Характеристики распределения частиц в области каспа, внешней области кольцевого тока и ближнем плазменном слое магнитосферы Земли тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.03 ВАК РФ

ИНСТИТУТ КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

□03053152

КИРПИЧЕВ ИГОРЬ ПЕТРОВИЧ

ХАРАКТЕРИСТИКИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТИЦ В ОБЛАСТИ КАСПА, ВНЕШНЕЙ ОБЛАСТИ КОЛЬЦЕВОГО ТОКА И БЛИЖНЕМ ПЛАЗМЕННОМ СЛОЕ МАГНИТОСФЕРЫ ЗЕМЛИ

Специальность 01.03.03. - Физика Солнца

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2007

003053152

Работа выполнена в отделе физики плазмы

Института космических исследований Российской Академии Наук

Научные руководители:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

д.ф.-м.н., профессор - Писаренко Новомир Федорович (ИКИ РАН)

д.ф.-м.н. - Антонова Елизавета Евгеньевна (НИИЯФ МГУ)

д.ф.-м.н., профессор - Кузнецов Сергей Николаевич (НИИЯФ МГУ)

д.ф.-м.н., профессор - Клейменова Наталья Георгиевна (ИФЗ РАН)

Институт Прикладной Геофизики

Защита диссертации состоится 22 февраля 2007г. в 12 ч. 30 мин. на открытом заседании диссертационного совета Д 002.113.03 ИКИ РАН по адресу: 117997, ул. Профсоюзная 84/32, ИКИ РАН, подъезд 2, (конференц-зал)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИКИ РАН

Автореферат разослан 18 января 2007г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 002.113.03, кандидат физико-математических наук

Т.М. Буринская

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Актуальность и практическая значимость работы связана с необходимостью выявления характерных закономерностей формирования распределения частиц, токов и плазмы в магнитосфере Земли, создания количественных моделей магнитосферных процессов и взаимодействия магнитосферы с солнечным ветром, решению задач в рамках решения проблемы предсказания «Космической погоды».

Цели и задачи исследования

Цель исследования состояла в выяснении основных закономерностей процессов формирования потоков частиц и плазмы во внешнем каспе и в области перехода от дипольных к вытянутым в хвост магнитным силовым линиям. Связь этих областей обусловлена существованием замкнутых внутри магнитосферы дрейфовых траекторий частиц, соединяющих эти две области.

Реализация целей исследования требовала решения следующих задач:

• проведения интеркалибровки приборов, измерявших потоки частиц с различными энергиями и питч-углами в перекрывающихся энергетических диапазонах в эксперименте Интербол/Хвостовой зонд;

• проведения численного моделирования траекторий частиц в магнитосфере Земли;

• проведение анализа формы функции распределения частиц в области внешнего каспа;

• определение угловой анизотропии потоков частиц в области внешнего каспа;

• проведение проверки теоретического предположения о существовании квазизахваченных ионов с энергиями 10-25 кэВ в области внешнего каспа;

• исследование динамики потоков частиц с энергией 1-3 МэВ;

• сравнение предсказаний теорий появления энергичных частиц в области внешнего каспа с результатами экспериментальных наблюдений;

• получение энергетических спектров частиц в диапазоне энергий 1 кэВ - 3 МэВ в области перехода от дипольных к вытянутым в хвост магнитным силовым линиям;

• изучение динамики спектров частиц в области перехода от дипольных к вытянутым в хвост магнитным силовым линиям;

• проведение аппроксимаций наблюдаемых спектров каппа-распределением;

• изучение динамики параметров каппа-распределения;

• определение профилей давления вдоль траекторий полета спутника;

• проведение анализа радиального хода давления;

• проведение сравнения результатов наблюдений профилей давления с существующими моделями;

» исследование области перехода от плазменного слоя к кольцевому току;

• определение величины поперечных токов в плазме, поддерживаемых в приближении магнитостатического равновесия наблюдаемыми профилями давления.

Научная и практическая ценность работы

Научная ценность работы связана с получением новых экспериментальных результатов, имеющих существенное значение для описания процессов в высокоширотной магнитосфере.

Практическая ценность работы связана с возможностью использования полученных результатов при решении прикладных задач, возникающих при освоении околоземного космического пространства. Полученные результаты могут быть использованы при решении проблемы проникновения частиц внутрь магнитосферы и динамики суббуревых и буревых процессов внутри магнитосферы, определяющих «космическую погоду».

Научная новизна полученных результатов

В работе представлены новые результаты, полученные в процессе обработки и анализа данных, на спутнике ИНТЕРБОЛ/Хвостовой зонд в двух не достаточно изученных на сегодняшний момент областях магнитосферы - во внешнем каспе и области перехода от дипольных магнитных силовых линий к вытянутым в хвост в период 1995-1999 гг.

1. Впервые получены дифференциальные спектры ионов 'в высокоширотной магнитосфере (внешний касп) и области перехода от дипольных к вытянутым в хвост магнитным силовым линиям в диапазоне от 1 кэВ до 3 МэВ с энергетическим разрешением в диапазоне 25-800 кэВ превышающем результаты предшествующих наблюдений.

2. На основе оригинальной методики по систематизации случаев с ярко выраженной анизотропией функции распределения ионов с энергией 10-25 кэВ в области внешнего каспа впервые

з

представлено экспериментальное подтверждение наличия квазизахвата частиц в данном районе.

3. Впервые зарегистрированы интенсивные потоки (~103 см"2с"1) высокоэнергичных (с энергией ~1 МэВ) ионов в области внешнего каспа.

4. Впервые непрерывно прослежены вариации дифференциальных спектров ионов и давления плазмы в области перехода от дипольных к вытянутым в хвост магнитным силовым линиям в ночные часы на геоцентрических расстояниях от 6 до 12 ИЕ (ранее существовал пробел данных в этой области).

5. Впервые выделены случаи, когда на профиле давления наблюдается плато: форма спектров частиц, с уменьшением геоцентрического расстояния, практически не изменяется (в области от = 11 Яе до = 6 Яв) при незначительных вариациях энергий в максимумах спектров.

6. Впервые предложено возможное объяснение существования «зазора» между областями продольных токов зоны 1 и зоны 2 Ииджимы и Потемры, основанное на предположении гидростатического равновесия и существования областей плато на профиле давления.

Достоверность полученных результатов

Достоверность полученных в работе результатов обусловлена использованием и сопоставлением данных разных приборов при наблюдениях на спутнике Интербол/Хвостовой зонд, хорошим согласием измеряемых величин с опубликованными ранее данными при лучшем энергетическом разрешении.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Исследована структура функции распределения ионов с энергией 1025 кэВ в области внешнего северного полярного каспа. Обнаружены случаи с ярко выраженной анизотропией, что может свидетельствовать о наличии квазизахвата частиц в данном районе.

2. Впервые зарегистрированы интенсивные потоки (-103 см"2с'1) высокоэнергичных (с энергией ~1 МэВ) ионов в области внешнего каспа. Показано, что в рассматриваемых событиях основным источником этих ионов вероятнее всего является ударная волна.

3. Разработана методика интеркалибровки приборов, измерявших потоки частиц на спутнике ИНТЕРБОЛ/Хвостовой зонд. Получены дифференциальные спектры ионов в диапазоне энергий от 0.1 кэВ до 3 МэВ по данным одновременных измерений приборов КОРАЛЛ, ДОК-2 и СКА-2 с энергетическим разрешением превышающем результаты предшествующих исследований.

4. Исследованы вариации спектров частиц и давления плазмы в области перехода от дипольных к вытянутым в хвост магнитным силовым линиям на геоцентрических расстояниях от 6 до 12 ЯЕ. Определены радиальные градиенты давления. Показано, что в магнитоспокойных условиях плазменный слой непрерывно переходит в кольцевой ток. Выделены случаи, когда на профиле давления наблюдается плато.

5. Рассчитана плотность магнитостатически равновесных поперечных токов в области перехода от дипольных к вытянутым в хвост магнитным силовым линиям. Показано, что в области плато давления плотности поперечных и соответственно продольных токов малы, что может объяснить существования «зазора» между областями продольных токов зоны 1 и зоны 2 Ииджимы и Потемры.

Личный вклад соискателя

Соискателем проделана большая работа по выделению, обработке и анализу экспериментального материала, лично разработаны программы обработки данных, проведено сравнение полученных результатов с теоретическими и эмпирическими моделями. Автор работы внес определяющий вклад в получение приводимых результатов.

Апробация работы

Результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях: на XXVI, XXVII, XXVIII Генеральных ассамблеях Европейского геофизического сообщества (Ницца, Франция, 2000; Ницца, Франция, 2001; Ницца, Франция, 2002), на EGS-AGU-EUG совместной ассамблее (Ницца, Франция, 2003), на Генеральных ассамблеях Европейского геонаучного союза (EGU) (Ницца, Франция, 2004, 2005), на международных симпозиумах по проекту ИНТЕРБОЛ (Звенигород, Россия, 1999; Киев, Украина, 2000), на международном симпозиуме в память Ю.И. Гальперина (Москва, Россия, 2003), на конференциях COSPAR (Варшава, Польша 2000, 2004), на COSPAR-ESA коллоквиуме (Konstancin-Jeziorna, Poland, 2001), на V международной конференции по суббурям (Санкт-Петербург, Россия, 2000), на конференции NATO (о. Крит, Греция, 2000), на First S-Ramp Conférence (Саппоро, Япония, 2000), на симпозиуме D3.5 Multiscale structure of the dynamic processes in the critical magnetospheric régions (Boston University, USA, 2000), a также на семинарах ИКИ РАН.

в

Публикации

Результаты диссертационной работы опубликованы в 10 научных работах.

Структура и объем диссертации

Диссертация изложена на 119 страницах машинописного текста; состоит из введения, трех глав, заключения и списка использованной литературы. Текст содержит 41 рисунок и 3 таблицы. Список цитируемой литературы включает 162 наименования.

Содержание работы

Во введении сформулирована тема диссертации, обоснована важность поставленной задачи и ее актуальность, определены цели работы и методы исследований, описана структура диссертации.

В первой главе представлены особенности орбит спутника ИНТЕРБОЛ/Хвостовой зонд, позволяющие изучать локальные характеристики плазмы в выделенных поставленной задачей областях магнитосферы,

Описаны принципы работы и основные характеристики приборов, используемых в данной работе: плазменного ионного спектрометра КОРАЛЛ, работающего в энергетическом диапазоне 0.05 - 25 кэВ/на заряд, спектрометра заряженных частиц ДОК-2 (22 - 850 кэВ с разрешением 7 - 9 кэВ) и спектрометра энергичных частиц СКА-2 (0.07 -150 МэВ).

Рассматриваются особенности работы приборов, а также трудности, возникающие в процессе анализа данных. Предложена методика интеркалибровки приборов в перекрывающихся диапазонах энергий.

Показано, что в ходе измерений в ряде областей магнитосферы удается получить спектры ионов (в предположении, что основная часть измеряемых ионов является протонами) с точностью, превышающей проводившиеся ранее измерения.

Описана, разработанная автором программа, позволяющая моделировать движение заряженных частиц без использования предположения о сохранении адиабатических инвариантов (в изучаемых областях магнитосферы, как правило, нарушаются адиабатические инварианты движения частиц)

Приведены характерные примеры численно полученных траекторий заряженных частиц в области внешнего каспа и хвоста магнитосферы. Отмечен сложный характер поведения индивидуальной частицы.

Вторая глава посвящена исследованию свойств ионов с энергиями 10-25 кэВ в области, лежащей к полюсу от северного каспа в непосредственной близости от магнитопаузы в областях предсказанного моделями минимума поля. На основе рассмотрения характерных случаев по данным спутника ИНТЕРБОЛ/Хвостовой зонд, а также статистического анализа показано, что область минимума магнитного поля во внешнем каспе может являться областью квазистационарного захвата частиц магнитосферы с энергиями 10-25 кэВ. Пррведен анализ возможных источников данных частиц.

Приведены результаты измерений потоков частиц с энергией 1-3 МэВ. В ряде событий были зарегистрированы большие потоки ~103 см' 2с"1 высокоэнергичных ионов в области каспа. Потоки с данными характеристиками были почти одновременно обнаружены на спутнике POLAR. Рассмотрено несколько альтернативных вариантов объяснений природы происхождения данных частиц.

В третьей главе приведены результаты исследований функций распределения ионов в области перехода, от дипольных к вытянутым в хвост магнитным силовым линиям в ночные и вечерние часы; получены радиальные профили давления; проведены оценки плотности текущих в плазме поперечных токов. На примере рассматриваемых событий исследованы изменения параметров, характеризующих функции распределения. Показано, что при переходе от области плазменного слоя к области кольцевого тока не происходит ярко выраженных изменений формы функции распределения ионов, а также профилей давления и плотности поперечных токов, что затрудняет выделение экваториальной границы плазменного слоя на базе данных ионных измерений.

Проводится сравнение полученных профилей давления с эмпирической моделью Цыганенко - Мукаи 2003 в области справедливости данной модели (более 10 радиусов Земли). Показано, что при неплохом совпадении предсказаний модели и результатов наблюдений на спутнике ИНТЕРБОЛ/Хвостовой зонд наблюдаются некоторые отличия.

Выделены случаи, когда на профиле давления наблюдается плато (т.е. в отличие от предсказания ранних моделей, наблюдается гораздо меньшее нарастание, почти плато, в распределении давления). Рассмотрен ряд эффектов, которые могут приводить к данному распределению давления. Показано, что возникновение областей плато давления может объяснить существование зазора между листами продольного тока в статистической картине Ииджимы и Потемры, 1976.

В заключении подведены итоги и сформулированы выводы работы.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. И.Кирпичев, А. Федоров, А. Григорьев, Е. Будник, Э. Дубинин Квазизахват заряженных частиц в районе локального минимума магнитного поля во внешнем каспе, Космич. Иссл., 1999. т 37, No 6, с. 638-643.

2. N.F. Pissarenko, I.P. Kirpichev, V.N. Lutsenko, S.P. Savin, E.Yu. Budnik, A.R. Moszhukina, E.I. Morozova, A.E. Antonova and I. Sandahl. Cusp energetic particles observed by INTERBALL - Tail probe in 1996, Phys. Chem. Earth, 2001, v. 26, n 1-3, p. 241-245.

3. Savin, S., J. Blecki, N. Pissarenko, V. Lutsenko, I. Kirpichev, et a!., Accelerated particles from turbulent boundary layer, Adv. Space Res., 2002. V. 30, No. 7, 1723-1730.

4. N.F. Pisarenko, E.Yu. Budnik, Yu.l. Yermolaev, I.P. Kirpichev, V.N. Lutsenko, E.I. Morozova, and E.E. Antonova. The ion differential spectra in outer boundary of the ring current: November 17, 1995 Case study, JASTP, V 64, Issue 5-6, March - April 2002, p 573-583.

5. Н.Ф. Писаренко, И.П. Кирпичев, В.Н. Луценко, Е.Ю. Будник, Е.И. Морозова, Е.Е. Антонова. Структура спектров ионов во внешних областях кольцевого тока: Событие 13 ноября 1995 г. Космич. Иссл., 2002, 40, N 1, с. 17-27.

6. N.F. Pisarenko, E.Yu. Budnik, Yu.l. Yermolaev, I.P. Kirpichev, V.N. Lutsenko, E.I. Morozova, and E.E. Antonova. The main features of the ion spectra variations in the transition region from dipole to tailward streched field lines, Adv. Space Res., V 31, N5, 2003, p 1347 - 1352.

7. E.E.Antonova, E.Yu.Budnik, I.P.Kirpichev, V.N.Lutsenko, N.F.Pissarenko. Magnetispheric plasma pressure and space weather, Adv. Space Res., V 31, N4, 2003, p 1093-1098.

8. И.Г1. Кирпичев, Распределение давления плазмы в геомагнитном хвосте в области перехода от дипольных к квазидипольным и

вытянутым магнитным силовым линиям: событие 13 ноября 1995 г., Космич. иссл., 2004. т 42, N 4, с 352-362.

9. I.P.Kirpichev, E.E.Antonova, N.L. Borodkova, E.Yu.Budnik, V.N.Lutsenko, N.F.Pisarenko, E.I.Morozova, Yu. I. Yermolaev, The features of the ion plasma pressure distributions in the near Earth plasma sheet, Planetary and Space Science, V 53, 2005, p 209 - 215.

10. Antonova, E.E., I.P. Kirpichev, M.V. Stepanova, Field-aligned current mapping and the problem of the generation of magnetospheric convection, Adv. Space Res., 2006. v38. p. 1637-1641.

055(02)2 Ротапринт ИКИ РАН _Москва, 117997, Профсоюзная, 84/32

Подписано к печати 25.12.2006

Заказ 2072 Формат 70x108/32 Тираж 100 0,5у.ч.-изд.л.

Введение

Содержание работы

Актуальность и практическая значимость работы

Новизна работы

Глава 1. Краткое описание и интеркалибровка приборов

1.1 Особенности работы приборов КОРАЛЛ, ДОК-2 и СКА-2 на 19 спутнике ИНТЕРБОЛ/Хвостовой зонд

1.2 Восстановление полпых ионных дифференциальных спектров 22 ионов

1.3 Интеркалибровка детекторов КОРАЛЛа

1.4 Интеркалибровка приборов КОРАЛЛ и ДОК

1.5 Моделирование движения заряженных частиц

Глава 2. Структура потоков частиц в полярном каспе

2.1 Структура магнитного поля и траектории частиц в области 30 полярного каспа

2.2 Характеристики потоков низкоэнергичных ионов во внешнем 35 каспе

2.3 Частицы высоких энергий в области каспа

Глава 3. Характерные особенности дифференциальных спектров 54 протонов и давления плазмы в области перехода от дипольных к вытянутым в хвост магнитным силовым линиям (ОПДВ)

3.1 Переходная область от дипольных к вытянутым в хвост 54 магнитным силовым линиям

3.2 Динамика спектров в области ОПДВ

3.2.1 Событие 13 ноября 1995 года

3.2.2 Событие 17 ноября 1995 года

3.2.3 Ионные дифференциальные спектры в области ОПДВ

3.2.4 Измеряемые спектры частиц и каппа-распределение

3.3 Расчет радиальных профилей давления и оценка величины 82 плотности поперечных токов

3.3.1 События 13 октября 1995 г и 13 марта 1996 г

3.3.2 Расчет давления и сравнение с моделью Цыганенко и

Мукаи

3.3.3 Оценка величины плотности поперечных токов в 94 предположении магнитостатического равновесия

Магнитосфера Земли- образуется при взаимодействии потока сверхзвукового и сверхальвеновского солнечного ветра с магнитным полем Земли. В результате образуется полость, заполненная частицами солнечного ветра и ионосферы Земли. В процессе обтекания при больших числах Маха и Маха-Альвена на геоцентрических расстояниях ~10 - 15 Re (где Re - радиус Земли) от центра Земли в направлении на Солнце образуется головная ударная волна. За ударной волной солнечный ветер термализуется, его частицы снижают скорости до дозвуковых и огибают магнитосферу, образуя плазму магпитослоя. В магнитослое наблюдаются большие флуктуации магнитного поля и потока плазмы. Внутри магнитосферы магнитное поле имеет, в основном, регулярный характер. Граница, разделяющая магнитослой и магнитосферу, получила название магнитопаузы.

Топологические особенности магнитных силовых линий и траектории движения энергичных частиц позволяют выделить четыре основных характерных области магнитосферы: "сердцевина", область квазизахвата, "хвост"и касп.

В "сердцевине" магнитосферы магнитное поле определяется главным образом собственным магнитным полем Земли и хорошо аппроксимируется дипольной зависимостью до ~5 - 6 Re от центра Земли. В "сердцевине" магнитосферы энергичные частицы движутся по замкнутым траекториям вокруг Земли, формируя радиационные пояса и кольцевой ток. Холодная плазма ионосферного происхождения в "сердцевине" магнитосферы формирует плазмосферу, ограниченную плазмопаузой.

В области квазизахвата на геоцентрических расстояниях от ~6 Re до ~10 Re силовые линии магнитного поля сжаты в дневные часы и вытянуты в антисолнечном направлении в ночные часы. Энергичные частицы с большими питч-углами в данной области в процессе магнитного дрейфа могут пересекать магнитопаузу и выходить в магнитослой. Частицы с малыми питч-углами продолжают быть захваченными магнитным полем магнитосферы. В отличие от частиц радиационных поясов у таких частиц не сохраняется второй адиабатический инвариант и происходит расщепление дрейфовых оболочек (см. Главу 2 данной работы). В области квазизахвата происходит ускорение и инжекция частиц во внутренние области магнитосферы во время магнитосферных суббурь. Часть инжектированных частиц обходит вокруг центра геомагнитной ловушки, формирую дрейфовое эхо. По наблюдениям на спутнике Geotail дрейфовое эхо может наблюдаться до геоцентрических расстояний -12 Re в антисолнечном направлении. Потоки частиц малых энергий в области квазизахвата контролируются крупномасштабными электрическими полями конвекции и полями меньших масштабов.

В "хвосте" магнитосферы силовые линии магнитного поля сильно вытянуты в антисолнечном направлении, особенно на геоцентрических расстояниях > 15 Re от центра Земли. В центре хвоста локализован плазменный слой, имеющий при южной ориентации межпланетного магнитного поля форму пластины, в центре которой локализован токовый слой.

Касп - область, в которой плазма магнитослоя проникает до Земли. Магнитные силовые линии в области каспа имеют вид воронки с расходящимися силовыми линиями глобального магнитного поля. Касп расположен на высоких геомагнитных широтах 70° - 80° (в магнитосфере присутствуют два каспа - северный и южный).

Рис. 1. Схема, иллюстрирующая структуру магнитосферных доменов

Следует отметить, что касп (воронка магнитного поля) присутствует и в дипольном поле (если не учитывать его точное расположение), в то время как "хвост" является сложным образованием с самосогласованным взаимовлиянием магнитного поля и плазмы. В плазменном слое хвоста магнитосферы высок уровень флуктуаций скорости плазмы и магнитного поля. Поэтому в последнее время хвост начал рассматриваться в качестве турбулентного следа за обтекаемым препятствием. Рис. 1 схематически иллюстрирует положение структур в магнитосфере Земли.

Несмотря на более чем 40-летнию историю исследования магнитосферных доменов многие вопросы остаются пока без ответа, что связано как с трудностями экспериментального изучения магнитосферных структур, так и с серьезными проблемами, возникающими при теоретическом описании магнитосферных процессов.

Основными подходами, используемыми до настоящего времени при описании магнитосферных процессов, являются магнитогидродинамический (МГД), одночастичный и диффузионный подходы.

МГД подход оказался чрезвычайно эффективным при решении начальной задачи о формировании магнитосферы при обтекании магнитного поля Земли солнечным ветром (см. Spreiter et al. [1966], Спрайтер и Алксне [1972]). В конце 80-х начале 90-х годов был создан ряд численных МГД кодов (см., например, Walker and Ogino [1989], Watanabe and Sato [1990], Ogino et al. [1994], Lyon et al. [1998] и др.), позволяющих описывать процессы сгребания плазмы и формирования магнитосфериых доменов, а также влияние межпланетного магнитного поля (ММП) па течение магнитосферной плазмы. Однако, Lui et al. [1994] отмечали, что существующие модели недостаточно стабилизированы, что не дает возможности получать трехмерное равновесное решение. Возможность использования результатов МГД моделирования ограничена большими значениями числа Рейнольдса. В случае магнитосферы Земли числа Рейнольдса относительно кулоновских столкновений (см., например, Borovsky and Funsten [2003а,b]) превышают Ю10. Все разработанные МГД модели либо постулируют наличие конечной проводимости, т.е. конечной частоты столкновений в бесстолкновительной магнитосферной плазме, либо при уменьшении вводимой частоты столкновений возникает эффект численной проводимости (за счет использования конечной сетки). Использование конечной проводимости приводит к демпфированию мелкомасштабных флуктуаций и подавлению развивающихся процессов турбулизации. В результате, может быть потерян ряд основных эффектов, и могут появиться свойства далекие от характеристик реальной системы.

Одночастичный подход - описание динамики частиц в магнитосфере Земли, основанное на аналитическом или численном расчете траекторий отдельных частиц в модельных внешних полях. Данный подход оказывается эффективным, когда умноженные на заряд флуктуации потенциала электрического поля намного меньше энергии частиц. Так, например, в одночастичном приближении удается хорошо описывать проникновение частиц космических лучей внутрь магнитосферы и определять границу геомагнитного обрезания.

Диффузионный подход оказался эффективным при описании формирования радиационных поясов Земли под действием флуктуирующих электромагнитных полей внезапных импульсов. В последнее время диффузионный подход применяется при описании процессов формирования турбулентного плазменного слоя.

Во внутренней магнитосфере (L < 5 - 6 Re) топология магнитного поля Земли хорошо описывается дипольной зависимостью. Частицы в этой области с энергией >100 кэВ вращаются вокруг магнитной силовой линии (ларморовское вращение), колеблются вдоль силовой линии между точками отражения (в северном и южном полушарии) и дрейфуют вокруг Земли по долготе. Эти движения, в общем случае, нельзя строго отделить друг от друга. Но большие различия в их характерных временах (достигающие двух порядков и выше) позволяют осуществить математическое разделение, и приводит к таким понятиям как дрейфовое приближение и адиабатические инварианты. Такое описание соответствует упрощенному рассмотрению движения, основанному на дрейфовых скоростях ведущего центра.

Возможность описания движения частиц в дрейфовом приближении уменьшает число переменных в кинетическом уравнении. Поэтому дрейфовое кинетическое уравнение широко используется при описании плазмы в магнитосфере Земли. Дрейфовое приближение дает возможность описывать достаточно медленные процессы в плазменной системе только в тех случаях, когда кулоновскими столкновениями можно пренебречь (т.е. когда характерное время процесса т много больше характерного времени электрон-ионных столкновений те1 и столкновений с нейтралами), и характерные масштабы неоднородности электрического и магнитного полей много больше ларморовского радиуса частиц. Характерное время кулоновских столкновений в магнитосферной плазме значительно больше характерных времен внутримагнитосферных процессов. Столкновения с нейтралами также крайне редки и учитываются, в основном, только при анализе плазменных процессов в ионосфере и потерь энергии частицами радиационных поясов. Поэтому первое условие применимости дрейфового приближения выполняется с большим запасом. К сожалению, второе условие во многих случаях не выполняется.

Справедливость адиабатического приближения (описания движения частиц, при котором сохраняются адиабатические инварианты) удается обосновать для частиц радиационных поясов (см. Kuznetsov [1984]) и частиц кольцевого тока.

Эффективность использования адиабатического приближения для описания движения частиц внутренней магнитосферы была продемонстрирована (см. Тверской [1968]) при создании теории формирования радиационных поясов за счет магнитной диффузии (переноса частиц поперек дрейфовых оболочек электромагнитными полями внезапных импульсов). Дрейфовое приближение широко использовалось в большом числе работ по самосогласованному описанию динамики внутримагнитосферной плазмы и магнитосферно-ионосферных взаимодействий, начиная с работ Тверской [1969], Tverskoy [1972] в периоды нестационарной конвекции и Vasyiliunas [1972] в периоды стационарной конвекции (см. обзоры Антонова и Тверской [1996], Тверской и Антонова [1996]) и большом числе последующих работ. Однако, данное приближение неприменимо в областях, где не сохраняются адиабатические инварианты.

При увеличении L магнитное поле Земли перестает быть дипольным. Текущие на магнитопаузе и в хвосте магнитосферы токи приводят к сильному искажению поля. С дневной стороны силовые линии магнитного поля поджаты к Земле (по сравнению с дипольными магнитными силовыми линиями) токами магнитопаузы. В ночные часы - вытянуты в антисолнечном направлении как за счет токов магнитопаузы, так и в основном за счет токов хвоста. Радиус кривизны силовых линий в области токового слоя хвоста для основной массы частиц становится сравнимой с ларморовским радиусом. Движение частиц в таких условиях может являться неадиабатическим. Траектория частицы зависит от фазы ларморовского оборота (см. Sergeev et al. [1983], Biichner and Zelenyi [1989]). В результате, с одной стороны возникает стохастизация движения, приводящая к изотропии давления плазмы, а с другой могут возникать сложные структуры на функции распределения частиц.

Дополнительным эффектом, приводящим к формированию изотропных функций распределений, является взаимодействие частиц с неоднородными электрическими полями при сравнимости ларморовского радиуса частицы с масштабом неоднородности электрического поля (см. Antonova et al., 1999). В данной работе продемонстрировано появление динамического хаоса при движении частиц в электрических и магнитных полях даже сравнительно простой конфигурации. Взаимодействие с мелкомасштабными электрическими полями, флуктуации потенциала в которых сравнимы с энергией частицы, может оказать существенное влияние на динамику частиц. Характерное время хаотизации зависит от амплитуды электрического поля. Если энергия частицы намного превышает вариацию потенциала поля, умноженную на заряд, то характерное время хаотизации может значительно превышать время движения частицы через область неоднородного поля. Частицы практически не почувствуют такие флуктуации и их движение будет оставаться адиабатическим.

Все основные модели магнитного поля Земли (основанные и на статистических наборах распределения магнитного поля и даже упрощенные аналитические модели) [Mead, 1964, Антонова и Шабанский, 1968, Tsyganenko, 1987, Lui, 1991, Tsyganenko, 2002а, 20026] предсказывают существование минимумов напряженности магнитного поля в области каспа, т.е. вне экваториальной плоскости. Такая конфигурация поля может представлять собой магнитную ловушку для заряженных частиц, точно так же, как и область магнитного экватора во внутренней магнитосфере. Это приводит к значительному усложнению траекторий частиц. На дневной стороне минимумы поля смещаются из экваториальной плоскости. Здесь происходит расщепление на две ветви - высокоширотные оболочки в северном и южном полушарии. В точке расщепления (ветвления) также происходит нарушение адиабатической инвариантности. Более подробный анализ содержится в Главе 2.

Динамика заряженных частиц в околоземном пространстве сильно зависит не только от внешних полевых характеристик, но и от локальных, определяемых плазмой, населяющей данную область. Основным параметром, определяющим структуру плазменной конфигурации и её динамику, является плазменный параметр J3 =2/л0р1Вг, где р -давление плазмы, В - величина магнитного поля, /у0 - магнитная проницаемость вакуума (в работе, в основном, используется система единиц СИ). В областях, где /3«\ генерируемые в плазме токи малы, и ее движение контролируется внешним магнитным полем. В областях, где /?>>1, движение плазмы определяет генерируемое магнитное поле. В магнитосфере Земли к областям первого типа относятся внутренние области, где расположены плазмосфера и радиационные пояса, а также доли хвоста магнитосферы, ко вторым - центральный плазменный слой и его продолжение в дневную область. В области внешнего каспа, как показывают данные экспериментальных наблюдений, присутствует плазма, характеризуемая большими значениями Д

Особый интерес представляют области перехода от дипольных к вытянутым в хвост магнитным силовым линиям, где /М, текут мощные поперечные и продольные токи, и по данным ряда наблюдений (см. обсуждение и ссылки в Главе 3) локализовано начало взрывной фазы суббури. Исследование свойств данной области представляет существенный интерес.

Локальные характеристики функции распределения "несущей" популяции (моменты разных порядков) позволяют ввести дополнительные критерии по выделению характерных областей магнитосферы, а также изучать их тонкую структуру.

В некоторых случаях можно выделить районы, где наблюдается переход от одной области к другой (с одновременным присутствием и тех и других характерных особенностей) без резких границ. Это позволяет выделять и рассматривать эти районы отдельно, как переходные.

При изучении характерных свойств полного дифференциального спектра необходимо выделение распределения, обусловленного механизмом глобального формирования функции распределения в данной системе с данными граничными условиями. Будем в дальнейшем называть выделенную таким образом популяцию "несущей".

Многочисленные спутниковые измерения регистрируют некоторое отличие равновесной функции распределения от максвелловской формы (в области больших энергий). Часто функцию распределения можно аппроксимировать каппа-распределением. Каппа распределение имеет вид:

-к-1

1.1) где Ео - энергия, соответствующая ядру функции распределения, к - параметр, характеризующий степенную зависимость функции распределения при высоких энергиях, Г - гамма функция. Каппа распределение является максвелловским распределениям при малых энергиях, переходя в степенную зависимость при высоких энергиях. При к -»со каппа-распределение переходит в максвелловское распределение = ^eXP{-f}- (1-2)

Для объяснения наблюдаемой формы функции распределения предложено несколько теоретических подходов.

Hasegawa et al. [1985] развили теорию формирования каппа-распределения с учетом увеличения коэффициента диффузии в пространстве скоростей за счет вклада нетепловой компоненты радиации в поле кулоновских флуктуаций.

Collier [1993] разработал модель, рассматривающую случайные скачки в пространстве скоростей при длине пробега описываемой степенным распределением вероятности или распределением вероятности типа "полетов Леви". Рассматривалось распределение ансамбля частиц, образующееся в результате серии случайных скачков в пространстве скоростей при нулевой начальной энергии. Предполагалось, что вероятность изменения скорости частицы от v до v+dv задается степенным законом типа "полетов Леви". Collier п 1 Г(к + \) яшЁ1пкт Т{к-\!2)

1 + кЕп

1993] показал, что модель может объяснить формирование каппа-распределения с максвелловской формой при малых энергиях и степенным хвостом.

Collier [1999] проанализировал соотношение между Ео и к в соотношении (1.1). Было показано, что диффузия в пространстве скоростей, формирующая каппа-распределение приводит к линейной зависимости Ео и к. При этом константа пропорциональности не зависит от коэффициента диффузии. В соответствии с результатами Collier [1995] по мере эволюции распределения происходит кроме роста температуры нарастание к, и распределение приближается к распределению Максвелла.

Tsallis [1998] модифицировал стандартное определение энтропии и получил зависимость, хорошо описывающую временную перемежаемость хаотических систем, т.е. тип движения, когда регулярное движение в фазовом пространстве в течение длительного интервала времени сменяется случайно распределенными всплесками сильной хаотичности.

Milovanov and Zelenyi (2000) связывали природу образования каппа-распределений с макроскопическим упорядочением плазменной системы. Рассмотрение было основано на сравнении стандартного определения энтропии с определением энтропии по Тсаллису. Характерным свойством энтропии Тсаллиса является ее неаддитивность, что позволяет использовать ее для описания систем, обладающих крупномасштабными корреляциями. Существование крупномасштабных корреляций, как известно, характерно для развитой турбулентности. Milovanov and Zelenyi (2000) показали, что каноническое распределение, соответствующее определению энтропии по Тсаллису, совпадает с каппа- распределением.

Формирование каппа-распределений частиц в магнитосфере Земли может быть тесно связано с постоянно наблюдаемой турбулентностью плазмы на авроральных силовых линиях (см. обзоры Antonova and Tverskoy [1998], Antonova [2002a] и ссылки в них). При этом число эффективных столкновений электронов в единицу времени с турбулентными флуктуациями значительно превышает соответствующее число столкновений ионов. Поэтому, функции распределения электронов ближе к максвелловским, что наблюдается в хвосте магнитосферы Земли (см., например, Тактакишвили и др. [1998]).

Таким образом, в бесстолкновительных системах с дальнодействием универсальной равновесной функцией распределения (вместо распределения Максвелла) становится каппа распределение.

Для образования равновесного распределения необходимо, чтобы система находилась в "изолированном" состоянии в течение времен порядка времени релаксации. Магнитосфера Земли довольно динамичная система, и времена релаксации могут достигать порядка нескольких часов. В таких условиях неизбежна временная зависимость формы спектров, что усложняет анализ результатов наблюдений.

Общая картина усложняется еще и тем, что формирование функций • распределения частиц (например, во внутренней магнитосфере при L < 10) связано с действием различных источников частиц, локализованных в ионосфере и плазменном слое. При этом могут формироваться многопиковые функции распределения с "ионными провалами". Часто наблюдаются так называемые "носовые структуры", для объяснения формирования которых используются результаты одночастичного моделирования при заданных конфигурациях электрического и магнитного поля [Smith and Hoffman, 1974, . Sheldon and Hamilton, 1993]. Недавние эксперименты, проведенные на спутнике POLAR, продемонстрировали возможность "вытягивания" из ионосферы ионов с энергиями в десятки кэВ и существования почти моноэнергетических ионных популяций в широком диапазоне L оболочек [Sheldon et al., 1998а]. Наиболее популярный механизм "альвеновского фильтра" в регулярном поле, описываемом моделью Волланда-Стерна [Volland, 1973, Stern, 1973], дает возможность объяснить формирование "ионных провалов" для отдельных событий, хотя и не исчерпывает всех возможных причин образования многопиковых распределений. Так, например, в работе [Ganushkina et al., 2000] было показано, что наблюдаемые на спутнике POLAR "носовые структуры" в функции распределения ионов могут быть объяснены в предположении существования транспорта частиц в электрическом поле значительно (в несколько раз) превышающем поле утро-вечер и имеющем иную структуру. Некоторые результаты наблюдений ионных провалов на спутнике ИНТЕРБОЛ/Хвостовой зонд приведены в работе [Ермолаев, 1999]. Особый интерес представляют пока недостаточно исследованные случаи, когда спектры имеют гладкую форму, несмотря на действие нескольких источников плазмы и сложный характер транспорта отдельных ионных популяций. Такие спектры могут формироваться в результате действия механизмов релаксации, приводящих к исчезновению градиентов в импульсном пространстве. При этом вопрос о пространственном положении и природе районов, реализующих такие механизмы, пока остается открытым.

Таким образом, дифференциальные спектры, регистрируемые приборами, формируются в результате интегрального наложения популяций заряженных частиц, имеющих различную природу. "Пролетные" частицы будут формировать на спектре модифицированную функцию распределения внешнего источника. Видоизменения обычно связаны с прохождением "пролетных" частиц через какие-либо особенности магнитного и электрического полей (разрывы, волны). Явное выделение влияния (вклада) различных механизмов довольно сложно.

В условиях односпутниковых измерений крайне трудно дать однозначный ответ на вопрос о временной или пространственной природе характерных образований.

Одна из основных характеристик плазмы - давление. Но эта макроскопическая характеристика в основном употребляется при описании столкновительной плазмы (МГД - приближение). В околоземном космическом пространстве в подавляющем числе случаев регистрируется бесстолкновительная плазма. При кинетическом описании поведения частиц в данном случае возникают интегральные параметры, характеризующие систему в целом - моменты функции распределения. При этом уравнения, записанные для этих моментов функции распределения, совпадают с уравнениями МГД.' Второй момент, вычисляемый как тензор Ру, при изотропии давления имеет диагональную форму. В дальнейшем именно в этом смысле будет употребляться термин "давление". Зависимость поперечного тока от давления плазмы полученная в кинетическом приближении совпадает с МГД зависимостью. Отношение величины давления к давлению магнитного поля, как уже указывалось выше, является важнейшей характеристикой плазмы, определяющей основные особенности ее динамики. Давление - интегральная характеристика. Для его вычисления необходимо знание полной функции распределения частиц. Интервал энергий, вносящих основной вклад в давление, определяется той областью магнитосферы, где производится измерение плазменных характеристик. Во многих случаях определение давления является крайне сложной задачей, так как далеко не всегда в эксперименте обеспечивается измерение потоков всех частиц, вносящих основной вклад в давление с достаточно высоким пространственным, временным и угловым разрешением.

В проекте ИНТЕРБОЛ (см. Главу 2) проводились измерения потоков частиц разных энергий с хорошим временным и угловым разрешением, что позволило исследовать многие особенности распределения частиц и плазмы в высокоширотной магнитосфере. В данной работе основное внимание сконцентрировано на две наименее изученные области магнитосферы - области северного каспа, и переходную область от квазидипольных к вытянутым в хвост магнитным силовым линиям. Эти области, как будет показано ниже, тесно взаимосвязаны друг с другом.

Содержание работы

Диссертация состоит из введения, 3-х глав и заключения, содержит 119 страниц, включая 41 рисунок и 3 таблицы. Список цитируемой литературы насчитывает 162 наименования.

Заключение

Проведенный в работе анализ двух наименее исследованных областей магнитосферы - области полярного каспа и области перехода от дипольных к вытянутым в хвост магнитным силовым линиям позволил обнаружить ряд интересных закономерностей, имеющих существенное значение для понимания физики околоземного космического пространства. Область перехода от дипольных к вытянутым в хвост магнитным силовым линиям в ночные часы ранее называлась ночным каспом. Энергичные частицы с небольшими питч-углами в ходе движения в неоднородном земном магнитном поле могут попасть из области ночного каспа в область дневного каспа, что обуславливает топологическую связность анализируемых областей. В данных областях силовые линии геомагнитного поля сильно деформированы и не могут быть описаны простой дипольной моделью. Динамика частиц в широком диапазоне энергий (от десятков кэВ до нескольких МэВ) в этих областях не может быть описана в предположении сохранения адиабатических инвариантов и определяется коллективными процессами.

Основной целью исследования было выяснение основных закономерностей процессов формирования потоков частиц и плазмы в полярном каспе и в области перехода от дипольных к вытянутым в хвост магнитным силовым линиям.

В ходе исследования была проведена следующая работа и получены следующие основные результаты:

- проведена интеркалибровки приборов, измерявших потоки частиц с различными энергиями и питч-углами в перекрывающихся энергетических диапазонах в эксперименте Интербол/Хвостовой зонд, получены спектры ионов в широком диапазоне энергий 0,1 кэВ-ЗМэВ;

- для выявления закономерностей и анализа характеристик распределения частиц была разработана программа численного моделирования траекторий частиц во внешнем магнитном поле без предположения условий сохранения адиабатических инвариантов;

- была создана база данных пересечений внешнего каспа спутником Интербол/Хвостовой зонд за период 1995-1999 гг.

- при проведении анализа формы функции распределения частиц в области внешнего каспа была выявлена угловая анизотропия потоков частиц в области энергий от 10 до 25 кэВ с максимумом поперек поля;

- было показано, что основная область локализации плазмы с анизотропной функцией распределения совпадает со средним положением внешнего полярного каспа, что может служить доказательством теоретического предположения о существовании квазизахваченных ионов в области внешнего каспа;

- при изучении событий пересечения каспа были впервые обнаружены интенсивные потоки (~103 cm'V) высокоэнергичных (с энергией ~1-3 МэВ) ионов;

- было проведено сравнение предсказаний теорий появления энергичных частиц в области внешнего каспа с результатами экспериментальных наблюдений;

- проведено сравнение потоков высокоэнергичных ионов, зарегистрированных двумя противоположно-ориентированными телескопами прибора СКА-2, показавшее, что интегральные потоки от Солнца превосходят по величине потоки к Солнцу, позволяющее сделать вывод о том, что в рассмотренных событиях основным источником таких ионов во внешнем каспе является квазипараллельная ударная волна;

- анализ характеристик волновой активности показал, что во внешнем каспе присутствуют области, в которых максимальна спектральная плотность магнитной энергии на частоте ~ 0.02 Гц, что может служить указанием на присутствие турбулентности в области внешнего каспа для выбранных событий;

- проведен отбор событий пересечения области перехода от дипольных к вытянутым в хвост магнитным силовым линиям, когда были одновременно включены приборы, находящиеся на спутнике Интербол/Хвостовой зонд и измеряющие потоки частиц и величину локального магнитного поля, а также были доступны соответствующие данным пересечениям показания приборов спутника WIND (характеристики солнечного ветра);

- в выделенной области проведено изучение динамики спектров частиц, для чего использовалась аппроксимация наблюдаемых спектров каппа-распределением и распределением максвелла;

- было непрерывно прослежено изменение характерных параметров распределения ионов от области хвоста вплоть до геостационарной орбиты;

- показано, что спектры в этой области (как и в хвосте магнитосферы) с хорошей степенью точности могут быть аппроксимированы каппа-распределением с плавно изменяющимися параметрами без резких скачков и провалов;

- на основе измеренных дифференциальных спектров рассчитаны профили давления вдоль траекторий полета спутника в предположении изотропности функции распределения ионов;

- в ходе анализа радиального хода давления показано, что давление монотонно возрастает по мере приближения к Земле без каких-либо резких провалов и скачков, которые могли бы указывать на плазменные границы, отделяющие различные области магнитосферы, что рассматривалось как свидетельство единства популяции частиц и плазмы плазменного слоя и кольцевого тока.

- проведено сравнение полученных профилей давления с предсказаниями недавно созданной на основе статистического усреднения данных спутника GEOTAIL модели Цыганенко-Мукаи-2003. При сравнении с моделью одновременно и согласованно фиксировались все необходимые для модели внешние параметры;

- показано, что, несмотря на то, что модель Цыганенко-Мукаи-2003 сильно усреднена и является двумерной, т.е. лежит в плоскости плазменного слоя и не позволяет отслеживать изменения давления по направлению к долям хвоста, она сравнительно хорошо описывает результаты наблюдений с учетом того, что погрешность определения давления находится в пределах допустимой ошибки;

- в предположении магнитостатического равновесия определены плотности поперечных токов в плазме вдоль ряда траекторий полета спутника;

- показано, что теоретические модели, основанные на моделировании поведения индивидуальных частиц во внешних магнитном и электрических полях и предсказывающие скачок плотности поперечного тока в зоне так называемой внутренней кромки плазменного слоя не описывают распределение тока в данной области, т.е. экваториальная кромка хвостового тока не наблюдается;

- при исследовании области перехода от плазменного слоя к кольцевому току впервые было акцентировано внимание на случаях, когда на профиле давления наблюдается плато: форма спектров частиц, с уменьшением геоцентрического расстояния, практически не изменяется (в области от L = 11 Re до L = 6 Re) при незначительных вариациях энергий в максимумах спектров. Плотность магнитостатически равновесного поперечного тока в данных областях становится близкой к нулю, что может свидетельствовать об отсутствии как поперечных, так и продольных токов в рассматриваемых областях;

- в ходе проецирования области плато вдоль магнитных силовых линий на ионосферу было показано, что они практически попадают в зазор (в область, где плотность продольных токов близка к нулю) между двумя листами продольных токов зон 1 и 2 Ииджимы и Потемры, что позволило предложить объяснение существования зазоров, основанное на локализациях плазменных плато в области хвоста магнитосферы.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Исследована структура функции распределения ионов с энергией 10-25 кэВ в области внешнего северного полярного каспа. Обнаружены случаи с ярко выраженной анизотропией, что может свидетельствовать о наличии квазизахвата частиц в данном районе.

2. Впервые зарегистрированы интенсивные потоки (~103 cm'V1) высокоэнергичных (с энергией -1-3 МэВ) ионов в области внешнего каспа. Показано, что в рассматриваемых событиях основным источником этих ионов является околоземная ударная волна.

3. Разработана методика интеркалибровки приборов, измерявших потоки частиц на спутнике ИНТЕРБОЛ/Хвостовой зонд. Получены дифференциальные спектры ионов в диапазоне энергий от 0.1 кэВ до 3 МэВ по данным одновременных измерений приборов КОРАЛЛ, ДОК-2 и СКА-2 с энергетическим разрешением превышающем результаты предшествующих исследований.

4. Исследованы вариации спектров частиц и давления плазмы в ночные часы в области перехода от дипольных к вытянутым в хвост магнитным силовым линиям на геоцентрических расстояниях от б до 12 Re. Определены радиальные градиенты давления. Показано, что в магнитоспокойных условиях плазменный слой непрерывно переходит в кольцевой ток. Выделены случаи, когда на профиле давления наблюдается плато.

5. Рассчитана плотность магнитостатически равновесных поперечных токов в области перехода от дипольных к вытянутым в хвост магнитным силовым линиям. Показано, что в области плато давления плотности поперечных и соответственно продольных токов малы, что может объяснить существования «зазора» между областями продольных токов зоны 1 и зоны 2 Ииджимы и Потемры.

Список публикаций по теме диссертации Статьи;

1. Кирпичев И., А. Федоров, А. Григорьев, Е. Будник, Э. Дубинин. Квазизахват заряженных частиц в районе локального минимума магнитного поля во внешнем каспе. Космич. Иссл. Т. 37(6). С. 638-643.1999.

2. Pissarenko N.F., I.P. Kirpichev, V.N. Lutsenko, S.P. Savin, E.Yu. Budnik, A.R. Moszhukina, E.I. Morozova, A.E. Antonova and I. Sandahl. Cusp energetic particles observed by INTERBALL - Tail probe in 1996. Phys. Chem. Earth. V. 26. N 1-3. P. 241-245.2001.

3. Savin, S., J. Blecki, N. Pissarenko, V. Lutsenko, I. Kirpichev, et al. Accelerated particles from turbulent boundary layer. Adv. Space Res. V. 30(7). 1723-1730. 2002.

4. Pisarenko N.F., E.Yu. Budnik, Yu.I. Yermolaev, I.P. Kirpichev, V.N. Lutsenko, E.I. Morozova, and E.E. Antonova. The ion differential spectra in outer boundary of the ring current: November 17, 1995 Case study. JASTP. V 64. Issue 5-6. March - April 2002. P 573-583.

5. Писаренко Н.Ф., И.П. Кирпичев, B.H. Луценко, Е.Ю. Будник, Е.И. Морозова, Е.Е. Антонова. Структура спектров ионов во внешних областях кольцевого тока: Событие 13 ноября 1995 г. Космич. Иссл. Т. 40(1). С. 17-27. 2002.

6. Pisarenko N.F., E.Yu. Budnik, Yu.I. Yermolaev, I.P. Kirpichev, V.N. Lutsenko, E.I. Morozova, and E.E. Antonova. The main features of the ion spectra variations in the transition region from dipole to tail ward streched field lines. Adv. Space Res. V. 31(5). P. 1347- 1352. 2003.

7. Antonova E.E., E.Yu.Budnik, I.P.Kirpichev, V.N.Lutsenko, N.F.Pissarenko. Magnetispheric plasma pressure and space weather, ASR, V 31, N4,2003, p 1093 - 1098.

8. Кирпичев И.П. Распределение давления плазмы в геомагнитном хвосте в области перехода от дипольных к квазидипольным и вытянутым магнитным силовым линиям: событие 13 ноября 1995 г., Космич. иссл. Т. 42(4). С. 352-362. 2004.

9. Kirpichev I.P., E.E.Antonova, N.L. Borodkova, E.Yu.Budnik, V.N.Lutsenko, N.F.Pisarenko, E.I.Morozova, Yu. I. Yermolaev. The features of the ion plasma pressure distributions in the near Earth plasma sheet. Planetary and Space Science. V. 53. P. 209 -215.2005.

10. Antonova, E.E., I.P. Kirpichev, M.V. Stepanova. Field-aligned current mapping and the problem of the generation of magnetospheric convection. Adv. Space Res. V. 38. P. 1637-1641.2006.

Abstracts:

1. Pisarenko N.F., LP. Kirpichev, E.E. Antonova, The relationship between "islands" of high energy ions and electrons and plasma pressure distribution in the Earth's magnetotail: Case study, Geophysical Research Abstracts. Vol. 6. 02710. 2004. SRef-ID: 1607-7962/gra/EGU04-A-02710. European Geosciences Union 2004.

2. Pisarenko N.F., I.P.Kirpichev, E.Yu.Budnik, V.N.Lutsenko, E.I.Morozova E. E. Antonova. The dynamics of ion spectra in the near-Earth tail: Case study Geophysical Research Abstracts E. Contents, Information Index. V. 3. P. 262. 2001.

3. Kirpichev I.P., E. E. Antonova, N.F.Pissarenko, N.L.Borodkova, E.Yu.Budnik, V.N.Lutsenko. INTERBALL/Tail observations of the features of the ion particle spectra near the equatorial boundary of the plasma sheet: Case study Abstracts COSPAR-ESA Colloquium, Acceleration and Heating in the Magnetosphere, 6-10 February 2001. Konstancin-Jeziorna, Poland. P. 41. 2001.

4. Pisarenko N.F., I.P.Kirpichev, E.Yu.Budnik, V.N.Lutsenko, Yu.I.Ermolaev, R.I.Morozova E. E. Antonova. The investigation of the processes of ion spectra formation in the transition region from dipole to tailward streched field lines. Geophysical Research Abstracts. V. 4. P. EGS02-A-00349. 2002.

5. Pissarenko N.F., I.P.Kirpichev, E. Yu. Budnik, Yu. I. Ermolaev, V.N. Lutsenko, E.I. Morozova E. E. Antonova. The results of Interball/Tail probe observeations of ion spectra, distribution of plasma pressure and currents in the high latitude magnetosphere: Case study. Geophysical Research Abstracts. V. 5. P. 00357. 2003.

6. Pissarenko N.F., Kirpichev I.P., Budnik E.Yu, Ermolaev Yu. I., Lutsenko V.N., Morozova E.I., E. E. Antonova. The results of Interball-Tail probe observations of ion spectra, distribution of plasma pressure and currents in the high latitude magnetosphere: case study EGS-AGU-EUG Joint Assembly. Abstracts from the meeting held in Nice. France. 6-11 April 2003. abstract 357. 2003.

7. Antonova E. E., I. P. Kirpichev, M. V. Stepanova. Magnetosphere-ionosphere interactions and the formation of the magnetospheric plasma pressure profile, Substorms-7. Proceedings of the 7th International Conference on Substorms, Levi, Finland. February 2004. Helsinki. P. 73-80. 2004.

8. Antonova E. E., I. P. Kirpichev, M. V. Stepanova. Generation of large-scale harmonics of the magnetospheric turbulense as the main feature of the magnetospheric-ionospheric interactions, 7th International Conference on Substorms, Levi, Lapland, Finland, 21-27 March 2004. Program and Abstracts. P. 45. 2004.

9. Antonova E.E., C.C. Rossolenko, Yu.I. Yermolaev, I.P. Kirpichev, V.N. Lutsenko, E.Yu. Budnik, A.O. Fedorov. Characteristics of Low Latitude Boundary Layer: Theoretical treatment and the results of Interball/Tail probe observations. IAGA-2005 Abstracts, Toulouse, France, July 2005. IAGA2005-A-00099.2005.

10. Antonova E.E., I.P. Kirpichev, M.V. Stepanova. Solutions of the problem of lowfrequency magnetosphere-ionosphere coupling and the nature of dawn-dusk electric field.

I AGA-2005 Abstracts, Toulouse, France, July 2005. IAGA2005-A-00098. 2005.

В заключение выражаю глубокую признательность моим научным руководителям доктору физико-математических наук Писаренко Новомиру Федоровичу и доктору физико-математических наук Антоновой Елизавете Евгеньевне за чуткое и внимательное руководство этой работой.

Хочу искренне поблагодарить Федорова А.О. и Будник Е.Ю. за помощь, постоянно оказываемую мне в начальный период работы в ИКИ РАН и во время учебы в аспирантуре.

Я благодарен разработчикам приборов, использованных в данной работе Ермолаеву Ю.И. (КОРАЛЛ), Луценко В.Н. (ДОК-2), Морозовой Е.И. (СКА-2), Романову С.А. (МИФ-М). Без их участия и обсуждения, работа не могла бы быть выполнена.

Отдельно хочу поблагодарить Петруковича А.А., Савина С.П., Застенкера Г.Н. за обсуждение и ценные замечания по данной работе.

1. Антонова А.Е., Николаева Н.С. Потоки энергичных электронов во внешней магнитосфере Земли по наблюдениям на ИСЗ "ПРОГНОЗ-З". Геомагнетизм и аэрономия. Т. 19. С. 615-622.1979.

2. Антонова А.Е., Шабанский В.П. О структуре геомагнитного поля на больших расстояниях от Земли. Геомагнетизм и аэрономия. Т. 8. С. 801-811. 1968.

3. Антонова А.Е., Шабанский В.П. Частицы и магнитное поле во внешней полуденной магнитосфере Земли. Геомагнетизм и аэрономия. Т. 15. С. 297-302. 1975.

4. Антонова Е.Е. О неадиабатической диффузии, выравнивании концентрации и температуры в плазменном слое магнитосферы Земли. Геомагнетизм и аэрономия. Т.25(4). С. 623-627. 1985.

5. Антонова Е.Е., Тверской Б.А. О природе электрических полей во внутренней магнитосфере Земли. Геомагнетизм и аэрономия. Т. 36. С. 1-18. 1996.

6. Григорьев А.Ю., Федоров А.О, Будник Е.Ю., Николаева Н.С., Цыганенко Н. Магнитосферное магнитное поле в районе внешнего каспа. Сравнение измерений спутника ИНТЕРБОЛ-1 и модели Т-96. Космические исследования. Т.37(6). С. 631-637. 1999.

7. Ермолаев Ю.И. Наблюдения многокомпонентной функции распределения ионов на спутнике ИНТЕРБОЛ/Хвостовой зонд. Космические исследования. Т.37(6). С. 662-667.1999.

8. Ермолаев Ю.И., Ф.Ф. Петрукович, Л.М. Зеленый, Е.Е. Антонова, И.Л. Овчинников, В.А. Сергеев. Исследования структуры и динамики плазменного слоя в эксперименте КОРАЛЛ проекта ИНТЕРБОЛ. Космические исследования. Т.38(1). С. 16-22. 2000.

9. Ильин В.Д., Кузнецов С.Н. Неадиабатические эффекты движения частиц в статическом диполыюм поле и в переменных во времени полях. VII Ленинградский международный семинар. Ленинград. С. 269-278.1975.

10. Кирпичев И., А. Федоров, А. Григорьев, Е. Будник, Э. Дубинин Квазизахват заряженных частиц в районе локального минимума магнитного поля во внешнем каспе. Космические исследования. Т.37(6). С. 638-643.1999.

11. Клейменова Н. Г. ОНЧ- излучения в высоких широтах. В сб. Низкочастотные излучения в ионосфере и магнитосфере Земли. Апатиты. ПГИ КФ АН СССР. С. 77-80. 1981.

12. Клейменова Н. Г., Козырева Н. Г. КНЧ-ОНЧ шумовые излучения на широтах дневного полярного каспа. Геомагнетизм и аэрономия. Т. 31. С. 60-67. 1991.

13. Клейменова Н. Г., Козырева Н. Г., Михновски С. и др. Высокоширотные долгопериодные пульсации геомагнитного поля и атмосферного электричества по наблюдениям на Шпицбергене, Геомагнетизм и аэрономия. Т. 32. С. 41-48. 1992.

14. Ковтюх А.С., Власова Н.А., Павлов Н.Н., и др. Суббуревые вариации потоков и энергетических спектров протонов в диапазоне 0.1 133 кэВ на геостационарной орбите. Космические Исследования. Т. 37(5). С. 463469.1999.

15. Кузнецов С.Н., Рыбаков А.Ю. Нарушение адиабатичности движенияэнергичных частиц на границе захвата в магнитосфере Земли, Вестник Московского Университета, Серия 3. Физика. Астрономия. № 5. С. 47-50. 2000.

16. Кузнецов С.Н., Рыбаков А.Ю. Условия сильного высыпания энергичных частиц вблизи границы замкнутых дрейфовых оболочек в магнитосфере Земли, описываемой моделью магнитосферы «Цыганенко-89». Геомагнетизм и Аэрономия. Т.43(3). С. 315-320. 2003.

17. Кузнецов С.Н., Юшков Б.Ю. О границе неадиабатического движениязаряженных частиц в поле магнитного диполя. Физика плазмы. Т. 28(4). С. 375-383.2002

18. Луценко В.Н., Кудела К., Саррис Е.Т. Эксперимент ДОК-2 по изучению энергичных частиц на Хвостовом и Авроральном зондах по проекту ИНТЕРБОЛ. Космические Исследования. Т. 36(1). С. 98-107. 1998.

19. Писаренко Н.Ф., Морозова Е.И., Луценко В.Н., и др. Структура околоземного кольцевого тока в период солнечного минимума. Космические исследование. Т. 36(6). С. 589-599.1998.

20. Писаренко Н.Ф., Кирпичев И.П., Луценко В.Н., и др. Структура спектров ионов во внешних областях кольцевого тока: Событие 13 ноября 1995 г. Космические Исследования. Т. 40(1). С. 17-27. 2002.

21. Akasofu S.-I. The development of the auroral substorm. Planet. Space Sci. V, 12(4). P.273-282. 1964.

22. Akasofu, S.-I. Several 'controversial' issues on substorm, Space Science Reviews.

23. Antonova A.E. High-latitude particle traps and related phenomena. Radiation Measurements. V. 26. P. 409-411. 1996.

24. Antonova A.E., Gubar', Yu.I., Kropotkin, A.P. Energetic particle population in the high-latitude geomagnetosphere. Physics and Chemistry of Earth. V. 25. part C. P. 47-50. 2000.

25. Antonova E.E. Magnetostatic equilibrium and turbulent transport in Earth's magnetosphere: A review of experimental observation data and theoretical approach. International Journal of Geom. And Aeronomy. V. 3(2). P. 117-130. 2002a.

26. Antonova E.E. The results of INTERBALL/Tail observations, theinnermagnetosphere substorm onset and particle acceleration. Adv. Space Res. V. 30(7). P. 1671-1676. 20026.

27. Antonova E.E. Magnetostatic equilibrium and current systems in the Earth's magnetosphere. Adv. Space Res. V. 33. P. 752-760. 2004.

28. Antonova E.E., Tverskoy B.A. "On the nature of electric fields in the Earth's inner magnetosphere ". Geomagnetism and Aeronomy International. V. 1(1). P. 921. 1998.

29. Antonova E.E., Stepanova M.V., Teltzov M.V, Tverskoy B.A. Multiple inverted-V structures and hot plasma pressure gradient mechanism of plasma stratification. J. Geophys. Res. V. 103(A5). P. 9317-9332.1998.

30. Antonova E.E., I.L. Ovchinnikov, E.A. Vikhreva, and M.V. Stepanova. Chaotization of particle motion in regular inhomogeneous electric fields. Adv. Space Res. V. 23(10). P. 1731-1734. 1999a.

31. Antonova E.E., M.V. Stepanova, E.A. Vikhreva, I.L. Ovchinnikov, and M.V. Teltsov. Generation of unmagnetized motion of plasma sheet electrons and its possible causes. J. Geophys. Res. V. 104(A9). P. 19941-19953. 19996.

32. Antonova E.E., V.F. Bashkirov, and N.Yu. Ganyshkina. Quite time plasma pressure distribution in the Earth's magnetospheric trap calculated on the basis of the existing models of trapped radiation. Radiation measurements. V. 30. P. 523527. 1999b.

33. Antonova E.E., Budnik E.Yu., Lutsenko V.N., Pissarenko N.F. Interball/Tail observations of high latitude pressure distribution. Adv. Space Res. 2002. V. 30(10). P. 2289-2293.

34. Baumjohann W., Puscmann G., Cattell C.A. Average plasma properties in the central plasma sheet. J. Geophys. Res. V. 96. P. 6597-6606.1989.

35. Behannon K. Mapping the Earth's bow shock and magnetic tail by Explorer 33. J. Geophys. Res. V. 73(3). P. 907-930.1968.

36. Birn J., Thomsen M.F., Borovsky J.E., et al. Characteristic plasma properties during dispersionless substorm injections at geosynchronous orbit J.Geophys.Res. V102. P. 2309-2324. 1997.

37. Borovsky J.E., R.C. Elphic, H.O. Funsten, M.F. Thomsen. The Earth's plasma sheet as a laboratory for turbulence in high-P MHD. J. Plasma Phys. V. 57(1). P. 134. 1997.

38. Borovsky J.E., M.F. Thomsen, and R.C. Elphic. The driving of the plasma sheet by the solar wind. J. Geophys. Res. V. 103(A8). P. 17617-17639. 1998.

39. Borovsky J.E., and H.E. Funsten. Role of solar wind turbulence in the coupling of the solar wind to the Earth's magnetosphere. J. Geophys. Res. V. 107(A6). P. 1246. doi: 10.1029/2002JA009625. SMP 13. 25 p. 2003a.

40. Borovsky J.E., and H.E. Funsten. MHD turbulence in the Earth's plasma sheet:

41. Dynamics, dissipation and driving. J. Geophys. Res., V. 107(A7). P. 1284. doi: 10.1029/2002JA009601. SMP 9. 37 p. 2003b.

42. Cheng C. Z. Physics of substorm growth phase, onset, and dipolarization. Space

43. Christon S.P., Williams D.J., Mitchell D.G., et al. Spectral characteristics of plasma sheet ion and electron populations during disturbed geomagnetic conditions// J. Geophys. Res. V. 96(1). P. 1-22.1991.

44. Collier M.R. On generating kappa-like distribution functions using velocity space Levy flights. Geophys. Res. Lett. V. 20. P. 1531-1534.1993.

45. Collier M.R. The adiabatic transport of superthermal distributions modelled by kappa functions. Geophys.Res. Lett. V. 22. P. 2673-2676. 1995.

46. Collier M.R. Evolution of kappa distribution under velocity space diffusion: A model for the observed relationship between their spectral parameters. J. Geophys. Res. V.104(A12). P. 28,559-28,564.1999.

47. Daglis J.A., Thorne R.M., Baumjohann W., Orsini S. The terrestrial ring current: Origin, formation, and decay. Rev. of Geophys. V. 37 P. 407-438. 1999.

48. DeForest S.E. and Mcllvain C.E. Plasma clouds in the magnetosphere. J. Geophys. Res. V. 76. P. 3587-3611. 1971.

49. Delcourt D.C., Moore Т.Е., Sauvaud J.A., Chappell C.R. Nonadiabatic transport features in the outer cusp region. J. Geophys. Res. V. 97. P. 16833-16842. 1992.

50. Delcourt D.C., Sauvaud J.A., Population of the cusp and boundary layers by de-trapped energetic particles. J. Geophys. Res. V. 104. P. 14571. 1999a.

51. Delcourt D.C., Sauvaud J.A. Population of the cusp and boundary layers by energetic (hundreds of keV) equatorial particles J. Geophys. Res. V. 104. P. 2263522648. 19996.

52. DeMichelis P., Daglis I.A., and Consolini G. Average terrestrial ring current derived from AMPTE/CCE-CHEM measurements. J.Geophys.Res. V. 102(A7). P. 14103-14111.1997.

53. DeMichelis P., Daglis I.A., and Consolini G. An average image of proton plasma pressure and of current systems in the equatorial plane derived from AMPTE/CCE-CHEM measurements/. J.Geophys.Res. V. 104(A12). P. 2861528624. 1999.

54. Erickson G.M. A quasi-static magnetospheric convection model in two dimentions. J. Geophys. Res. V. 97. P. 6505.1992.

55. Ericson G.M., and R.A.Wolf, Is the steady convection possible in the Earth's magnetotail. Geophys. Res. Lett. V. 7(11). P. 897-900.1980.

56. Frank L.A. Observations of low-energy protons and electrond in the Earth'smagnetosphere with OGO 3. J. Geophys. Res. V. 72(7). P. 1905-1916. 1967. Frank L.A. Plasmas in in the Earth's polar magnetosphere. J. Geophys. Res. V. 76. P. 5202.1971a.

57. Kistler L.M., Baumjohann W., Nagai Т., Mobius E. Superposed epoch analysis of pressure and magnetic field configuration changes in the plasma sheet. J. Geophys. Res. V. 98(A6). P. 9249-9258.1993.

58. Kuznetsov, S.N. Dynamics of energetic particles in the magnetosphere of the Earth. ActaPhys. Slov. V. 34(2-3). P. 87-98.1984.

59. X., D.N. Baker, M. Temerin, D. Larson, R.P. Lin, G.D. Reeves, M. Looper, S.G. kanekal, and R.A. Mewaldt. Are energetic electrons in the solar wind the source of the outer radiation belts? Geophys. Res. Lett. V. 24(8). V. 923-926. 1997.

60. Mauk B.H., Meng C.I. Characterizations of geostationary particle signatures based on the injection boundary model. J.Geophys. Res. V. 88. P. 3055-3071. 1983.

61. Mead G.D. Deformation of the geomagnetic field by the solar wind. J. Geophys. Res. V. 69. P. 1181.1964.

62. Meng C.-I., and Liou K. Substorm timing and timescales: A new aspect. Space Science Rev. V. 113(1). P. 41-75. 2004.

63. Michalov J.D., Colbum D.S., Currie R.G., and Sonett C.P. Configuration and reconnection of the geomagnetic tail. J. Geophys. Res. V. 73(3). P. 943-955. 1968.

64. Milovanov A.V. and L.M.Zelenyi. Functional background of the Tsallis entropy: "coarse-grained" systems and "kappa" distribution functions. Nonlinear Processes in Geophysics. V. 7. P. 211-221. 2000.

65. Newell P.T., and C.-I. Meng. Mapping the dayside ionosphere to the magnetosphere according to particle precipitation characteristics. Geophys. Res. Lett. V. 19(6). P. 609-612. 1992.

66. Newell P.Т., and C.-I. Meng. Ionospheric projections of magnetospheric regions under low and high solar wind pressure conditions. J. Geophys. Res. V. 99(A1). P. 273-286.1994.

67. Ogino Т., R.J. Walker, and M. Ashour-Abdalla. A global magnetohydrodynamicsimulation of the response of the magnetosphere to a northward turning of the interplanetary magnetic field. J. Geophys. Res. V. 99(A6). P. 11027-11042. 1994.

68. Ohtani S.-I. Flowbursts in the plasma sheet and auroral substorm onset: Observational constraints on connection between midtail and near-Earth substorm processes. Space Science Reviews. V. 113(1). P. 77-96. 2004.

69. Ovchinnikov I.L., E.E. Antonova, Yu.I. Yermolaev. Plasma sheet heating duringsubstorm and the values of the plasma sheet diffusion coefficient obtained on the base INTERBALL/Tail probe observations. Adv. Space Res. V. 30(7). P. 1821-1824.2002.

70. Pilipenko V., N. Kleimenova, 0. Kozyreva et al. Long-period magnetic activityduring the May 15,1997 storm. J. Atmospheric Solar-Terr. Physics. V. 63. P. 489-501.2001.

71. Savin S.P., Zelenyi, L.M., Romanov, S.A., Klimov, S.I., Skalsky, A.A., et al.

72. Savin S., L. Zelenyi, N. Maynard, I. Sandahl, H. Kawano, С. T. Russell, S.

73. Sheldon R.B., Spence N.E., and Fennell J.F. Observation of 40 keV field-aligned ion beam. Geophys. Res. Lett. V. 25. P. 1617-1620.1998a.

74. Sheldon R.B., Spence H.E., Sullivan J.D., Fritz T.A., Chen J. The discovery of trapped energetic electrons in the outer cusp. Geophys. Res. Lett. V. 25. P. 1825-1828. 19986.

75. Slavin J.A., Smith E. J., Sibeck D. G., et al. An Isee 3 study of average and substorm conditions in the distant magnetotail. J. Geophys. Res. V. 90(A11). P. 1087510895. 1985.

76. Tsyganenko N. Global quantitative models of the geomagnetic field in the cislunar magnetosphere for different disturbance levels. Planet. Space Sci. V. 35. P. 1347. 1987.

77. Tsyganenko N.A., Stern, D.P., Modeling the global magnetic field the large-scale Birkeland current systems. J. Geophys. Res. V. 101. P. 27187-27198.1996.

78. Tsyganenko N.A. A model of the near magnetosphere with a dawn-dusk asymmetry:

79. Mathematical structure. J. Geophys. Res. V. 107(A8). 10.1029/2001 JA000219.2002a.

80. Tsyganenko N.A. A model of the near magnetosphere with a dawn-dusk asymmetry:

81. Parameterization and fitting to observations. J. Geophys, Res. V. 107(A8). 10.1029/2001JA000220. 20026.

82. Tsyganenko N.A., and Mukai T. Tail plasma sheet models derived from Geotail data.

83. J. Geophys. Res. V. 108(A3). P. 10.1029/2002JA009707, 23'1 -23'15. 2003. Tverskoy B. A. Electric fields in the magnetosphere and the origin of trappedradiation. Solar-Terrestrial Physics, edited by E. R. Dyer, Dordrecht, Holland. P. 297-317.1972.

84. Vasyliunas V. M. The interrelationship of magnetospheric processes. Earth's Magnetospheric Processes, edited by B.M. McCormac, Higham, Mass., Holland. P. 29-38. 1972.

85. Wang C.-P., L.R. Lyons, M.W. Chen, and R.A. Wolf. Modeling the quiet time inner plasma shet protons. J. Geophys. Res. V. 106(A4). P. 6161-6178. 2001.

86. Zelenyi L.M., Sauvaud J.A. Interball-1: first scientific results. Ann.Geoph. V. 15. P. 511.1997.