)storms. We use the proton flux of the energy range from 50 keV to 670 keV, the major constituents of the ring current particles, observed from the LANL geosynchronous satellites located within the local time sector from 18:00 MLT to 04:00 MLT. We also examine the flux ratio ($f_{max}/f_{ave}$) to estimate particle energy injection rate into the inner magnetosphere, with $f_{ave}$ and $f_{max}$ being the flux levels during quiet and onset levels, respectively. The total energy injection rate into the inner magnetosphere can not be estimated from particle measurements by one or two satellites. However, the total energy injection rate should be at least proportional to the flux ratio and the injection frequency. Thus we propose a quantity, “total energy injection parameter (TEIP)”, defined by the product of the flux ratio and the injection frequency as an indicator of the injected energy into the inner magnetosphere. To investigate the phase dependence of the substorm contribution to the development of magnetic storm, we examine the correlations during the two intervals, main and recovery phase of storm separately. Several interesting tendencies are noted particularly during the main phase of storm. First, the average particle injection frequency tends to increase with the storm size with the correlation coefficient being 0.83. Second, the flux ratio ($f_{max}/f_{ave}$) tends to be higher during large storms. The correlation coefficient between $Dst_{min}$ and the flux ratio is generally high, for example, 0.74 for the 75~113 keV energy channel. Third, it is also worth mentioning that there is a high correlation between the TEIP and $Dst_{min}$ with the highest coefficient (0.80) being recorded for the energy channel of 75~113 keV, the typical particle energies of the ring current belt. Fourth, the particle injection during the recovery phase tends to make the storms longer. It is particularly the case for intense storms. These characteristics observed during the main phase of the magnetic storm indicate that substorm expansion activity is closely associated with the development of mangetic storm.

자기폭풍 기간 중 정지궤도 공간에서의 입자 유입률과 Dst 지수 사이의 상관관계

자기폭풍(magnetic storm)과 서브스톰(substorm)의 인과관계를 규명하기 위하여 서브스톰 확장기 활동(substorm expansive activity)의 전형적인 지시자로 알려진 정지궤도 위성에서 관측된 양성자 플럭스(proton flux)의 무분산 입자유입률(dispersionless particle injection rate)과 Dst 지수와의 상관관계를 조사하였다. 본 연구에 이용된 자기폭풍은 1996년에서 2000년까지 5년 동안에 일어난 것으로 자기폭풍 기간 중 Dst의 최소값인 $Dst_{min}$의 크기에 따라 대규모($-200nT{$\leq$}Dst_{min}{$\leq$}-100nT$), 중규모($-100nT{\leq}Dst_{min}{\leq}-50nT$), 소규모 자기폭풍($-50nT{\leq}Dst_{min}{\leq}-30nT$)의 3단계로 구분하였다. 양성자 플럭스는 LANL의 정지궤도 위성에서 관측된 자료 중에서 주로 환전류(ring current)를 구성하는 입자의 에너지에 해당하는 50keV에서 670keV 범위의 6개 에너지 채널의 자료를 이용하였다. 그리고 입자유입은 자정 부근에서 주로 일어나므로 18:00~04:00MLT구간에서 관측된 자료만을 이용하였다. 한편 내부 자기권으로 유입되는 입자에너지를 추정하기 위하여 양성자 플럭스 비($f_{max}/f_{ave}$)를 조사하였다. 여기서, $f_{ave}$ 및 $f_{max}$는 각각 입자유입이 일어나기 전 후의 양성자 플럭스의 양을 나타낸다. 한편 자기폭풍 기간 동안에 1 ~ 2개의 인공위성 관측으로부터 내부 자기권으로 유입되는 총 에너지량을 추정하는 것이 불가능하다는 것이 알려졌다. 그러나 총 에너지 유입량은 적어도 플럭스 비와 유입횟수에 비례할 것이다. 따라서 내부 자기권으로 유입되는 에너지의 양을 간접적으로 추정하기 위해서 이들의 곱으로 정의되는 총 에너지 유입률 지수(total energy injection parameter, TEIP)를 제안하였다. 특히 서브스톰이 자기폭풍의 발달에 기여하는 정도를 알기 위하여 자기폭풍을 두 구간, 즉 주상(main phase)과 회복기(recovery phase)로 나누어 조사하였다. 양성자의 무분산 유입자료와 자기폭풍 기간 중 Dst$_{min}$ 값을 비교해 본 결과 다음과 같은 특성이 확인되었다. 첫째, 주상기간 중 입자들의 평균 유입횟수는 자기폭풍의 크기에 비례하여 증가하는 경향을 나타내며 유입휫수와 $Dst_{min}$ 사이에는 높은 상관관계(0.83)가 있었다. 둘째, 주상기간 중 자기폭풍의 크기가 클수록 플럭스 비 ($f_{max}/f_{ave}$는 대체로 증가하는 경향을 나타냈다. 그리고 75~113keV 에너지 채널에서의 $Dst_{min}$ 값과 플럭스 비의 상관계수는 0.74로서 가장 높았으며 나머지 에너지 채널 역시 비교적 높은 상관관계를 나타냈다. 셋째, 주상기간 중 총 에너지 유입률 지수와 $Dst_{min}$ 사이에 높은 상관관계가 확인되었다. 특히 환전류를 구성하는 주요 입자의 에너지 영역(75~l13keV)에서 가장 높은(0.80) 상관계수를 기록했다. 넷째, 회복기 중에 일어나는 입자들의 유입은 자기폭풍의 지속시간을 연장시키는 경향을 보이며 큰 자기폭풍일수록 현저했다. 주상에서 관측된 이러한 특성은 서브스톰 확장기 활동이 자기폭풍의 발달과 밀접한 관계가 있음을 시사한다.