Дрейфовые движения горячей плазмы во внутренней магнитосфере тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.03 ВАК РФ

Введение

Глава 1. Картина конвекции горячей плазмы во внутренней магнитосфере. Локализация положения источников

1.1 Измерения ионных спектральных провалов (ИСП) прибором ИОН.

1.2 Моделирование ионных спектральных провалов.

1.2.1 Трассирование положения ионных спектральных провалов на экваториальную плоскость.

1.2.2 Феноменологические модели источника частиц

1.2.3 Уравнения дрейфа для экваториальных частиц

1.2.4 Модели магнитосферной конвекции.

1.3 О локализации "источника" частиц: трассирование границ высыпаний, определенных по измерениям со спутника DMSP, и адиабатической границы на экваториальную плоскость

1.4 Примеры вычисления траекторий частиц от источника до спутника ИНТЕРБОЛ-2 для разных моделей конвекции

1.5 Расшифровка модельных спектрограмм.

1.6 Сравнение модельных спектрограмм с результатами наблюдений на примере спектрограммы для орбиты

1.7 Два типа ионных спектральных провалов (ИСП).

1.7.1 Моделирование ИСП в ночном секторе и первый тип ИСП - зоны изолированных замкнутых траекторий

1.7.2 Моделирование ИСП в утреннем, дневном, и вечернем секторах и второй тип ИСП - вследствие увеличенного времени дрейфа.

1.8 Эволюция ИСП в спокойное время и "сигнатуры инжекций"

1.9 Выводы к Главе 1.

1.10 Рисунки к Главе 1.

Глава 2. Стационарные носовые структуры протонов

2.1 Примеры наблюдения посотшх структур.

2.2 Статистический анализ носовых структур, наблюдаемых в эксперименте ИОН спутника ИНТЕРБОЛ-2.

2.3 Механизм формирования носовых структур.

2.4 Моделирование стационарных носовых структур.

2.5 Результаты моделирования.

2.6 Одновременное наблюдение стационарных носовых структур спутником POLAR и спутником ИНТЕРБОЛ-2.

2.7 Суббуревые и стационарные носовые структуры

2.8 Выводы к Главе 2.

2.9 Рисунки к Главе 2.

Глава 3. Изучение эффектов поляризационного джета во внутренней магнитосфере

3.1 Существующие механизмы формирования PJ.

3.2 Возможные источники частиц для генерации поляризационного джета.

3.3 Простая динамическая модель эволюции плотности заряда в полосе PJ.

3.3.1 Основные уравнения модели

3.3.2 Результаты моделирования.

3.4 Выводы к Главе 3.

3.5 Рисунки к Главе 3.

Актуальность темы

Исследования процессов генерации, переноса и диссипации плазмы в магнитосфере Земли прямыми методами со спутников и ракет привели к отождествлению характерных областей в магнитосфере (плазмосфсра, плазменный слой, мантия, каспы, кольцевой ток, авроралъная зона и др.). Физические процессы, происходящие в этих областях магнитосферы привлекают внимание как экспериментаторов, так и теоретиков в течение последних тридцати лет. В связи с этим создание адекватных моделей и сравнение их с экспериментальными результатами достаточно актуально до сих пор, так как позволяет понять природу и динамику источников плазмы в магнитосфере. Такие модели необходимы для описания характерных особенностей явлений, таких, например, как суббури, высыпания частиц в ав-роральной зоне, диспергированные структуры инжекций горячей плазмы, "провалы" потока частиц в определенных диапазонах спектров и "носовые структуры" ионов в определенных секторах магнитосферы.

Наблюдения спектров ионов и электронов во внутренней магнитосфере содержат в себе информацию об электрических и магнитных полях, в которых дрейфовали частицы, об источниках горячей плазмы и их локализации. Но если магнитное поле во внутренней магнитосфере достаточно хорошо изучено, то экспериментальное определение и соответствующее модельное описание крупномасштабных электрических полей во внутренней магнитосфере Земли до настоящего времени является одной из ключевых задач физики магнитосферы.

В основных чертах явление крупномасштабной конвекции было описано, начиная с работ Данжи, 1961 г., Аксфорда и Хайнса, 1961 г. [1], [2].

Одной из проблем, возникающих при измерениях стационарных электрических полей, является наличие значительных флуктуаций, накладывающихся на постоянную составляющую поля. Другая проблема - это то, что по данным, полученным с одного космического аппарата, достаточно сложно восстановить картину электрического поля во всей внутренней магнитосфере. Поэтому до сих пор ведутся споры о конкретных механизмах генерации поля конвекции, передачи его во внутреннюю магнитосферу и даже о самом существовании стационарного электрического поля во внутренней магнитосфере.

Хотя в настоящее время разработано множество моделей конвекции, многие из них построены на принципиально различных подходах и не всегда согласовываются друг с другом. Поэтому задача определения критериев, позволяющих установить, насколько та или иная модель конвекции внутренней магнитосферы описывает усредненные дрейфовые движения частиц за многие часы, предшествующие наблюдениям, является весьма важной.

Анализ прямых измерений так называемых "ионных спектральных провалов" (ИСП) - резких (по энергии) падений потоков ионов Н+ до уровня порога регистрации прибора в узком диапазоне энергий (несколько килоэлектронвольт в диапазоне 0,1-20 кэВ в зависимости от MLT и инвариантной широты) - позволяет решить эту задачу. Дело в том, что, как было впервые отмечено Мак-Илвайном, 1972, [3] ионы Н+ определенных энергий имеют большое время дрейфа (десятки часов) от источника в ночной части магнитосферы до точки наблюдения. Это время дрейфа превосходит время жизни ионов Н+, определяемое перезарядкой с атомами геокороны, а также высыпаниями протонов при их движении в области диффузной авроральной зоны. Помимо эффекта потерь во время дрейфа на спектрах протонов во внутренней магнитосфере отражается существование "запретных зон траекторий" (Эджири, 1978 [4]; Шираи и др., 1997 [5]). Оба фактора, влияющие на образование ИСП, обсуждались в литературе, но по отдельности. Воспроизведение ИСП с помощью дрейфовых траекторий ионов Н+ будет "чувствительно" к электрическим и магнитным полям, принятым при моделировании. Полагая магнитное поле квазидипольным и меняя модели электрического поля, можно установить, насколько хороню та или иная модель конвекции описывает наблюдаемые спектры ионов Н+ во внутренней магнитосфере. Задача определения модели электрического ноля конвекции, наилучшим образом описывающей экспериментальные данные, представляется весьма актуальной.

Как было показано Эджири [4], с существованием запретных зон траекторий связано формирование так называемых "носовых структур" протонов во внутренней магнитосфере. Наблюдение носовых структур до сих пор связывалось с наличием суббуревой активности, в то время как для моделирования носовых структур использовались стационарные электрические и магнитные поля. В то же время изучение носовых структур в спокойное время не проводилось. Задача исследования, являются ли носовые структуры свойством только суббуревых процессов или это явление наблюдается также и в спокойной магнитосфере, представляется интересной, так как позволяет лучше понять природу процессов, происходящих во внутренней магнитосфере как во время возмущенных периодов, так и в спокойное время.

Картина конвекции во внутренней магнитосфере во время магнитосфер-ных суббурь имеет гораздо более сложную структуру, чем следует из моделей конвекции для спокойных периодов. Это, в частности, подтверждают наблюдения так называемого поляризационного джета (Р J) - узкой усиленной струи конвекции плазмы в вечернем секторе магнитосферы. Однако, хотя после открытия PJ прошло около 30 лет (Гальперин, 1973 |6|, [7|) до сих пор остаются дискуссионными механизмы его формирования. Так, например, наиболее часто цитируемый в литературе механизм формирования PJ - это разделение зарядов в инжекции частиц из плазменного слоя во внутреннюю магнитосферу (Саусвуд и Вульф, 1978 [8]) . Однако, как было показано в работе Халипова и др., 2001, [9] между вспышкой суббури и началом наблюдений PJ в предполуночном секторе на L=3 проходит время 5-10 мин. Это время, по современным представлением, гораздо меньше времени, необходимого для того, чтобы частицы из плазменного слоя проникли на L=3.

Таким образом, в настоящее время не существует численной модели, адскватно (в согласии с экспериментальными данными) описывающей процесс формирования PJ, поэтому работа в направлении развития таких моделей имеет большое значение для понимания физических процессов, происходящих во внутренней магнитосфере во время суббурь.

В целом, создание и тестирование моделей конвекции, изучение и численное моделирование особенностей спектров горячей плазмы во внутренней магнитосфере, а также сравнение модельных и экспериментальных результатов представляет большой интерес для физики магнитосферы, и это определяет актуальность выбранной темы.

Цель работы

Основная цель настоящей работы состоит в следующем:

• Анализ различных типов и классификация ИСП и протонных носовых структур по экспериментальным данным спутника ИНТЕРБОЛ-2 и сравнение наблюдаемых ИСП и носовых структур с результатами моделирования дрейфовых движений ионов в магнитосфере.

• Выбор на основе анализа наблюдений ИСП наиболее подходящей модели электрического крупномасштабного поля конвекции и модели источника частиц, позволяющих описать динамику сверхтепловой плазмы во внутренней магнитосфере в широком диапазоне инвариантных широт (До) и местного магнитного времени (MLT) для спокойных и средневозмущенных состояний магнитосферы.

• Разработка нового механизма генерации Р J и простой количественной модели, использующей в качестве источника зарядов в полосе PJ частицы внешнего радиационного пояса.

Научная новизна

1. На основе анализа экспериментальных данных и сравнения с модельными расчетами впервые разработана классификация типов ИСП и носовых структур. Результаты проведенных сопоставлений позволяют устранить ряд противоречий r механизмах формирования спектров сверхтепловых ионов в магнитосфере.

2. Моделирование дрейфовых движений ионов в магнитосфере и сравнение с экспериментальными данными позволили отождествить механизмы образования ИСП в различных секторах магнитосферы. Показано, что на модельные ИСП большое влияние оказывают примятые при вычислениях модели электрического поля конвекции и положения источника частиц.

3. Рассмотрение нового механизма генерации электрического поля во внутренней магнитосфере в полосе PJ частицами внешнего радиационного пояса позволило разработать простую количественную модель поддержания электрического поля в полосе PJ.

Практическая ценность работы

Результаты, полученные в данной работе, могут быть использованы для отождествления физических процессов, происходящих в магнитосфере, в том числе процессов формирования кольцевого тока - основного фактора, определяющего магнитные и ионосферные вариации на средних широтах. Проведенные модельные расчеты и их сопоставление с уникальными экспериментальными данными спутников ИНТЕРБОЛ-2, POLAR, DMSP представляют интерес для практических приложений, в частности, для выработки критериев по прогнозу "космической погоды", для изучения заряда космических аппаратов потоками сверхтепловых частиц, для построения адекватных моделей внутренней магнитосферы.

Апробация работы

Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались на семинарах в ИКИ РАН в 1999-2002 гг., на семинаре Финского метеорологического института (Хельсинки, 2000), на XXIV, XXV, XXVI Генеральных Ассамблеях Европейского геофизического сообщества (Гаага, Нидерланды, 1999; Ницца, Франция, 2000; Ницца, Франция, 2001), на международных симпозиумах по проекту ИНТЕРБОЛ (Звенигород, Россия, 1999; Киев, Украина, 2000; София, Болгария, 2002), на 5-й Международной конференции по суббурям (С.-Петербург, Россия, 2000), на Международном симпозиуме памяти Ю.И.Гальперина (Москва, Россия, 2003).

Основные результаты диссертации опубликованы в семи научных работах в 1999-2003 г.г.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Общий объем диссертации - 139 страниц, включая 39 рисунков, 2 таблицы и список использованной литературы из 107 названий.

3.4 Выводы к Главе 3

1. Оценены следующие источники частиц, которые могут обеспечить ток в полосе PJ: квазистационарный приток частиц во внутреннюю магнитосферу; единичная вспышечная инжекция; частицы внешнего радиационного пояса на L-оболочках 3-4.

Получено, что в качестве источника частиц, создающих ток, все три механизма могут обеспечить поддержание электрического поля в полосе PJ.

2. Рассмотрен механизм генерации электрического поля в полосе PJ за счет частиц внешнего радиационного пояса. Построена простая количественная модель распределения относительной плотности заряда в полосе PJ. Показано, что наличие полосы PJ значительно искажает движение частиц во внешнем радиационном поясе, причем полученное разделение заряда в полосе PJ формирует электрическое поле, которое может поддерживать исходное поле PJ.

В существующих моделях в качестве источника энергии для поддержания сильного электрического поля в полосе PJ главным образом рассматривается "внешняя" инжектированная горячая плазма. В Главе 3 рассмотрена другая возможность генерации напряжения в полосе РЛ не за счет инжекции, а за счет "внутреннего" источника энергии -частиц внешнего радиационного пояса. Такой механизм генерации может быть самоподдерживающимся, и объяснять большое время жизни PJ. Этот механизм генерации напряжения в полосе PJ отличается от существующих тем, что для поддержания сильного электрического поля в полосе PJ рассматривается не "внешняя" инжектированная горячая плазма, а "внутренний" источник - частицы радиационного пояса.

3.5 Рисунки к Главе 3

Рис. 35: Схематическое изображение явления поляризационного джета (PJ). electrons source ч 'Ч'ч>\\

PJ band

4- + tons source

VK¥

ЕхВ

Vgrad —

4- + + + -N

E.mlt

У'ВхВ v vgrad

MLT

20 h

23 h

Рис. 36: Схематическое изображение экваториальной проекции PJ. Источник электронов находится слева, источник протонов справа. Для протонов проекции скоростей градиентного и электрического долготного дрейфов складываются, для электронов вычитаются, поэтому существование сильного электрического поля в полосе PJ вызывает искажение дрейфовых траекторий частиц. Особенно значительно это искажение для частиц, у которых скорость градиентного дрейфа примерно равна скорости электрического.

Рис. 37: Моделирование нормированной плотности заряда частиц внешнего радиационного пояса в полосе поляризационного джета. Функция распределения в источнике (для электронов на MLT = 20 h, для ионов на MLT = 23 h): F ~ yjJi0 • ехр(—////Lt0), Но = 10keV/B0, L = 3 -г 3.3 (по оси Y), MLT = 20 23Д (по оси X). t= 10 mm

Рис. 38: Моделирование нормированной плотности заряда частиц внешнего радиационного пояса в полосе поляризационного джета. Функция распределения в источнике (для электронов на MLT = 20 h, для ионов на MLT = 23 h): F ~ yf\xо ■ ехр(—/V/U0), Но = 50keV/Bo, L = 3 Ч- 3.3 (по оси Y), MLT = 20 -г- 23h (по оси X). t = lOmin

4MLT=3h t = 30 min t = 180 mm av

Рис. 39: Моделирование нормированной плотности заряда частиц внешнего радиационного пояса в полосе поляризационного джета. Функция распределения в источнике (для электронов на MLT = 20 h, для ионов на MLT = 23 h): F ~ у/Щ ■ ехр(-/х//х0), Но = mkeV/B0, L = 3 Ч- 3.3 (по оси Y), MLT = 20 23h (по оси X).

Заключение

1. Проведен анализ экспериментального материала по наблюдениям ИСП и носовых структур со спутника ИНТЕРБОЛ-2 в магнитно-спокойные и средневозмущенные периоды. Показано путем модельных расчетов и их сравнения с экспериментальными данными, что для магнитно-спокойного и средневозмущенного состояния магнитосферы характерно наличие стационарной средней картины конвекции. Наилучшее согласие экспериментальных данных с модельными расчетами получено для модели конвекции Мак-Илвайна, 1972 г. Трассирование границ высыпаний частиц, наблюдаемых спутником DMSP, показало, что в этих условиях источником горячей плазмы в диффузной авроральной зоне является главным образом предполуночный сектор хвоста магнитосферы на расстояниях ~ 8 — 10-Re- В слабовозмущенных условиях во внутренней магнитосфере на квазистационарную конвекцию могут накладываются слабые инжекции частиц, не меняющие заметно общей картины конвекции. Этот вспышечный источник частиц соответствует авроральным активизациям и слабым суббурям на сжатом овале, и такие инжекции создают небольшие, но измеримые локализованные магнитные вариации в высоких широтах.

2. Из сопоставления результатов моделирования ИСП и носовых структур с данными наблюдений показано, что два механизма формирования ИСП, обсуждавшиеся в литературе как альтернативные, в действительности реализуются в разных условиях, но могут и налагаться друг на друга в определенных ситуациях. Эти два фактора следующие:

• существование выделенной энергии, ионы с которой имеют большое время дрейфа от источника до точки наблюдения (время жизни частиц с определенной энергией меньше, чем время дрейфа);

• наличие запретных областей для ионов определенных энергий, выходящих из источника и проходящих через эту область.

3. Выявлен определенный тип носовых структур, наблюдаемых на энергиях ~5-10 кэВ, которые формируются в результате дрейфа частиц Н+ в стационарных электрическом и магнитном поле и не связаны с развитием суббури. Такие носовые структуры образованы ИСП, формирующимися вследствие существования "запретных зон" замкнутых траекторий. Проведен статистический анализ носовых структур, наблюдаемых спектрометром ИОН спутника ИНТЕРБОЛ-2. Показано, что при значениях Кр-индекса 0-1 носовые структуры наблюдаются с высокой вероятностью как в ночном сскторе( ~ 80% для текущего значения Кр-индекса 0-1), так и в дневном 75% для Кр — 0, с упреждением по Кр-индексу на ч). Результаты статистического анализа обоснованы модельными расчетами, которые показывают, что носовые структуры в стационарном случае могут формироваться во всех секторах MLT. Носовые структуры в спокойное время имеют время формирования 3 - 10 ч, в отличие от суббуревых структур, которые формируются за время 0,5 - 2 ч после начала суббури.

4. Разработана простая количественная модель, описывающая механизм генерации электрического поля во внутренней магнитосфере в полосе PJ. В качестве генератора напряжения для образования электрического поля рассматриваются частицы внешнего радиационного пояса. Показано, что электрическое поле PJ значительно искажает траектории движения частиц внешнего радиационного пояса и вызывает разделение зарядов в полосе PJ. Результирующее электрическое поле имеет два компонента - направленный к полюсу и восточный. Такое электрическое поле поддерживает начальное поле PJ. Рассмотренный механизм является самоподдерживающимся и может обеспечивать большое время жизни PJ.

В заключение автор хотел бы выразить глубокую признательность своему руководителю, профессору Юрию Ильичу Гальперину, который вложил много сил и души в воспитание автора как самостоятельного исследователя, являясь примером увлеченности, нравственности и честности.

Автор также искренне благодарен Р.А. Ковражкину за активную помощь и поддержку на заключительном этапе работы над диссертацией, Т. Пулккинен и Н.Ю. Ганюшкиной за полезное обсуждение Главы 2 и предоставление данных прибора Cammice, В. Л. Халипову и В.В. Вовчен-ко за сотрудничество в работе над Главой 3, А.Л. Глазунову за помощь в построении спектрограмм прибора ИОН, коллективу лаборатории 547 за обсуждение всех результатов, вошедших в диссертацию, помощь и соавторство при подготовке публикаций, множество ценных замечаний и советов.

Отдельно автор адресует слова благодарности Л.М. Зеленому и Г.Н. За-стенкеру за поддержку и наставления, которые очень помогли автору в работе над диссертацией.

1. W. Dungey. Interplanetary rnagncic field and the auroral zones. Phys. Rev. Letters, 6:47, 1961.

2. W. I. Axford and С. O. Hines. A unifying theory of high latitude geophysical phenomena and geomagnetic storms, Can. J. Phys., 30:1433, 1961.

3. С. E. Mcllwain. Plasma convection in the vicinity of the geosynchronous orbit. Iri B.M. McCorrnac, editor, Earth's Magneto spheric Processes, page 268. D. Reidel Pub.Comp., 1972.

4. M. Ejiri. Trajectory traces of charged particles in the magnetosphere. J. Geophys. Res., 83:4798-4810, 1978.

5. H. Shirai, K. Maezawa, M. Fujimoto, T. Mukai, Y. Saito, and N. Kaya. Monoenergetic ion drop-off in the inner magnetosphere. J. Geophys. Res., 102(A9): 19873, 1997.

6. Ю. И. Гальперин, В. Н. Пономарев, А. Г. Зосимова. Прямые измерения скорости дрейфа ионов в верхней ионосфере во время магнитной бури, 2. Результаты измерений во время магнитной бури 3 ноября 1967 г. Космические Исследования, 11:284-296, 1973.

7. D. J. Southwood and R. A. Wolf. An assessment of the role of precipitation in magnetospheric convection. J. Geophys. Res., 83(A11): 5227-5232, 1978.

8. J. M. Quinn, G. Paschmann, N. Sckopke, et al. EDI convection measurements at 5-6 R(Earth) in the post-midnight region. Ann. Geophysicae, 17:1503, 1999.

9. С. E. Mcllwain. A Kp-dependent equatorial electric field model. Adv. Space Res., 6(3):187, 1986.

10. H. Volland. A semiempirical model of the large-scale magnetospheric electric fields. J. Geophys. Res., 78:171, 1973.

11. D. P. Stern. The motion of a proton in the equatorial magnetosphere. J. Geophys. Res., 80(4):595, 1975.

12. P. Т. Newell, Y. I. Feldstein, Y. I. Galperin, and C.-I. Meng. The morphology of nightside precipitation. ,7. Geophys. Res., 101:10737,1996.

13. J. Buchner and L. M. Zelenyi. Regular and chaotic charged particle motion in magnetotaillike field reversal, 1, basic theory of trapped motion. ./. Geophys. Res., 94(A9):11821, 1989.

14. N. A. Tsygaricriko. A magnetospheric magnetic field model with a warped tail current sheet. Planet Space Sci., 37:5, 1989.

15. P. H. Smith and R. A. Hoffman. Direct observations in the dusk hours of the characteristics of the storm time ring current particles during the beginning of magnetic storms. J. Geophys. Res., 79:966, 1974.

16. T. Iijima and T. A. Potemra. Field-aligned current system in the dayside cusp observed by triad. J.Geophys.Res., 81(34):5971 5979, 1976.

17. T. Iijima and T. A. Potemra. The amplitude distribution of field-aligned currents at northern high latitudes observed by triad. J.Geophys.Res., 81(13):2165 2174, 1976.

18. О. А. Трошичев. Ионосферно магнитные возмущения в высоких широтах. Литература, 59-103, 1986.

19. D. P. Stern. A study of the electric field in an open magnetosphere. J. Geophys. Res., 78:7292-7305, 1973.

20. W. D. Gonzales and F. S. Mozer. A quantitative model for the potential resulting from reconnectionwith an arbitray interplanetary magnetic field. J. Geophys. Res., 79:4186, 1974.

21. L. R. Lyons. A simple model for polar cap convection pattern and generation of 9 auroras. J. Geophys. Res., 90:1561 1567, 1985.

22. M. Lokwood, S. W. H. Cowley, and M. P. Freeman. The excitation of plasma convection in the high latitude ionosphere. J. Geophys. Res., 95:7961 - 7972, 1990.

23. P. J. Heppner. Polar cap electric field distribution related to the interplanetary magnetic field direction. J. Geophys. Res77:4877, 1972.

24. P. J. Heppner and N. C. Maynard. Empirical high latitude electric field models. J. Geophys. Res., 92:4467 - 4489, 1987.

25. D. R. Weimer. Models of high latitude electric potentials derived with a least error fit of spherical harmonic coefficient. J. Geophys. Res., 100(A4):19595 - 19607, 1995.

26. Ya. I. Feldstein and A. E. Levitin. Solar wind control of electric fields and currents in the ionosphere. J. Geomag. Geoeleetr., 38:1143, 1986.

27. R. A. Heelis, J. K. Lowell, and R. W. Spiro. A model of the high latitude ionospheric convection pattern. ,/. Geophys. Res., 87:6339, 1982.

28. M. R. Hairston and R. A. Heelis. A model of the high latitude ionospheric convection pattern. J. Geophys. Res., 95:2333 - 2343, 1990.

29. A. Nishida. Formation of plasmapause, or magnetospheric plasma knee, by the combined action of magnetospheric convection and plasma escape from the tail. J. Geophys. Res., 71:5669-5679, 1966.

30. W. I. Axford. Magnetospheric convection. Rev. Geophys. Space Phys., 7:421-459, 1969.

31. N. M. Brice. Bulk motion of the magnetosphere. J. Geophys. Res., 72:5193-5211, 1967.

32. M. Ejiri, R. A. Hoffman, and P. H. Smith. Energetic particle penetrations into the inner magnetosphere. J. Geophys. Res., 85(A2):653, 1980.

33. Y. I. Galperin, V. S. Soloviev, K. Torkar, J. C. Foster, and M. V. Veselov. Predicting the plasmaspheric density radial profiles. J. Geophys. Res., 102:2079-2091, 1997.

34. М. С. Fok, Т. Е. Moore, J. U. Kozyra, G. С. Ho, and D. С. Hamilton. Thrcc-diiricntional ring current dccay model. ,J. Geophys. Res., 100:9619,1995.

35. V. K. Jordanova, L. M. Kistler, J. U. Kozyra, G. V. Khazanov, and A. F. Nagy. Collisional losses of ring current ions. J. Geophys. Res., 101:111,1996.

36. V. K. Jordanova, J. U. Kozyra, A. F. Nagy, and G. V. Khazanov. Kinetic model of ring current atmosphere interactions. J. Geophys. Res., 102:14279, 1997.

37. Y. Ebihara, M. Ejiri, and H. Miyaoka. Coulomb lifetime of the ring current ions with time varying plasmasphere. Earth Planets Space, 50:371-382, 1998.

38. Y. I. Galperin, N. V. Jorjio, R. A. Kovrazhkin, F. Cambou, J.-A. Sauvaud, and J. Crasnier. On the origin of auroral protons at the dayside auroral oval. Ann. Geophys., 32:117, 1976.

39. D. J. Williams and L. R. Lyons. The proton ring current and its interaction with the plasmapause; storm recovery phase. J. Geophys. Res., 79:4195, 1974.

40. L. R. Lyons and D. J. Williams. Storm associated variations of equatorial mirroring ring current protons, 1-800 kev, at constant first adiabatic invariant. J. Geophys. Res., 81:216, 1976.

41. W. E. Lennartsson, E. G. Shelly, R. G. Johnson, and H. Balsiger. Some initial ISEE-1 results on the ring current composition and dynamics during the magnetic storm of December. Geophys. Res. Lett., 6:483, 1979.

42. Y. Kamide and С. E. Mcllwain. The onset time of magnetospheric substorm determined from ground and synchronous satellite records. J. Geophys. Res., 79:4787-4790, 1974.

43. R. H. Eather, S. B. Mende, and R. J. R. Judge. Plasma injection at synchronous orbit and spatial and temporal auroral morphology. J. Geophys. Res., 81(16):2805-2824, 1976.

44. S. M. Kaye and M. G. Kivelson. Time dependent convection electric fields and plasma injection. J. Geophys. Res., 84:4183, 1979.

45. M. G. Kivelson. Magnetospheric electric fields and their variation with geomagnetic activity. Rev. Geophys. Space Phys., 14:189-197, 1976.

46. A. Konradi, C. L. Semar, and T. A. Fritz. Substorm-injected protons and electrons and the injection boundary model. J. Geophys. Res., 80:543552, 1975.

47. A. Konradi, C. L. Semar, and T. A. Fritz. Injection boundary dynamics during a magnetic storm. J. Geophys. Res., 81:3851-3865, 1976.

48. M. E. Greenspan, D. J. Williams, В. H. Mauk, and C.-I. Meng. Ion and electron energy dispersion features detected by ISEE-1. J. Geophys. Res., 90:4079, 1985.

49. Т. E. Moore, R. L. Arnoldy, J. Feynmarm, arid D. A. Hardy. Propagating substorm injection fronts. J. Geophys. Res., 86(A8):6713, 1981.

50. R. E. Lopez, D. G. Sibeck, R. W. McEntire, and S. M. Krimigis. The energetic ion substorm injection boundary. J. Geophys. Res., 95(A1):109, 1990.

51. X. Li, D. N. Baker, M. Temerin, G. D. Reeves, and R. D. Belian. Simulation of dispersionless injections and drift echoes of energetic electrons associated with substorms. J. Geophys. Res., 25:3763, 1998.

52. D. C. Delcourt, G. Belmont, J.-A. Sauvaud, Moore, Т.Е., and R.F. Martin Jr. Centrifugally driven phase bunching and related current sheet structure in the near-Earth magnetotail. J. Geophys. Res., 101:19839, 1996.

53. D. C. Delcourt, C. R. Chappell, Т. E. Moore, and J. H. Waite Jr. A three-dimensional numerical model of ionospheric plasma in the magnetosphere. J. Geophys. Res., 94:11893-11920, 1989.

54. A. J. Chen. Penetration of low-energy protons deep into the magnetosphere. J. Geophys. Res., 75:2458, 1970.

55. S. W. H. Cowley and M. Ashour-Abdalla. Adiabatic plasma forbidden-zone effects for a simple electric field model. Planet. Space Sci, 24:821, 1976.

56. С. E. Mcllwain. Substorm injection boundaries. In B.M. McCormac, editor, Magnetospheric physics, page 143. D.Reidel Pub. Сотр., 1974.

57. N. Yu. Ganushkina, Т. I. Pulkkinen, V. F. Bashkirov, D. N. Baker, arid X Li. Formation of intense nose structures. Geophysical Research Letters, 28:491 494, 2001.

58. R. W. Spiro, M. Harel, R, A. Wolf, and P. H. R,eiff. Quantitative simulation of a magnctosphcric substorm. 3. plasmaspheric electric fields and evolution of the plasmasphcrc. ,/. Geophys. Res., 86(A4):2261-2272, 1981.

59. P. C. Anderson, W. B. Hanson, R. A. Heelis, J. D. Craven, D. N. Baker, and L. A. Frank. A proposed production model of rapid subauroral ion drifts and their relationship to substorm evolution. J. Geophys. Res., 98:6069-6078, 1993.

60. Y. I. Galperin, V. N. Ponomarev, and A. G. Zosimova. Plasma convection in the polar ionosphere. Ann. Geophys., 30(1):l-7, 1974.

61. R. W. Spiro, R. A. Heelis, and W. B. Hanson. Rapid subauroral ion drifts observed by Atmospheric Explorer C. Geophys. Res. Lett., 6(8):660-663, 1979.

62. R. W. Spiro, R. A. Heelis, and W. B. Hanson. Ion convection and the formation of the mid-latitude F region ionization trough. J. Geophys. Res., 83:4255-4264, 1978.

63. T. Karlsson, G. Marklund, L. G. Blomberg, and A. Malkki. Subauroral electric fields observed by the Freja satellite: A statistical study. J. Geophys. Res., 103:4327-4341, 1998.

64. M. Smiddy, M. C. Kelley, W. J. Burke, F. J. Rich, E. Sagalyn, B. Shuman, R. Hays, and S. Lai. Intense poleward directed electric fields near the ionospheric projection of the plasmapause. Geophys. Res. Lett., 4(11) :543-546, 1977.

65. N. С. Maynard, Т. L. Aggson, and J. P. Heppner. Magnetospheric observation of large subauroral electric fields. Geophys. Ren. Lett., 7(11):881—884, 1980.

66. P. C. Anderson, W. B. Hanson, and R. A. Heelis. The ionospheric signatures of rapid subauroral ion drifts. J. Geophys. Res., 96:5785-5792, 1991.

67. R. S. Unwin and С. H. Cummack. Drift spikes: The ionospheric signature of large poleward directed electric fields at subauroral latitudes. Mem. Nat. Inst. Polar Res., 16:72-83(Special Issue), 1980.

68. H.-C. Yeh, J. C. Foster, F. J. Rich, and W. Swider. Storm time electric field penetration observed at mid-latitude. J. Geophys. Res., 96:57075721, 1991.

69. A. S. Rodger, R. J. Moffett, and S. Quegan. The role of the ion drift in the formation of ionisation troughs in the mid- and high-latitude ionosphere A review. J. Atmos. Terr. Phys., 54:1-30, 1992.

70. J. C. Foster, M. J. Buonsanto, M. Mendillo, D. Nottingam, F. J. Rich, and W. Denig. Coordinated stable auroral red arc observations: Relationship to plasma convection. J. Geophys. Res., 99:11429-11439, 1994.

71. V. N. Alexeev, I. B. Ievenko, V. A. Yugov, V. M. Ignatyev, and V. L. Khalipov. Complex photometric, interpherometric and ionospheric measurements in the SAR-arc observation region. Geomagn. and Aeronomy (English translation), 34:63-68, 1994.

72. R. J. Moffett, R. A. Heelis, R. Sellek, and G. J. Bailey. The temporal evolution of the ionospheric signatures of subauroral ion drifts. Planet. Space Sci, 40:663-670, 1992.

73. F. J. Rich, W. J. Burke, M. C. Kelley, and M. Smiddy. Observations of field-aligned currents in association with strong convection electric fields at subauroral latitudes. J. Geophys. Res., 85(A5):2335-2340, 1980.

74. P. C. Anderson, D. L. Carpenter, K. Tsuruda, T. Mukai, and F.J. Rich. Multisatellite observations of rapid subauroral ion drifts (SAID). ,/. Geophys. Res., 106(A12):29585 29599, 2001.

75. M.-C. Fok, J. U. Kozyra, A. F. Nagy, and Т. E. Cravens. Lifetime of ring current particles due to Coulomb collisions in the plasrnasphere. J. Geophys. Res., 96:7861, 1991.

76. P. H. Smith and N. K. Bewtra. Charge exchange lifetimes for ring current ions. Space Sci. Rev., 22:301, 1978.

77. J.G. Roederer. Dynamics of Geomagnetically Trapped Radiation, in: Pysics and Chemistry in Space, v.2. Springer-Verlag, New York, 1970.

78. N. Dubouloz, J.J. Berthelier, M. Malingre, L. Girard, Yu. Galperin et al. Thermal ion measurements on board INTERBALL Auroral Probe. Ann. Geophysicae, 16:1070- 1085, 1998.

79. J. Wygant, D. Rowland, H. Л. Singer, M. A. Temerin, F. S. Mozer, and M. K. Hudson. Experimental evidence on the role of the large spatial scalc electric field in creating the ring current. J. Geophys. Res., 103:29527— 29544, 1998.

80. M. Г. Деминов, В. H. Шубин. Динамика ночной субавроральной F -области в течение возмущенных условий. Геомагнетизм и Аэрономия, 27:398-403, 1987.

81. М. Г. Деминов, В. Н. Шубин. Эффекты электрических полей в ночной субавроральной F области. Геомагнетизм и Аэрономия, 28:409-415, 1988.

82. Л. De Keyser, М. Roth, and Л. Lemaire. The magnetospheric driver of subauroral ion drifts. Geophys. Res. Lett., 25:1625-1628, 1998.

83. Л. De Keyser. Formation and evolution of subauroral ion drifts in the course of a substorm. J. Geophys. Res., 104:12339-12349, 1999.

84. T. Iijima and T. A. Potemra. Large-scale characteristics of field-aligned currents associated with substorms. J. Geophys. Res., 83(A2):599-615, 1978.

85. Yu. I. Galperin. Polarization jet: characteristics and a model. Annales Geophysicae, 20(3):391, 2002.1. Список иллюстраций

86. То же, что и на Рис. 2, но для 4-6 июля 1997 г. (слева) и для30 декабря 01 января 1997 г. (справа) . 55

87. Измерения ионных спектральных провалов и соответствующие им модельные спектрограммы для орбиты 1099 (20-21мая 1997 г.). Обозначения те же, что и на Рис. 7. 60

88. Измерения ионных спектральных провалов и соответствующие им модельные спектрограммы для орбиты 1290 (06 июля 1997 г.). Обозначения те же, что и на Рис. 7. 61

89. Измерения ионных спектральных провалов и соответствующие им модельные спектрограммы для орбиты 519 (01 января 1997 г). Обозначения те же, что и на Рис. 7. 62

90. Магнитограммы сети IMAGE для 26 29 декабря 1997 г. Темно - серым цветом выделены интервалы наблюдений ИСП, светло - серым выделены интервалы, при моделировании полагающимися интервалами инжекций. 63

91. Проекции на экваториальную плоскость границ высыпаний, наблюдаемых спутником DMSP, для 28 декабря 1997 г. Показаны проекции гранит; 'b2i", "Ь2е", "ЬЗа", "b4s". 64

92. Измерения ионных спектральных провалов и соответствующие им модельные спектрограммы для орбиты 2019 (29 декабря 1997 г.). Обозначения те же, что и на Рис. 13. Показаны "сигнатуры" двух инжекций: а) 18 21 UT 28.12.1997г. б) 23 -02 UT 28/29.12.1997г. 67

93. Результаты статистического анализа наблюдений спектрометром ИОН спутника ИНТЕРБОЛ 2 стационарных носовых структур в ночном секторе MLT (20 h - 03 h) в зависимости от текущего значения Кр индекса. 90

94. Результаты статистического анализа наблюдений спектрометром ИОН спутника ИНТЕРБОЛ 2 стационарных носовых структур в дневном секторе MLT (06 h - 16 h) в зависимости от текущего значения Кр индекса. 91

95. Результаты статистического анализа наблюдений спектрометром ИОН спутника ИНТЕРБОЛ 2 стационарных носовых структур в дневном секторе MLT (06 h - 16 h) в зависимости от значения Кр индекса, взятого с 6-ти часовым

96. Моделирование суббуревых носовых структур, выполненное в работе Эджири и др. 37.: модель конвекции Волланда -Стерна для Кр = 4, модель источника - 10Re- (Рисунок взят

97. Y энергия ионов. Время дрейфа указано в часах. 94

98. Измерения ИСП спектрометром ИОН спутника ИНТЕРБОЛ-2 и соответствующие им модельные спектрограммы для 05 октября 1997 г. (UT 06:30 07:10, орбита 1668). а - данные спектрометра ИОН; Ь, с, d - модельные спектрограммы для моделей конвекции М72, М86 и ВС.

99. Обозначения те же, что и на Рис.26. 98

100. АЕ индекс для 03 июля 1997 г. Серыми прямоугольниками выделены интервалы времени, соответствующие наблюдениям спутника ИНТЕРБОЛ 2 трех носовых структур. 99

101. Наблюдения спектрометром ИОН спутника ИНТЕРБОЛ-2 стационарной носовой структуры 03 июля 1997 г. Показаны (сверху вниз): E-t спектрограмма для Н+, E-t спектрограмма для 0+, питч угол. Черной линией выделена носовая структура.100

102. Наблюдения спектрометром ИОН спутника ИНТЕРБОЛ-2 стационарной носовой структуры 03 июля 1997 г. Показаны (сверху вниз): E-t спектрограмма для Н+, E-t спектрограмма для 0+, питч угол. Черной линией выделена носовая структура. 100

103. Наблюдения спектрометром ИОН спутника ИНТЕРБОЛ 2 электронов с энергиями 0.1-22 кэВ для 03 июля 1997 г. (орбита 1279, UT 13:20 - 13:40). Видна резкая граница в 13:27

104. UT положение границы конвекции.102

105. Наблюдения тепловой плазмы с энергиями 1 80 эВ прибором ГИПЕРБОЛОИД спутника ИНТЕРБОЛ - 2 для 03 июля 1997 г. Видна резкая граница в 13:25 UT, которую можно отождествить с положением плазмопаузы.102

106. Схематическое изображение явления поляризационного джета (PJ).114

107. MLT = 20 -т- 23Л (по оси X)115

108. MLT = 20 -г 23h (по оси X)116

109. MLT = 20 -f- 23h (по оси X)117