Формирование магнитостатически равновесных продольных токов зоны 1 и электрического поля утро-вечер в магнитосфере Земли тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

О У с ceuaC'itL^to ст&е ft ¿¿-¿/¿e? ¿tad/i-u.^

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.В. ЛОМОНОСОВА

1АУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ ИМЕНИ Д.В. СКОБЕЛЬЦЫНА

•I

РГБ ОД На правах рукописи

УДК 550.385

Ганюшкина Наталья Юрьевна

Формирование магнитостатически равновесных продольных токов зоны 1 и электрического поля утро-вечер в магнитосфере Земли

(01.04.08 - физика и химия плазмы)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва, 1997

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте ядерной физики им. Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Научные руководители: доктор физико-математических наук,

профессор | ^.А. Тверской;

кандидат физико-математических наук Е.Е. Антонова

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор С.Н. Кузнецов;

доктор физико-математических наук, профессор Ю.И. Гальперин

Ведущая организация: НЗМИРАН (г. Троицк Моск. обл.)

Защита состоится ■ /Г- С^иТ^Щх997 года часов на заседании диссертационного совета К053.05.24 в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119899, Москва, Воробьевы горы, НИИЯФ МГУ, 19-ый корпус, ауд. 2-15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЯФ МГУ. Автореферат разослан "!$ " ¿С&Ь*-^ 997 ГОда.

Ученый секретарь диссертационного совета К053.05.24

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Выяснение природы крупномасштабного электрического поля утро-вечер является одной из нерешенных до конца проблем физики магнитосферы Земли. С этой проблемой тесно связана проблема генерации продольных токов зон 1 и 2. До настоящего времени во многих работах возникновение крупномасштабного магнитосферного электрического поля связывается либо с процессом пересоединения межпланетного и магнитосферного магнитных полей (действие МГД-генератора в магнитосферных погранслоях), либо с действием процессов квазивязкого взаимодействия на границе магнитосферы. При этом предполагается, что продольные токи зоны 1 проецируются на погранобласть магнитосферы или на погранобласть плазменного слоя.

Анализ большого количества имеющихся экспериментальных данных привел к выводу о проецировании аврорапьного овала, а, следовательно, и токов системы 1, на внутренние области плазменного слоя. Данная точка зрения получила за последнее время многочисленные подтверждения, включая результаты наблюдений на спутнике Викинг. В связи с этим, максимальный перепад потенциала между утренней и вечерней сторонами магнитосферы имеет место не на границе полярной шапки, а глубоко внутри плазменного слоя. Можно предположить, что поле утро-вечер может иметь, в основном, внутримагнитосферный источник. Этим источником могут быть азимутальные градиенты давления плазмы в магнитосфере, что предполагалось в работах Б.А. Тверского еще в 1969 году.

Хорошо известна роль азимутальных градиентов давления в генерации продольных токов зоны 2 (теория апьвеновской экранировки внутренней магнитосферы). Данные механизм может быть применен и для объяснения появления гокоз Зоны 1 и формирования поля утро-вечер.

В высокоширотных областях магнитосферы применение системы координат Мак-Илвайна во многих случаях оказывается неэффективным. Для анализа всего комплекса данных высокоширотных наблюдений представляется возможным использовать в качестве изоповерхностей (изолиний в проекции на ионосферные высоты) системы координат изоповерхности (изолинии) объемов магнитных силовых трубок W = const.

В литературе не имеется данных об азимутальных градиентах давления, так как их получение требует одновременных измерений на большом числе спутников, что не осуществлено до настоящего времени. Были получены лишь радиальные профили давления на 2 < 1. < 9 (Зе в ходе экспериментов на спутнике АМРТЕ/ССЕ. Информация об азимутальных градиентах давления плазмы может быть получена при использовании данных о распределении продольных токов на ионосферных высотах в предположении об их магнитостатическом равновесии и полуэмпирических моделей магнитного поля. Для оценок азимутальных градиентах давления плазмы могут быть использованы величины градиентов объемов магнитных силовых трубок, для нахождения которых может быть использована вводимая система координат основанная на изоповерхностях равного объема магнитных силовых трубок.

Существование азимутальных градиентов давления плазмы, которые могут иметь значение при генерации продольных токов зоны 1, возможно за счет реальной конфигурации магнитосферного магнитного поля в области перехода от дипольных силовых линий к вытянутым в хвост. Подтверждение этому может быть найдено при изучении топологических особенностей конфигурации магнитосферной ловушки на основе моделей магнитосферного магнитного поля Цыганенко. Несовпадение изолиний равного объема магнитных силовых трубок и токовых линий, как это будет показано ниже, может обеспечивать генерацию магнитостатически равновесных продольных токов.

В рамках механизма азимутальных градиентов давления плазмы могут найти качественное объяснение эффект влияния ММП на геомагнитную активность и некоторые черты суббури (возрастание продольных токов зоны 1 и электрического поля утро-вечер во время предварительной фазы и формирование суббуревой токовой петли и авроральной выпуклости во время взрывной фазы).

В связи с вышеизложенным, проведение анализа возможности генерации продольных токов зоны 1 и электрического поля утро-вечер за счет азимутальных градиентов давления плазмы является важной и актуальной задачей.

Целью работы является:

1). построение новой системы координат для описания магнитостатически равновесных процессов в высокоширотной магнитосфере Земли, основанной на изоповорхностях равного объема магнитных силовых трубок, вычисляемых при использовании полуэмпирических моделей магнитосферного поля Цыганенко;

2). расчет величин азимутальных градиентов давления плазмы при использовании картины распределения продольных токов на ионосферных высотах, полученной на спутнике TRIAD, и градиентов объемов магнитных силовых трубок, вычисляемых на основе моделей магнитосферного поля Цыганенко;

3). выяснение существования и определение величины перепада давления день-ночь вдоль изоповерхности равного удельного объема магнитных силовых трубок, необходимого для генерации продольных токов зоны 1, при использовании экспериментальных данных спутников АМРТЕ/ССЕ, AMPTE/IRM о распределении давления плазмы в магнитосфере;

4). проведение геометрического анализа конфигурации магнитного поля магнитосферной ловушки на основе моделей геомагнитного поля Цыганенко с целью выяснения роли максимально несимметричной части ловушки при генерации продольных токов зоны 1;

5). проведение анализа влияния ММП на генерацию продольных токов зоны 1 и электрического поля утро-вечер при помощи модели магнитосферного поля Цыганенко, дающей конфигурацию магнитного поля для разных значений Bz ММП и давления солнечного ветра;

6). выявление изменений продольных токов зоны 1 и электрического поля утро-вечер во время предварительной и взрывной фаз суббури;

7). объяснение основных черт суббури при помощи механизма азимутальных градиентов давления плазмы.

Научная новизна. Предложена новая система координат для описания высокоширотных процессов в магнитосфере Земли, т.е. в тех областях, где неприменима общепринятая система координат Мак-Илвайна (L, В). Изоповерхностями предложенной системы координат являются изоповерхности удельного объема магнитных силовых трубок и угловой координаты, сходной с MLT. Величина удельного объема магнитных

силовых трубок легко вычисляется на основе существующих моделей магнитосферного магнитного поля.

На основе картины распределения продольных токов на ионосферных высотах, полученной на спутнике TRIAD, и градиентов объемов магнитных силовых трубок, вычисляемых с использованием карт изоповерхностей удельного объема магнитных силовых в предложенной системе координат рассчитаны азимутальные градиенты давления плазмы. Проведен расчет перепада давления день-ночь вдоль изоповерхностей равного удельного объема магнитных силовых трубок, необходимого для генерации продольных токов зоны 1, и сравнение с экспериментально наблюдаемым на спутниках AMPTE/CCE, AMPTE/IRM распределением плазмы в магнитосфере.

С помощью моделей магнитосферного магнитного поля Цыганенко проведен геометрический анализ конфигурации магнитного поля магнитосферной ловушки с целью выяснения роли максимально несимметричной части ловушки при генерации продольных токов зоны 1. Для этого исследовался характер пересечения изолиний объемов магнитных силовых трубок и линий перпендикулярного тока в экваториальной плоскости, что давало возможность качественно определить генерируются ли в этой части магнитосферы продольные токи и какого знака.

Построены картины изолиний объемов магнитных силовых трубок и линий перпендикулярного тока в экваториальной плоскости при помощи модели магнитосферного поля Цыганенко, дающей конфигурацию магнитного поля для разных значений Bz ММП и давления солнечного ветра для анализа влияния ММП на генерацию продольных токов зоны 1 и электрического поля утро-вечер.

Проведено моделирование изменений магнитного поля во время предварительной фазы суббури, когда происходит нарастание хвостового тока в ближайшей к Земле области и силовые линии поля вытягиваются в хвост, посредством модификации модели магнитного поля Цыганенко T87W и построение изолиний объемов магнитных силовых трубок в экваториальной плоскости на основе полученной модели. При этом, возрастание продольных токов зоны 1 и электрического поля утро-вечер во

время предварительной фазы получает качественное объяснение без привлечения концепции проникновения электрического поля утро-вечер в магнитосферу.

Получены картины изолиний объемов магнитных силовых трубок в экваториальной плоскости с учетом диполизации силовых линий во время, взрывной фазы суббури. Анализ этих картин дал возможность качественно объяснить формирование суббуревой токовой петли и аврорапьной выпуклости с использованием механизма азимутальных градиентов давления плазмы. В диссертации защищаются:

1. Новая система координат для описания высокоширотных процессов в магнитосфере Земли, изоповерхностями которой являются изоповерхности объема магнитных силовых трубок и угловой координаты, сходной с М1Л".

2. Вывод о том, что генерация магнитостатически равновесных продольных токов зоны 1 возможна за счет существования азимутальных градиентов давления плазмы во внутренних областях магнитосферы Земли, и наряду с существующими механизмами действия МГД генератора в погранслоях и квазивязкого взаимодействия на границе магнитосферы, механизм азимутальных градиентов давления плазмы обеспечивает поддержание крупномасштабного электрического поля утро-вечер при замыкании продольных токов зоны 1 в ионосферной динамо-области.

3. Вывод о том, что существование азимутальных градиентов давления плазмы непосредственно связано с геометрией магнитосферного магнитного поля в области перехода от дипольных силовых линий к вытянутым в хвост.

4. Вывод о том, что в рамках механизма азимутальных градиентов давления плазмы может найти качественное объяснение эффект влияния ММП на величины продольных токов зоны 1 и электрического поля утро-вечер.

5. Качественное объяснение некоторых черт суббури на основе действия механизма азимутальных градиентов давления плазмы: возрастание продольных токов зоны 1 и электрического поля утро-вечер во время предварительной фазы и формирование суббуревой токовой петли и авроральной выпуклости во время взрывной фазы.1.

Практическая значимость. Карты изолиний объемов магнитных силовых трубок системы координат для описания процессов в высоких широтах наряду с разработанным механизмом генерации продольных токов зоны 1 и электрического поля утро-вочер за счет азимутальных градиентов давления плазмы могут быть использованы при проведении анализа магнитосферной конвекции, продольных токов, ОНЧ-КНЧ излучения и аврорального километрового радиоизлучения и для предсказаний геомагнитных возмущений.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались автором и обсуждались на семинарах ОТПКФ (1994, 1995, 1996, 1997) и ОИВМ (1995, 1996, 1997) НИИЯФ МГУ, Центра Космической физики Бостонского Университета (Бостон, США, 1996), Центра Космической Науки Восток-Запад Университета Мэрилэнда (Колледж Парк, Мэрилэнд, США, 1996), Прикладной Физической Лаборатории Университета Джона Хопкинса (Лаурел, Мэрилэнд, США, 1996), на международном семинаре "Радиация в околоземном космическом пространстве" (Дубна, Россия, 1993), на совещании, посвященном памяти В.П.Шабанского "Математические модели ближнего космоса" (Москва, Россия, 1993), на 28-ом семинаре "Физика авроральных явлений" (Апатиты, Россия, 1995), на 20-ой Ассамблее Европейского Геофизического Сообщества (Гамбург, Германия, 1995), на международном симпозиуме "Спутниковые исследования ионосферных и магнитосферных процессов" (Москва, ИЗМИРАН, 1995), на весенней встрече Американского Геофизического Союза (Балтимор, США, 1996).

Публикации. Основные результаты диссертации содержатся в 9 печатных работах и в одном препринте НИИЯФ МГУ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Диссертация содержит 153 страницы, 27 рисунков и 3 таблицы. Список цитируемой литературы включает 226 наименований.

Содержание диссертации

Во введении к диссертации обосновываются актуальность и научная новизна работы, указываются ее цели, рассматриваются научная и практическая значимость работы, личный вклад автора и формулируются основные положения, выносимые автором на защиту.

В первой главе приводятся основные результаты предшествующих экспериментальных и теоретических исследований картины распределения продольных токов и электрического поля утро-вечер в магнитосфере Земли.

В разделе 1 дается описание статистических характеристик продольных токов, полученных в ходе эксперимента на спутниках TRIAD и MAGSAT: направления течения, пространственная картина и распределение токовых плотностей. Крупномасштабные продольные токи текут в двух основных зонах, окружающих геомагнитный полюс: вблизи полярной границы области распределения продольных токов (зона 1) и вблизи экваториальной (зона 2). В утреннем секторе (2300-1100 MLT) продольные токи зоны 1 втекают в ионосферу, а токи зоны 2 вытека-ют. В вечернем секторе (1300-2300 MLT) токи зоны 1 направлены из ионосферы, а токи зоны 2 - в ионосферу. Основные характеристики пространственной картины распределения и направлений течения одинаковы для продольных токов в относительно спокойные периоды ([А1_[ < 100 у) и во время возмущенных периодов (|AL| > i). На высоких широтах во время северной ориентации Bz ММП существует система интенсивных продольных токов, текущих вверх на утренней стороне и вниз на послеполуденной - NBZ-система. В высокоширотной области (78°-80°) вблизи полудня (1000-1400 MLT) текут касповые продольные токи, направление течения которых зависит от By ММП. Наряду с экспериментальными данными в разделе 1 представлены расчеты продольных токов по наземным магнитным данным.

В разделе 2 рассматривается динамика токовой системы ближнего хвоста и статистическая картина продольных токов во время суббури, измеренных на спутниках TRIAD и "Интеркосмос-Болгария-1300". В начале развития суббури внутри вытекающего тока появляются мелкомасштабные токи (L < 50 км, jn =5И0 мкА/м), обусловленные с развитием вариаций

интенсивности высыпающихся энергичных электронои. В вечернем секторе (1500-2000 МП) в приполюсной части аврорального овала появляется интенсивный втекающий в ионосферу продольный ток, связанный с проникновением западной электрострую В ночном секторе (2000-2400 М1_Т) на полярном краю аврорального овала развивается интенсивный вытекающий ток, соответствующий расширяющейся к полюсу авроральной выпуклости.

Взрывная фаза суббури характеризуется расслоением продольных токов на совокупность отдельных интенсивных мелкомасштабных токов, связанных с появлением интенсивных струйных потоков электронов. В ночном и утреннем секторах наблюдается значительное расширение, до 80° инвариантной широты, области мелкомасштабных магнитных возмущений наряду с общим расширением аврорального овала.

На фазе восстановления формирование спокойной токовой системы начинается в низкоширотной области. Интенсивность мелкомасштабных возмущений уменьшается, а структура продольных токов возвращается к невозмущенному состоянию. В ночном секторе в полярной области наблюдались "отошедшие" токи, связанные с движущимися к полюсу "отошедшими" авроральными дугами. Во время возмущений продольные токи в дневном секторе возрастают по величине, и расширяется занимаемая ими область, но основная токовая система, существующая в спокойных условиях, сохраняется и при сильной магнитной возмущенности.

В разделе 3 представлены средние характеристики распределения электрических полей, полученные экспериментально. Экспериментальные методы дают согласующиеся в основном данные о распределении крупномасштабных электрических полей в плоскости, перпендикулярной силовым линиям геомагнитного поля Еь а именно: в области полярной шапки электрическое поле Ех направлено приблизительно вдоль меридиана утро-вечер, в области аврорального овала в утреннем секторе - к экватору, а в вечернем - к полюсу. Если такое пространственное распределение электрических полей в ионосфере представить в виде конвективной системы, где линии конвекции тождественны изолиниям потенциала электрического поля, то система будет иметь двухвихревой характер: в области полярной шапки поток конвекции направлен от Солнца, а в

утреннем и вечернем секторах овала - к Солнцу (со скоростью 800-1200 м/с, что соотвотствует электрическому полю 40-70 мВ/м). В распределении электрических полей в полярных шапках наблюдается асимметрия, зависящая от знака Ву ММП: при Ву ММП > 0 вечерний вихрь конвекции (в северном полушарии) расширяется на большую часть полярной шапки, в то время как область утреннего вихря сжимается, что эквивалентно ослаблению электрического поля в вечернем секторе и его усилению в утреннем. При Ву ММП < 0 наблюдается обратная закономерность. В спокойное время разность потенциалов поля антисолнечной конвекции над полярной шапкой имеет величину 50 кВ, то во время бури может достигать 240 кВ. Прямые измерения электрических полей с помощью спутников в авроральной магнитосфере показали большую изменчивость с характерными флуктуациями амплитуды в несколько мВ/м и длительностью 0.5-5 мин.

В разделе 4 суммированы экспериментальные данные спутников Молния-1, Космос-900, АМРТЕ/ССЕ, 13ЕЕ-2 и АМ РТЕ/1 НМ по наблюдениям распределения давления в магнитосферной ловушке. В плазменном слое в магнитоспокойное время на геоцентрических расстояниях Я < 30Я£

распределения электронов и протонов мало отличаются от изотропного. Давление протонов (р± и рп) в радиальных профилях в экваториальной

плоскости азимутально-симметрично и увеличивается от I. ~ 9 и имеет пик на и ~ 3. Давление протонов уменьшается с увеличением 1..

Раздел 5 посвящен вопросу проецирования магнитосферных доменов на ионосферные высоты. Авроральный овал проецируется на внутренние области плазменного слоя. Магнитосферные погранслои проецируются в области вблизи каспов. Граница полярной шапки расположена к полюсу от полярной границы аврорального овала, так что падение потенциала утро-вечер на границе полярной шапки ДФрс меньше, чем падение потенциала поперек магнитосферы ДФЦЕ^ро.вечер (11, из чего можно предположить, что поле утро-вечер может иметь, в основном, внутримагнитосферный источник.

В разделе 6 рассматриваются механизмы генерации продольных токов зон 1 и 2. Во многих работах продольные токи зоны 1 часто

проецируются на погранобласть магнитосферы, либо на погранобласть плазменного слоя, что связано с разрабатываемыми механизмами генерации поля утро-вечер в процессе пересоединения или вязкого взаимодействия в магнитосфсрных погранслоях. Непосредственные измерения вблизи магнитопаузы не дают пока прямого ответа на вопрос о проникновении электрического поля солнечного ветра в магнитосферу или о действии квазивязких процессов. Основной трудностью, с которой сталкивается концепция генерации перепада потенциала утро-вечер в магнитосфере в результате действия процессов в магнитосферных погранслоях является локализация таких полей. Авроральный овал, а, следовательно, и токи зоны 1, проецируются на внутренние) области плазменного слоя Предположение о проецировании токов зоны 1, а, следовательно, и дискретных дуг полярного сияния, на пограислои противоречило экспериментально наблюдаемой сопряженности дискретных дуг. Кроме того, было известно, что граница захвата электронов с энергией > 20 КэВ лежит к полюсу от структур типа "перевернутого V", в которых, в основном, сосредоточен вытекающий ток зоны 1. Хорошо известна роль азимутальных градиентов давления в генерации продольных токов зоны 2 (теория альвеновской экранировки внутренней магнитосферы). Предположение о действии механизма азимутальных градиентов давления плазмы при генерации продольных токов зоны 1 дает возможность объяснить формирование электрического поля утро-вечер без привлечения процессов пересоединения или квазивязкого взаимодействия, и следовательно, не встречается с указанными выше трудностями.

Механизм азимутальных градиентов давления не требует предположения об эквипотенциальности магнитных силовых линий, которое может нарушаться не только в области сильных вытекающих из ионосферы продольных токов, и базируется на предположении о выполнения условия магнитостатического равновесия при скоростях движения плазмы много меньших звуковой и альвеновской.

Продольные токи зоны 1 замыкаются в ионосферной динамо-области и тем самым поддерживают существование квазистационарного электрического поля утро-вечер в соответствии с основным уравнением

низкочастотного магнитосферно-ионосферного взаимодействия в высокоширотном приближении.

В литературе не имеется данных об азимутальных градиентах давления, так как их получение требует одновременных измерений на большом числе спутников, что не осуществлено до настоящего времени. Информация об азимутальных градиентах давления плазмы может быть получена при использовании данных спутника TRIAD о распределении продольных токов на ионосферных высотах в предположении об их магнитостатическом равновесии и полуэмпирических моделей магнитного поля Цыганенко, что было сделано во второй главе. Для оценок азимутальных градиентах давления плазмы необходимо использовать величины градиентов объемов магнитных силовых трубок, для нахождения которых можно применять предложенную во второй главе новую систему координат для описания высокоширотных процессов с изоповерхностями равного объема магнитных силовых трубок.

Наибольшие значения азимутальных градиентов давления плазмы имеют место в вблизи полуночи. Этот факт может подвести к решению вопроса о начале суббури на экваториальной кромке текущих вверх продольных токов зоны 1 (уярчение большинства экваториальных авроральных дуг). Величины градиентов давления плазмы в утреннем секторе меньше, чем в вечернем. Это может быть обусловлено асимметрией магнитосферного магнитного поля утро-вечер. Существующие модели магнитного поля не включают данную асимметрию. Величины продольных токов зоны 1 ~ в 2 раза больше величин токов зоны 2 на дневной стороне, а минимальное отличие наблюдается около полуночи. Значения азимутальных градиентов давления плазмы, которые могут создавать токи зоны 1, много меньше градиентов, необходимых для генерации токов зоны 2, из-за быстрого роста VW с широтой.

Значения интегральных изменений давления плазмы Ар в утреннем и вечернем секторах Др не превышают экспериментально измеренных величин давления в области полуночи, где давление плазмы минимально, если токи зоны 1 генерируются Vp-механизмом. Др, соответствующие токам зоны 2, также не больше плазменного давления для спокойных условий.

Вычисленные перепады давления не превысили значений перепадов давления по У, определенные на базе данных спутника АМРТЕ/ЧЙМ. Перепад давления день-ночь день-ночь вдоль изоповерхностей равного удельного объема магнитных силовых трубок Ар = рдень - р,Ючь = 0.17 нПа > 0 и его величина согласуется с интегральными изменениями давления плазмы в вечернем и утреннем секторах.

Приведенные выводы подтверждают предположение о возможности генерации продольных токов во внутренних областях магнитосферы благодаря существованию азимутальных градиентов давления плазмы с максимумом давления около полудня и минимумом около полуночи, что соответствует знаку токов зоны 1. Замыкание продольных токов и ионосферной динамо-области может обеспечить формирование электрического поля утро-вечер.

Подтверждение действия механизма градиентов давления для поддержания токов зоны 1 может быть найдено при изучении топологических особенностей конфигурации магнитосферной ловушки на основе моделей магнитосферного магнитного поля Цыганенко. Такое изучение было проведено в третьей главе. Исследовался характер пересечения изолиний объемов магнитных силовых трубок и линий перпендикулярного тока в экваториальной плоскости. В близкой к дипольной части конфигурации ловушки изолинии равного объема в экваториальной плоскости и токовые линии кольцевого тока представляют собой концентрические окружности, поэтому при симметрии кольцевого тока продольные токи не генерируются. В дальних областях хвоста конфигурация близка к трансляционно симметричной (изолинии равного объема и токовые линии близки к прямым), поэтому продольные токи также не должны генерироваться. В максимально несимметричной части ловушки, в области перехода от дипольных к вытянутым в хвост магнитным силовым линиям, изолинии равного объема не совпадают с токовыми линиями. При этом, кривизна изолиний равного объема больше кривизны токовых линий, что соответствует генерации продольных токов зоны I.

С помощью проведенного анализа было получено подтверждение возможности действия механизма азимутальных градиентов давления плазмы для генерации продольных токов зоны 1, и существование таких

градиентов поддерживается конфигурацией магнитосферного магнитного поля.

Теория генерации электрического поля утро-вечер за счет внутримагнитосферного источника (азимутальных градиентов давления плазмы), дает возможность объяснить изменения электрического поля утро-вечер во время суббури без привлечения концепции проникновения электрического поля ММП в магнитосферу. Описанный механизм формирования электрического поля утро-вечер очень чувствителен к изменениям ориентации ММП и, поэтому, может объяснять контролирование магнитосферной активности межпланетным полем.

Для того, чтобы в магнитосфере произошло увеличение или уменьшение поля утро-вечер, в рамках рассматриваемого Ур-механизма нет необходимости постулировать действие МГД-генератора в погранслоях магнитосферы. Влияние ММП на токи зоны 1 может быть обусловлено только влиянием ММП на распределение токов на магнитопаузе и в хвосте (основная часть токов ночной магнитопаузы замыкается через хвост). Если ММП контролирует токи зоны 1, то оно также контролирует поле утро-вечер, возникающее в результате замыкания токов зоны 1 в ионосфере. Таким образом, влияние ММП на геомагнитную активность может быть объяснено без привлечения механизмов пересоединения на магнитопаузе.

В четвертой главе был проведен анализ влияния ММП на генерацию продольных токов зоны 1 и электрического поля утро-вечер при помощи построения изолиний объемов магнитных силовых трубок и линий перпендикулярного тока в экваториальной плоскости при помощи модели магнитосферного поля Цыганенко, дающей конфигурацию магнитного поля для разных значений Вг ММП и давления солнечного ветра. В результате было получено,что

при Вг ММП < 0 увеличивается кривизна как токовых линий, так и изолиний \Л/=сопб1. Но, при этом, происходит также увеличение угла между \Л/-изолиниями и токовыми линиями, что должно приводить к росту продольных токов зоны 1 и электрического поля утро-вечер.

При Вг ММП > 0 происходит уменьшение угла между \Л/-изолиниями и токовыми линиями, и, соответственно, уменьшение продольных токов зоны 1 и электрического поля утро-вечер.

В четвертой главе было показано, что основные черты суббури -возрастание продольных токоз зоны 1 и электрического поля утро-вечер во время предварительной фазы и формирование суббуровой токовой петли и авроральной выпуклости во время взрывной фазы - могут быть объяснены качественно без привлечения концепции проникновения электрического поля утро-вечер в магнитосферу, на основе действия механизма азимутальных градиентов давления плазмы.

Было проведено моделирование магнитного поля во время предварительной фазы суббури, посредством модификации модели магнитного поля Цыганенко Т87УУ и построение изолиний объемов магнитных силовых трубок в экваториальной плоскости на основе полученной модели. Вытягивание в хвост изолиний объемов обуславливает возрастание перепада плазменного давления день-ночь вдоль фиксированной изолинии \Л/=соп51. Величина продольных токов зоны 1 увеличивается, и это вызывает рост электрического поля утро-вечер.

Картины изолиний объемов магнитных силовых трубок в экваториальной плоскости с учетом диполизации силовых линий во время взрывной фазы суббури показывают, что в области диполизации изолинии \Л/=сопз1 выгибаются к Земле, и формируется яма давления. Формирование ямы давления обеспечивает существование градиента давления плазмы вдоль изолинии \/У=соп51 с минимумом вблизи полуночи. Азимутальные градиенты давления плазмы на восточном и западном краях области диполизации обуславливают продольные токи знака зоны 1, текущие в ионосферу на востоке и из ионосферы на западе. Их замыкание в ионосфере завершает формирование Биркелэндовской петли. Формы проекций изолиний \Л/=сопз1 на ионосферные высоты таковы, что с ними может быть связано формирование авроральной выпуклости.

В заключении сформулированы основные результаты диссертации.

1. Построена новая система координат для описания высокоширотных процессов в магнитосфере Земли, изоповерхностями которой являются изоповерхности объема магнитных силовых трубок и угловой координаты, сходной с МП.

2. Показано, что генерация магнитостатически равновесных продольных токов зоны 1 возможна за счет существования азимутальных градиентов давления плазмы во внутренних областях магнитосферы Земли. Показано, что наряду с существующими механизмами действия МГД генератора в погранслоях и квазивязкого взаимодействия на границе магнитосферы, механизм азимутальных градиентов давления плазмы обеспечивает поддержание крупномасштабного электрического поля утро-вечер при замыкании продольных токов зоны 1 в ионосферной динамо-области.

3. Показано, что существование азимутальных градиентов давления плазмы непосредственно связано с геометрией магнитосферного магнитного поля в области перехода от дипольных силовых линий к вытянутым в хвост.

4. Показано, что в рамках механизма азимутальных градиентов давления плазмы может найти качественное объяснение эффект влияния ММП на величины продольных токов зоны 1 и электрического поля утро-вечер.

5. На основе действия механизма азимутальных градиентов давления плазмы проведено качественное объяснение некоторых черт суббури: возрастание продольных токов зоны 1 и электрического поля утро-вечер во время предварительной фазы и формирование суббуревой токовой петли и аврорапьной выпуклости во время взрывной фазы.

В приложении дано краткое описание численных моделей геомагнитного поля Земли Цыганенко (TU82, Т87, T87W, Т89 и Т95) и моделирования вклада продольных токов зон 1 и 2.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Antonova Е.Е., Ganushkina N.Yu. Azimuthai hot plasma pressure gradients and dawn-dusk electric field formation. Препринт НИИЯФ МГУ N 964/411.

2. Антонова E.E., Ганюшкика Н.Ю., Гусев A.A., Пугачева Г.И. Формы изолиний равного объема магнитных силовых трубок и проблема выбора системы координат для описания процессов в высоких широтах. Геомагнетизм и аэрономия, ТЗЗ, N3, сс. 59-64, 1993.

3. Антонова Е.Е., Ганюшкина Н.Ю. О выборе системы координат для описания магнитостатически равновесных областей магнитосферы. Геомагнетизм и аэрономия, Т34, N4, сс. 58-66, 1994.

4. Антонова Е.Е., Ганюшкина Н.Ю. Восстановление крупномасштабных азимутальных градиентов давления в магнитосфере по данным о продольных токах. Геомагнетизм и аэрономия, Т35, N5, сс. 9-16, 1995.

5. Антонова Е.Е., Ганюшкина Н.Ю. Геометрия магнитного поля магнитосферы Земли и генерация продольных токов. Геомагнетизм и аэрономия, Т35, N5, сс. 16-23, 1995.

6. Антонова Е.Е., Ганюшкина Н.Ю. Влияние межпланетного магнитного поля на генерацию крупномасштабных продольных токов. Геомагнетизм и аэрономия, Т35, N6, сс. 32-39, 1995.

7. Antonova Е.Е., Ganushkina N.Yu. The magnetostatic equilibrium in high latitude magnetosphere and the selection of coordinate system for the description of high latitude processes. Adv. Space Res., V18, No 8, pp. 115-118, 1996.

8. Antonova E.E., Ganushkina N.Yu. On the formation of electric fields and currents in the three-dimensional magnetosphere. Adv. Space Res., V18, No 8, pp. 123-126, 1996.

9. Antonova E.E., Ganushkina N.Yu. On the selection of coordinate system for the high latitude radiation. Radiation measurements, V26, N3, pp. 347-350, 1996.

10. Antonova E.E., Ganushkina N.Yu. Dawn-dusk electric field formation and substorm current dynamics during growth phase. Proceedings of Third International Conference on Substorms (ICS-3), Versailles, France, 12-17 May, 1996, ESA Publication division, ESTEC, Noordwijk, Netherlands, pp. 43-48, 1996.