Исследование характеристик изотропных границ в магнитосфере Земли тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.03 ВАК РФ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Багаутдинова Гульназ Ришатовна

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ИЗОТРОПНЫХ ГРАНИЦ В МАГНИТОСФЕРЕ ЗЕМЛИ

Специальность 01.03.03. - физика Солнца

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 2005

л \

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Сергеев Виктор Андреевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Трошичев Олег Александрович

кандидат физико-математических наук, Яхнин Александр Григорьевич

Ведущая организация: Научно-исследовательский институ! ядерной

физики им. Д.В. Скобельцына Московского Государственного Университета

Защита состоится 22 июня 2005 года в 1500 часов на заседании Диссертационного Совета Д 212.232.35 по защитам диссертаций на соискание ученой степени доктора физико-математических наук при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199034, Санкт-Петербург, Университетская набережная, д. 7/9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУ. Автореферат разослан мая 2005 года.

Ученый секретарь Диссертационного Совета, кандидат физико-математических наук

А.Л. Котиков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация посвящена развитию метода дистанционного зондирования магнитосферы по наблюдениям изотропных высыпаний энергичных частиц (с энергиями десятки-сотни кэВ) на низковысотных полярных спутниках. В работе проведен анализ спутниковых данных и сравнение с расчетами областей нарушения адиабатичности в магнигосферных моделях, которые показали, что как в ночной, так и в дневной магнитосфере, основным механизмом формирования протяженных бесструктурных изотропных высыпаний энергичных частиц (как протонов, так и электронов) является неадиабатическое питч-угловое рассеяние частиц в областях слабого магнитного поля с большой кривизной силовых линий. Подтверждено, что положение границы области изотропных высыпаний контролируется магнитосферной конфигурацией и может быть использовано для дистанционного зондирования магнитосферы.

Актуальность темы.

Исследование структуры крупномасштабного магнитосферного поля имеет фундаментальное значение для солнечно-земной физики, поскольку магнитное поле контролирует движение энергичных частиц, динамику и распределение горячей плазмы, а также определяет целый комплекс явлений в ионосфере (высыпания частиц, электрические токи, уровень ионизации). Основная трудность такого исследования заключается в том, что магнитное поле испытывает достаточно сложные и быстрые динамические изменения, при этом существующие магнитосферные модели позволяют хорошо описывать лишь среднее состояние магнитосферы и не определяют особенностей конфигурации в конкретный момент времени.

Для повседневного наблюдения за процессами в магнитосфере и их систематического изучения перспективны измерения на малых высотах, т.к. в отличие от спутников с высоким апогеем, полярные спутники относительно дешевы, многочисленны, имеют короткий о газволяют

получать данные регулярно. Применение имеющихся методов, основанных на особенностях вторжения авроралыюй плазмы, дает возможность определить мшовенное положение границ магнитосферных областей по высыпающимся потокам низкоэнергичных частиц, что позволяет следить за динамическими изменениями в магнитосфере. Однако отождествление магнитосферных областей и их ионосферных проекций не всегда однозначно, поскольку распределение низкоэнергичных частиц зависит от многих факторов, включая интенсивность и пространственную структуру конвекции, ускорение продольным электрическим полем и т.д.

Наряду с высыпаниями низкоэнергичной плазмы, наблюдаются вторжения энергичных частиц (>30 кэВ), которые обычно имеют магнитосферное происхождение (кроме редких событий солнечно-космических лучей, СКЛ), в меньшей степени подвержены воздействию электрического поля, и движение которых, в основном, контролируется магнитным полем. Актуальной задачей магнитосферной физики является развитие новых методов контроля динамики магнитосферы, которые определяются именно магнитным полем, и которые позволили бы использовать данные измерений энергичных частиц на низковысотных полярных спутниках для количественного исследования динамических процессов и определения крупномасштабной магнитосферной конфигурации.

Целью настоящей работы - является исследование важных, но ранее слабо изученных вопросов, касающихся механизмов формирования изотропных высыпаний энергичных частиц в магнитосфере Земли и использования изотропных границ для развития методов дистанционного зондирования магнитосферной конфигурации

В связи с этим ставились следующие задачи: • Исследование природы дневных изотропных высыпаний энергичных протонов.

• Исследование изотропных высыпаний энергичных электронов, в т.ч. во время интенсивных солнечных электронных событий.

• Изучение взаимосвязи изотропных гранил 30 кэВ протонов и границы b2i (максимум потока энергии высыпающихся авроральных протонов), и возможности использования последней вместо изотропной границы.

• Исследование связи положения изогропных границ с магнитным полем на геостационарной орбите и в долях хвоста магнитосферы.

Научная новизна

1. Впервые проведен количественный анализ спутниковых наблюдений изотропных высыпаний энергичных протонов в дневной части аврорального овала и расчет возможных областей их рассеяния в магнитосферных моделях, показано, что формирование дневных изотропных высыпаний энергичных протонов происходит за счет неадиабатического питч-углового рассеяния в областях слабого магнитного поля вблизи каспа и в экваториальной области пограничного слоя.

2. Впервые проведено систематическое исследование положения магнитосферных границ во время интенсивных солнечных электронных событий, подтверждена взаимосвязь электронной изотропной границы и границы плато солнечных электронов и их формирование в результате неадиабатического питч-углового рассеяния солнечных электронов в экваториальном токовом слое.

3. Впервые показано, что b2i граница соответствует изотропной границе 30 кэВ протонов, и ее положение хорошо коррелирует с магнитным наклонением в ночном секторе (17-05 часов MLT) геостационарной орбиты, что позволяет использовать обширный банк спутниковых данных о границах b2i для исследования и диагностики магнитосферной конфигурации.

Основные результаты работы:

1. Исследованы возможные области питч-углового рассеяния и изотропные высыпания энергичных протонов в дневной области магнитосферы. Согласие рассчитанных и наблюдаемых размеров изотропной зоны, ее смещений с ростом активности и пространственно-энергетической дисперсии изотропной границы, позволили сделать вывод, что дневные изотропные высыпания энергичных протонов, как и в ночной магнитосфере, формируются за счет неадиабатического питч-углового рассеяния частиц в областях слабого магнитного шля с большой кривизной силовых линий.

N

2. Изучены изотропные высыпания энергичных электронов, показано, что во время интенсивных солнечных событий солнечные электроны быстро проникают в область замкнутых силовых линий плазменного слоя, по крайней мере, вплоть до электронной изотропной границы. Сделан вывод, что однородные изотропные высыпания как солнечных, так и магнитосферных энергичных электронов формируются в результате их неадиабатического питч-углового рассеяния в токовом слое хвоста магнитосферы.

3. Сравнение одновременных измерений полярных спутников ЭМБР и >ЮАА показало, что протонная граница Ь2\, определяемая по широте максимума потока энергии высыпающихся авроральных протонов, соответствует 1 изотропной границе 30 кэВ протонов и, наряду с последней, может использоваться для диагностики магнитосферной конфигурации.

4. Сравнение одновременных измерений магнитного поля в долях хвоста магнитосферы на расстоянии 15-30 Б1е и положения изотропных границ энергичных частиц на низких высотах показало их связь, однако эта связь слабее, чем на геостационарной орбите. Сделан вывод, что, положение изотропных границ контролируется магнитным полем в ночной части внутренней магнитосферы.

Практическая ценность.

Полученные результаты могут быть использованы для исследования и диагностики состояний магнитосферы Земли, при построении новых и коррекции существующих магнитосферных моделей.

Личный вклад автора.

Автор принимала участие в постановке задачи, отборе и обработке экспериментального материала, расчетах по моделям магнитного поля и анализе результатов. Все изложенные в диссертации результаты получены автором самостоятельно или на равных правах с соавторами.

Апробация работы.

Результаты исследований, представленные в работе, докладывались на международных конференциях: XVIII ежегодный семинар "Физика авроральных явлений" (Россия, Апатиты, 1995); "Polar cap boundary phenomena", (NATO-conference, Spitsbergen, 1997); 8th Scientific Assembly of IAGA (Uppsala, Sweden, 1997); AGU Chapman Conference on Physics and Modelling of the Tnner Magnetosphere (Helsinki, Finland, 2003); "Problems of Geocosmos" (Санкт-Петербург, 2004); "Solar Extreme Events of 2003: Fundamental Science and Applied Aspects" (Москва, 2004); XXVTT ежегодный семинар "Физика авроральных явлений" (Россия, Апатиты, 2005).

Публикации.

По теме диссертации опубликованы три статьи в рецензируемых научных изданиях, одна статья и тезисы в сборниках трудов научных конференций.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 83 наименований, содержит 136 страниц машинописного текста, 38 рисунков и 5 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность и перспективность темы исследования, сформулированы цель работы, основные положения, выносимые на защиту, отмечены научная новизна и практическая ценность работы, кратко изложено содержание работы.

В Первой главе представлен обзор литературы. В разделе 1.1 кратко суммированы результаты аналитических и численных расчетов условий, при которых нарушается адиабатическое приближение. Наиболее важным является условие сохранения магнитного момента, поскольку его нарушение означает гштч~угловое рассеяние и приводит к высыпаниям частиц в ионосферу. Численные расчеты питч-углового рассеяния показали, что амплитуда рассеяния зависит от отношения Л^/р (где Яс - радиус кривизны силовой линии, р - гирорадиус частицы), и при условии Ис/р < 8 питч-угол частицы за одно пересечение токового слоя достигает размера конуса потерь. Граница областей, где нарушается адиабатический характер движения частиц, зависит от конфигурации магнитного поля, а также от вида и энергии частиц.

В разделе 1.2 показано, что характерной особенностью, наблюдаемой низковысотными полярными спутниками в авроральной области, являются протяженные бесструктурные изотропные высыпания энергичных частиц и приведены известные сведения об их свойствах в ночной области магнитосферы. Изотропная граница определяется в ионосфере как экваториальная граница области с изотропным питч-угловым распределением потоков частиц в конусе потерь, которая в ночной магнитосфере может характеризовать границу раздела между адиабатическим и хаотическим движением частиц. Интерес к изучению изотропных границ энергичных частиц связан с потенциальной возможностью их использования для оценки крупномасштабной конфигурация магнитного поля. Ранее было показано, что основным механизмом формирования изотропных высыпаний энергичных протонов в ночной магнитосфере является неадиабатическое питч-угловое

рассеяние частиц в экваториальном токовом слое. На этой основе был предложен метод дистанционной диагностики магнитной конфигурации ночной магнитосферы, а также новый индекс магнитосферной активности -МТ-индекс, который характеризует степень вытянутости силовых линий в хвосте магнитосферы.

Аналогичные изотропные высыпания энергичных протонов наблюдаются и в дневной области магнитосферы, однако их свойства мало изучены и механизм формирования не был установлен; изучение данного вопроса является одной из задач данной диссертации. Трудность такого исследования заключается в сложной конфигурации магнитного поля в дневной области, поэтому в разделе 1.3 дано краткое описание топологических и морфологических характеристик областей высыпаний частиц в дневной магнитосфере. Также рассмотрены возможные механизмы формирования дневных изотропных высыпаний энергичных протонов, а именно - рассеяние частиц в слабом магнитном поле и взаимодействие частиц с плазменной турбулентностью; обсуждены ожидаемые характеристики областей изотропных высыпаний. Определение механизма рассеяния может дать полезную информацию о структуре околокаспенной области и дать способ диагностики дневной магнитосферы.

В разделе 1.4 показано, что в отличие от протонных высыпаний, изотропные высыпания электронов наблюдаются реже и их свойства достаточно слабо изучены; исследование их характеристик является одной из задач настоящей работы. Рассеяние энергичных электронов возможно в областях слабого магнитного поля (с величиной порядка единиц нТ) и в дальних областях магнитосферы, где в обычных условия потоки энергичных элекгронов достаточно малы, поэтому представляется особо интересным изучить свойства электронных изотропных высыпаний в ситуациях, когда магнитосфера заполнена солнечными электронами (события СКЛ). Характерной особенностью, наблюдаемой полярными спутниками во время солнечных электронных событий являются интенсивные, сохраняющиеся на

одном уровне (типа плато) потоки энергичных электронов по всей области полярной шапки, с резкой экваториальной границей. Представлен краткий обзор работ, который показал, что отождествление границы плато солнечных электронов с границей открьггых-замкнутых силовых линий не всегда верно, поскольку существуют экспериментальные доказательства того, что солнечные электроны могут глубоко проникать в плазменный слой, сохраняя свою интенсивность. Сделано предположение, что возможным механизмом, формирующим резкую границу плато внутри замкнутых силовых линий, может быть неадиабатическое рассеяние солнечных частиц в токовом слое хвоста.

В конце первой главы, в разделе 1.5 сформулированы основные задачи и методы их решения.

Вторая глава посвящена изучению характеристик изотропных высыпаний энергичных протонов в дневной области магнитосферы. В качестве возможного механизма формирования изотропных высыпаний исследовалось неадиабатическое питч-угловое рассеяние частиц в областях слабого магнитного поля с большой кривизной силовых линий. В разделе 2.1 проведены численные расчеты областей рассеяния по магнитосферным моделям Цыганенко (Т89, Т96). Показано, что в дневной магнитосфере существуют две потенциальные области, где выполняется условие рассеяния (Я</р < 8) для протонов с энергией <100 кэВ: в области минимального поля вблизи каспа и в экваториальной области пограничного слоя около магнитопаузы. В области вблизи каспа неадиабатическое рассеяние протонов может происходить на расстоянии 9-11 радиусов Земли и создавать изотропные высыпания протонов в ионосферу с 11 до 13 часов МЬТ. Рассеяние в экваториальной области вблизи магнитопаузы создает изотропные высыпания протонов, примыкающие к области, создаваемой рассеянием в каспе. Также показано, что широта границы областей нарушения адиабатичности зависит от энергии частиц и уровня активности.

Для изучения глобальной конфигурации изотропных высыпаний энергичных частиц создана база данных изотропных границ по наблюдениям

низковысотных полярных спутников серии ЫОАА (более 30 тысяч пересечений аврорального овала). В разделе 2.2 показано, что протяженные бесструктурные изотропные высыпания энергичных протонов постоянно регистрируются на всех часах местного времени и формируют в проекции на ионосферу зону изотропных высыпаний овальной формы. Особенностью таких высыпаний во всех секторах (включая дневные часы МЬТ) является резкая экваториальная граница, которая расположена на замкнутых силовых линиях. Размер изотропной зоны на полуденном меридиане составляет ~ 2° широты и дисперсия по энергиям в дневной части аврорального овала соответствует результатам модельных расчетов. В разделе 2.3 проведен статистический анализ экспериментальных данных и изучена зависимость формы и положения изотропных границы 30 кэВ протонов от параметров солнечного ветра и индексов активности. Показано, что наиболее сильное влияние на положение изотропной границы оказывает В^-компонента ММП и АЕ - индекс, с увеличением уровня активности линия симметрии смещается примерно на 1 час МЬТ в утренние часы и широта границы смещается к экватору (в среднем, с 76° до 73°). Также показано, что в отличие от протонных высыпаний, вероятность наблюдения изотропных границ энергичных электронов около полуночи (21-03 часа МЬТ) составляет более 50%, а вне этого сектора она очень низкая (<5%).

В Третьей главе, в разделе 3.1 изучена глобальная конфигурация областей неадиабатического питч-углового рассеяния энергичных протонов и электронов в магнитосфере Земли. Модельные расчеты предсказывают возможность изотропных высыпаний энергичных частиц на всех часах местного времени (за исключением узкого сектора 10-14 часов для энергичных электронов). Показано, что изотропные границы электронов находятся всегда на более высокой широте, чем границы протонов, но ниже по широте, чем последняя замкнутая силовая линия. Сравнение положений последней замкнутой дрейфовой оболочки и электронной изотропной границей по моделям магнитного поля позволило объяснить еще одну особенность

спутниковых наблюдений, полученную в разделе 2.3. Условия рассеяния энергичных электронов выполняются внутри внешнего радиационного пояса только в узком секторе вблизи полуночи (21- 03 МТ.Т), поэтому вне этой области (из-за отсутствия источника) вероятность наблюдения изотропных высыпаний магнитосферных электронов резко уменьшается. Поскольку модели предсказывают область неадиабатического рассеяния электронов в тех областях, где в обычных условиях потоки энергичных электронов малы, то для развития методов диагностики областей дальней магнитосферы важным является изучение редких событий СКЛ, когда солнечные частицы могут использоваться как трассеры магнитосферной конфигурации. Поэтому в разделах 3.2 и 3.3 исследованы особенности изотропных высыпаний энергичных частиц по данным низковысотных спутников во время солнечных электронных событий (сентябрь 1979 г. и октябрь 2003 г.). На основе анализа спутниковых данных во всех секторах местного времени показано, что граница плато солнечных электронов наблюдается на замкнутых силовых линиях плазменного слоя, экваториальнее границы полярной шапки и внутри области изотропных высыпаний энергичных протонов. Также получено, что на границе плато наблюдается переход от изотропного к анизотропному питч-угловому распределению. Сравнение расчетов областей рассеяния энергичных электронов с экспериментальными данными показало, что зависимость широты границы плато солнечных электронов от местного времени и широтные различия с изотропной границей протонов и границей открытых-замкнутых силовых линий соответствуют модельным расчетам, основанным на механизме неадиабатического питч-углового рассеяния энергичных электронов в экваториальном токовом слое (раздел 3.1).

В разделе 3.3 изучено солнечное электронное событие 26 октября 2003 года. После резкого увеличения потоков энергичных электронов в солнечном ветре около 18 часов ит, в полярных областях наблюдалась северо-южная асимметрия в интенсивности потоков электронов, позволившая точно идентифицировать границу открытых-замкнутых силовых линий. На основе

сравнения одновременных измерений на низких высотах несколькими спутниками NOAA показано, что уже через полчаса после начала события потоки солнечных электронов наблюдались внутри замкнутых силовых линий. Полученные результаты показывают, что во время интенсивных солнечных событий, солнечные электроны быстро проникают в область замкнутых силовых линий плазменного слоя, по крайней мере, вплоть до электронной изотропной границы. В целом, сделан вывод, что, граница плато солнечных электронов соответствует изотропной границе и что однородные изотропные высыпания как солнечных, так и магнитосферных электронов, формируются в результате неадиабатического питч-углового рассеяния энергичных электронов в токовом слое хвоста магнитосферы.

В Четвертой главе исследована возможность применения изотропных границ энергичных частиц для развития методов дистанционного зондирования магнитосферы. В целях расширения возможностей диагностики и привлечения данных других спутников, в разделе 4.1 сравнивались одновременные измерения полярных спутников DMSP и NOAA (в пределах 5 минут UT и 0.5 часа MLT, за период с марта 1986 по апрель 1987 года). Показано, что граница b2i, определяемая по широте максимального потока энергии высыпающихся аморальных протонов и измеренная на спутниках серии DMSP, соответствует изотропной границе 30 кэВ протонов, одновременно измеренной спутником NOAA, и наряду с последней, может использоваться для диагностики магнитосферной конфигурации.

Ранее была показана корреляция положения изотропной границы и магнитного поля на геостационарной орбите и был предложен новый индекс магнитосферной активности - МТ-индекс, который характеризует степень вытянутости силовых линий в хвосте магнитосферы и определяется по широте изотропной границы, приведенной к полуночи по формуле: MT=LatIB-4.3 l-[1-cos[7t/12(MLT1B-23.1)]]

Для дальнейшего использования изотропных границ, необходимо было подтвердить количественную связь МТ-индекса с магнитным полем на

геостационарной орбите на большем объеме данных и определить сектор местного времени, где такая связь наблюдается. В разделе 4.2 проведен статистический анализ связи значений МТ-индекса (для b2i границ, определенных по спутникам DMSP) с магнитным полем на геостационарных спутниках GOES (1986-1988 гг.). Полученные результаты подтвердили тесную связь МТ-индекса с величиной магнитного поля на геостационарной орбите, лучшая корреляция получена для 17-05 часов местного времени. Сделан вывод, что широта изотропной границы реально определяется значениями магнитного поля на экваторе только в ночной области магнитосферы. По экспериментальным данным наблюдается сдвиг линии симметрии магнитного поля относительно полуночного меридиана к вечеру на 1 час, который увеличивается с повышением уровня активности, аналогичная асимметрия также наблюдается и в дневной магнитосфере (раздел 2.2).

Также представляется важным установить, какую часть токового слоя хвоста магнитосферы реально можно диагностировать с помощью изотропных границ энергичных частиц. В разделе 4.3 изучена возможность оценки величины магнитного поля в долях хвоста магнитосферы с помощью МТ-индекса. Дня этой цели сравнивались измерения магнитного поля в долях хвоста на расстоянии 15-30 Re (данные спутника Geotail) с одновременными измерениями изотропных границ энергичных частиц на низковысотных спутниках NOAA (за 1996-1997 гг.). Показано, что такая связь существует (R=0.65), однако эта связь слабее, чем на геостационарной орбите (R=0.84). Сделан вывод, что положение изотропной границы контролируется магнитным полем в ночной внутренней магнитосфере, в окрестности геостационарной орбиты.

В Заключении сформулированы основные результаты работы.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1.Биккузина Г.Р., О механизме формирования околополуденных изотропных высыпаний энергичных протонов, Тезисы докладов XVII Ежегодного Апатитского семинара "Физика авроральных явлений", стр. 34,1995.

2. Sergeev V.A., G. R. Bikkuzina, Р. Т. Newell, Dayside isotropic precipitation of energetic protons, Annales Geophysicae, 15, pp 1233-1245,1997.

3. Bikkuzina G. R., V. A. Sergeev, T. Bosinger, Particle Boundaries during a solar electron event, "Polar Cap Boundary Phenomena", NATO ASI Book, edited by J.Moen et al., pp. 355-367, 1998.

4. Newell P.T., Sergeev V.A., Bikkuzina G.R., Wing S., Characterizing the state of the magnetosphere: Testing the ion precipitation maxima latitude (b2i) and the ion isotropy boundary, J. Geophys. Res., 103, p.4739-4745,1998

5. Bagautdinova G.R., Sergeev V.A., Lvova E.A., Evans D.S., Diagnostics of magnetospheric configuration based on energetic particles characteristics during October 2003 storms, Proceedings of the 5th International Conference "Problems of Geocosmos", pp 162-165, 2004.

»1122 2

РЫБ Русский фонд

2006-4 28248

I

г

Отпечатано копировально-множительным участком отдела обслуживания учебного процесса физического факультета СПбГУ. Приказ №571/1 от 14.05.03. Подписано в печать 19.05.05 с оригинал-макета заказчика. Ф-т 30x42/4, Усл. печ. л. 1. Тираж 100 экз., Заказ №237/с 198504, СПб, Ст.Петергоф, ул. Ульяновская, д. 3, тел. 428-43-00.

Введение

1 Изотропные высыпания энергичных частиц (Обзор)

1.1 Движение и питч-угловое рассеяние энергичных частиц в магнитосфере Земли

1.2 Высыпания энергичных частиц, изотропные границы

1.3 Конфигурация дневной магнитосферы и высыпания энергичных частиц в дневной области

1.4 Особенности высыпаний энергичных частиц во время CKJI

1.5 Постановка задачи

2 Исследование природы дневных изотропных границ энергичных протонов

2.1 Численные расчеты областей рассеяния энергичных протонов по магнитосферным моделям

2.2 Спутниковые данные

2.3 Статистический анализ изотропных границ энергичных протонов и определение формы изотропной границы

2.4 Результаты

3 Исследование изотропных границ во время солнечных электронных событий

3.1 Численные расчеты областей рассеяния энергичных 71 электронов.

3.2 Солнечное электронное событие в сентябре 1979 года

3.3 Солнечное электронное событие в октябре 2003 года

3.4 Результаты

4 Применение изотропных границ для диагностики магнитосферы

4.1 Сравнение b2i границ и изотропной границы 30 кэВ протонов

4.2 Сравнение b2i и магнитного поля на геостационарной орбите

4.3 Об использовании МТ-индекса для оценки магнитного поля в долях хвоста магнитосферы

Общая характеристика работы

Настоящая диссертация посвящена развитию метода дистанционного зондирования магнитосферы по наблюдениям изотропных высыпаний энергичных частиц (с энергиями десятки-сотни кэВ) на низковысотных полярных спутниках. В работе проведен анализ спутниковых наблюдений и сравнение с расчетами областей нарушения адиабатичности в магнитосферных моделях, которые показали, что как в ночной, так и в дневной магнитосфере, основным механизмом формирования протяженных бесструктурных изотропных высыпаний энергичных частиц (как протонов, так и электронов) является неадиабатическое питч-угловое рассеяние частиц в областях слабого магнитного поля с большой кривизной силовых линий. Подтверждено, что положение границы области изотропных высыпаний контролируется магнитосферной конфигурацией и может быть использовано для дистанционного зондирования магнитосферы.

Актуальность проблемы. Исследование структуры крупномасштабного магнитосферного поля имеет фундаментальное значение для солнечно-земной физики, поскольку магнитное поле контролирует движение энергичных частиц, динамику и распределение горячей плазмы, а также определяет целый комплекс явлений в ионосфере (высыпания частиц, электрические токи, уровень ионизации). Основная трудность такого исследования заключается в том, что магнитное поле испытывает достаточно сложные и быстрые динамические изменения, при этом существующие магнитосферные модели позволяют хорошо описывать лишь среднее состояние магнитосферы и не определяют особенностей конфигурации в конкретный момент времени.

Для повседневного наблюдения за процессами в магнитосфере и их систематического изучения перспективны измерения на малых высотах, т.к. в отличие от спутников с высоким апогеем, полярные спутники относительно дешевы, многочисленны, имеют короткий орбитальный период и позволяют получать данные регулярно. Применение методов, основанных на особенностях вторжения авроральной плазмы, дает возможность определить мгновенное положение границ магнитосферных областей по высыпающимся потокам низкоэнергичных частиц [Newell and Meng, 1993; Roeder and Lyons, 1992]. Однако такое отождествление не всегда однозначно, поскольку распределение низкоэнергичных частиц зависит от многих факторов, включая интенсивность и пространственную структуру конвекции, ускорения продольным электрическим полем и т.д. Поэтому, одной из актуальных задач магнитосферной физики остается развитие новых методов контроля изменений магнитосферы, которые определяются именно магнитным полем, и которые позволили бы использовать данные измерений энергичных частиц на полярных спутниках для количественного исследования динамических процессов и определения крупномасштабной магнитосферной конфигурации.

Одним из таких перспективных методов является метод изотропных границ [Sergeev et al., 1992; Sergeev and Gvozdevsky, 1995], который основан на особенностях наблюдаемого питч-углового распределения энергичных частиц. Изотропная граница, определяемая на низких высотах как экваториальная граница области с изотропным питч-угловым распределением потоков частиц в конусе потерь, в ночной магнитосфере характеризует границу раздела между адиабатическим и хаотическим движением частиц. В работах [Сергеев, Мальков, 1988; Sergeev et al., 1992] было показано, что основным механизмом, формирующим изотропные высыпания энергичных протонов на ночной стороне магнитосферы, является неадиабатическое питч-угловое рассеяние частиц при пересечении экваториального токового слоя и был предложен метод дистанционной диагностики магнитной конфигурации ночной магнитосферы. На основе этого метода был предложен новый индекс магнитосферной активности

МТ-индекс, который определяется по широте изотропной границы 80 кэВ протонов на полуночном меридиане [Sergeev and Gvozdevsky, 1995]. Было показано, что МТ-индекс хорошо коррелирует с магнитным наклонением на геостационарной орбите (6.6 радиусов Земли) и характеризует степень вытянутости силовых линий в хвосте магнитосферы. В работе [Dubyagin et al., 2002] были предложены методы для определения распределения давления и плотности тока в плазменном слое, также использующие низковысотные спутниковые наблюдения изотропных высыпаний в ночной магнитосфере.

Для развития метода изотропных границ ряд вопросов требует дополнительного исследования. К ним относится изучение свойств изотропных высыпаний энергичных протонов, которые, аналогично ночным высыпаниям, наблюдаются и в дневной магнитосфере [Hauge and Soraas, 1975; Lyons et al. 1994; Roeder and Lyons, 1992; Lundblad et al., 1979], однако их механизм формирования не был установлен. Для расширения возможностей диагностики необходимо привлекать данные других спутников, а также подтвердить количественную связь МТ-индекса с магнитным полем на геостационарной орбите.

Целью работы является исследование важных, но ранее слабо изученных вопросов, касающихся формирования изотропных высыпаний энергичных частиц в магнитосфере Земли и использования изотропных границ для развития методов дистанционного зондирования магнитосферной конфигурации

В связи с этим ставились следующие задачи: . Исследование природы дневных изотропных высыпаний энергичных протонов. Исследование изотропных высыпаний энергичных электронов, в т.ч. во время интенсивных солнечных электронных событий. Изучение взаимосвязи изотропной границы 30 кэВ протонов и границы b2i (максимум потока энергии высыпающихся авроральных протонов) -для использования последней вместо изотропной границы. Исследование связи положения изотропных границ с магнитным полем на геостационарной орбите и в долях хвоста магнитосферы.

Научная новизна

1. Впервые проведен количественный анализ спутниковых наблюдений изотропных высыпаний энергичных протонов в дневной части аврорального овала и расчет потенциальных областей их рассеяния в магнитосферных моделях, которые показали, что основным механизмом формирования дневных изотропных высыпаний энергичных протонов является неадиабатическое питч-угловое рассеяние в областях слабого магнитного поля вблизи каспа и в экваториальной области пограничного слоя.

2. Впервые проведено систематическое исследование положения магнитосферных границ во время интенсивных солнечных электронных событий, показана взаимосвязь электронной изотропной границы и границы плато солнечных электронов.

3. Впервые показано, что Ъ2\ граница соответствует изотропной границе 30 кэВ протонов, и ее положение хорошо коррелирует с магнитным наклонением в ночном секторе (17-05 часов MLT) геостационарной орбиты, что позволяет использовать обширный банк спутниковых данных о границах b2i для исследования и диагностики магнитосферной конфигурации.

Основные результаты работы:

1. Исследованы возможные области питч-углового рассеяния и изотропные высыпания энергичных протонов в дневной области магнитосферы. Согласие рассчитанных и наблюдаемых размеров изотропной зоны, ее смещений с ростом активности и пространственно-энергетической дисперсии изотропной границы, позволили сделать вывод, что дневные изотропные высыпания энергичных протонов, как и в ночной магнитосфере, формируются за счет неадиабатического питч-углового рассеяния частиц в областях слабого магнитного поля с большой кривизной силовых линий.

2. Изучены изотропные высыпания энергичных электронов, показано, что во время интенсивных солнечных событий солнечные электроны быстро проникают в область замкнутых силовых линий плазменного слоя, по крайней мере, вплоть до электронной изотропной границы. Сделан вывод, что однородные изотропные высыпания как солнечных, так и магнитосферных энергичных электронов формируются в результате их неадиабатического питч-углового рассеяния в токовом слое хвоста магнитосферы.

3. Сравнение одновременных измерений полярных спутников DMSP и NOAA показало, что протонная граница Ь2\, определяемая по широте максимума потока энергии высыпающихся авроральных протонов, соответствует изотропной границе 30 кэВ протонов и, наряду с последней, может использоваться для диагностики магнитосферной конфигурации.

4. Сравнение одновременных измерений магнитного поля в долях хвоста магнитосферы на расстоянии 15-30 Re и положения изотропных границ энергичных частиц на низких высотах показало их связь, однако эта связь слабее, чем на геостационарной орбите. Сделан вывод, что положение изотропных границ контролируется магнитным полем в ночной части внутренней магнитосферы.

Практическая ценность. Полученные результаты могут быть использованы для исследования и диагностики состояний магнитосферы Земли, при построении новых и коррекции существующих магнитосферных моделей.

Личный вклад автора. Автор принимала участие в постановке задачи, отборе и обработке экспериментального материала, расчетах по моделям магнитного поля и анализе результатов. Все изложенные в диссертации результаты получены автором самостоятельно или на равных правах с соавторами.

Апробация работы. Результаты исследований, представленные в работе, докладывались на международных конференциях: XVIII ежегодный семинар "Физика авроральных явлений" (Россия, Апатиты, 1995); "Polar cap boundary phenomena", (NATO-conference, Spitsbergen, 1997); 8th Scientific Assembly of IAGA (Uppsala, Sweden, 1997); AGU Chapman Conference on Physics and Modelling of the Inner Magnetosphere (Helsinki, Finland, 2003); "Problems of Geocosmos" (Санкт-Петербург, 2004); "Solar Extreme Events of 2003: Fundamental Science and Applied Aspects" (Москва, 2004); XXVII ежегодный семинар "Физика авроральных явлений" (Россия, Апатиты, 2005).

Публикации. По теме диссертации опубликованы три статьи в рецензируемых научных изданиях, одна статья и тезисы в сборниках трудов научных конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 83 наименований, содержит 136 страниц машинописного текста, включая 37 рисунков и 5 таблиц.

Основные результаты работы.

1. Исследованы потенциальные области рассеяния из-за нарушений условий адиабатичности и изотропные высыпания в дневной области магнитосферы. Наблюдения низковысотных полярных спутников показали:

• изотропные высыпания энергичных протонов наблюдаются в дневной области магнитосферы вплоть до полярной границы авроральных высыпаний,

• изотропные границы 30 кэВ протонов расположены примерно на 2° экваториальнее границы каспа и характеризуются дисперсией по энергиям,

• широта изотропной границы зависит от уровня активности. Численные расчеты потенциальных областей питч-углового рассеяния энергичных протонов по магнитосферным моделям показали:

• рассеяние в области каспа происходит на расстоянии 9-11 радиусов Земли и создает изотропные высыпания протонов в ионосферу около полуденного меридиана (11-13 часов MLT),

• рассеяние в экваториальной области вблизи магнитопаузы создает изотропные высыпания протонов в ионосферу в дневном овале (вне сектора 11-13 часов MLT), примыкающие к области, создаваемой рассеянием в каспе.

Согласие рассчитанных и наблюдаемых размеров изотропной зоны, ее смещений с ростом активности и пространственно-энергетической дисперсии изотропной границы, позволили сделать вывод, что дневные изотропные высыпания энергичных протонов, как и в ночной магнитосфере, формируются за счет питч-углового рассеяния частиц в областях слабого магнитного поля с большой кривизной силовых линий.

2. Изучены изотропные высыпания электронов во время интенсивных солнечных электронных событий. На основе анализа спутниковых данных показано, что

• граница плато солнечных электронов наблюдается в среднем на 2° экваториальнее границы полярной шапки (кроме полуденного меридиана) и внутри области изотропных высыпаний энергичных протонов плазменного слоя,

• на границе плато наблюдается переход от изотропного к анизотропному питч-угловому распределению.

Сравнение расчетов областей рассеяния энергичных электронов с экспериментальными данными, показало, что зависимость границы плато солнечных электронов от местного времени и различия широт с изотропной границей протонов и границей открытых-замкнутых силовых линий соответствуют модельным расчетам, основанным на механизме рассеяния энергичных электронов в экваториальном токовом слое. Полученные результаты показывают, что во время интенсивных солнечных событий, солнечные электроны быстро проникают в область замкнутых силовых линий плазменного слоя, по крайней мере, вплоть до электронной изотропной границы. Сделан вывод, что, граница плато солнечных электронов соответствует изотропной границе и что однородные изотропные высыпания как солнечных, так и магнитосферных электронов, формируется в результате неадиабатического питч-углового рассеяния энергичных электронов в токовом слое хвоста магнитосферы.

3. Сравнение одновременных измерений полярных спутников DMSP и NOAA показало, что протонная граница b2i, определяемая по широте максимума потока энергии высыпающихся авроральных протонов соответствует изотропной границе 30 кэВ протонов и, наряду с последней, может использоваться для диагностики магнитосферной конфигурации.

4. Сравнение одновременных измерений магнитного поля в долях хвоста на расстоянии 15-30 Re (Geotail) и положения изотропных границ энергичных частиц на низких высотах (NOAA) показало их связь, однако эта связь слабее, чем на геостационарной орбите. Сделан вывод, что положение изотропной границы контролируется магнитным полем в ночной внутренней магнитосфере, в окрестности геостационарной орбиты.

Заключение.

В данной работе, для развития методов диагностики магнитосферы по наблюдаемым изотропным высыпаниям энергичных частиц на низких высотах, был проведен анализ спутниковых данных и его сравнение с расчетами областей нарушения адиабатичности в магнитосферных моделях. Подтверждено, что положение границы области изотропных высыпаний контролируется магнитосферной конфигурацией и может быть использовано для дистанционного зондирования магнитосферы.

1. Akasofy S.A., Physics of magnetospheric substorms, D.Reidel Publishing Company, Dordrecht, Holland, 1977.

2. Alem F., and D. Delcourt, Nonadiabatic precipitation of ions at the cusp equatorward edge, J. Geophys. Res, 1995, V. 100, pp.19321- 19328.

3. Anderson B.J., Decker R.B., Paschalidis N.P. Onset of nonadiabatic particle motion in the near-Earth magnetotail, J.Geophys. Res., 1997, V. 102, pp. 1755317569.

4. Anderson R.R., Eur. Space Agency Spec. Publ., ESA, SP-217, 1984, p. 199.

5. Baumjohann W., G. Paschmann, and C. A. Catell, Average plasma properties in the central plasma sheet, J. Geophys. Res., 1989, V. 94, 6597-6606.

6. Bikkuzina G. R., V. A. Sergeev, T. Bosinger, Particle Boundaries during a solar electron event, "Polar Cap Boundary Phenomena", NATO ASI Book, edited by J.Moen et al., 1998, pp. 355-367.

7. Birmingham T.J., Pitch Angle Diffusion in the Jovian Magnetodisc, J. Geophys. Res., 1984, V. 89, pp. 2699-2707.

8. Carbary J.F., С. I. Meng, Correlation of cusp latitude with Bz and AE, J. Geophys. Res., 1986, V. 91, pp. 10047-10054.

9. Christon S.P., Mitchell, DG., Williams, D.J., Frank, L.A., Huang, C.Y. and Eastman, Т.Е. Energy spectra of plasma sheet ions and electrons from ~1 MeV during plasma temperature transition, J. Geophis. Res., 1988, V. 93, pp. 25622572.

10. Coleman P. J., and R. L. McPherron, Substorm observations of magnetic perturbations and ULF waves at synchronous orbit by ATS-1 and ATS-6 spacecraft, in The Scientific Satellite Program During the International

11. Magnetospheric Study, edited by K. Knott and B. Bay-rick, D. Reidel, Norwell, Mass, 1976, p. 345.

12. Crooker N.U., J. Berchem and С. T. Russell, Cusp displacement at the magnetopause for large IMF By-component, J. Geophys. Res., 1987, V. 92, pp.13467-13471.

13. Delcourt D. C., Martin Jr. R.F., Alem F. A simple model of magnetic moment scattering in a field reversal, Geophys. Res. Lett., 1994, V. 21, pp. 1543-1546.

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

15. Delcourt D.C., J. A. Sauvaud, R. F. Martin and Т. E. Moore, Gyrophase effects in the centrifugal impulse model of particle motion in the magnetotail. J. Geophys. Res., 1995, V.100, pp. 17211-17220.

16. Delcourt D.C., J. A. Sauvaud, R. F. Martin and Т. E. Moore, On the nonadiabatic precipitation of ions from the near-Earth plasma sheet, J. Geophys. Res., 1996, V. 101, pp. 17409-17418.

17. Donovan E.F., B.J. Jackel, I. Voronkov, T. Sotirelis, F. Creutzberg, N. A. Nicholson, Ground-based optical determination of the b2i boundary: a basis for an optical MT-index, J. Geophys. Res., 2003, V. 108, pp. 1115-1126.

18. Dubyagin S.V., Sergeev V.A., Kubyshkina M.V., On the remote sensing of plasma sheet from low-altitude spacecraft, J. Atmos. Sol.-Terr. Phys., 2002, V. 64, pp. 567-572

19. Erlandson R.E., L. J. Zanetti, T. A. Potemra, M. Andre, L. Matson, Observation of electromagnetic ion cyclotron waves and hot plasma in the polar cusp, J. Geophys. Res., 1988, V. 15, pp. 421-424

20. Evans L.C. and Stone, E.C. Electron polar cap and the boundary of open geomagnetic field lines, J. Geophis. Res., 1972, V. 77, pp. 5580-5584

21. Fairfield D.H., Jones J., Variability of the tail lobe field strength, J. Geophys. Res., 1996, V. 101, pp. 7785-7791.

22. Fritz Т.A., Study of the high-latitude outer-zone boundary region for > 40 keV electrons with satellite Injun 3, J. Geophys. Res., 1970, V. 75, p. 5387.

23. Gvozdevsky В. В., and V. A. Sergeev, Scattering in the current sheet as a possible mechanism of auroral particle precipitation, Geomagn. Aeron., Engl. Transl., 1995, V. 35, p. 277.

24. Gvozdevsky В. В., V. A. Sergeev, and K. Mursula, Long lasting energetic proton precipitation in the inner magnetosphere after substorms, J. Geophys. Res., 1997, V. 102, p. 29333.

25. Hauge R., F. Soraas, Precipitation of>l 15 keV protons in the evening., Planet Space Sci., 1975, V. 23, pp. 1141-1154.

26. Hill V. J., D. S. Evans, and H. H. Sauer, TIROS/NOAA satellites space environment monitor. Archive tape documentation. NOAA technical memorandum ERL SEL-71. Boulder, Colorado, 1985.

27. Holzworth, R.H., С. I. Meng, Avroral boundary variations and the IMF, Planet Space Sci., 1984, V. 32, pp. 25-29 .

28. Imhof W.L., Chenette, D.L. and Gaines E.E., Characteristics of electrons at the trapping boundary of the radiation belt, L-dependent energy threshold for isotropy at the midnight trapping boundary, J. Geophys. Res., 1997, V. 102, pp 95-104.

29. Kaufmann R.L., D. J. Larson, P. Beidl and C. Lu, Mapping and energization in the magnetotail, 1. Magnetospheric boundaries, J. Geophys. Res., 1993, V. 98, pp. 9307-9320.

30. Kremser G., J. Woch, K. Mursula, P. Tanskanen, B. Wilken, R. Lundin, Origin of energetic ions in the polar cusp inferred from ion composition measurements by the Viking satellite, Ann. Geophysicae, 1995, V. 13, pp. 595-607.

31. Kubyshkina M.V., Sergeev V.A, Hybrid Input Algorithm: an event-oriented magnetospheric model, J. Geophys. Res., 1999, V. 104, pp.24977-24993.

32. Lui A. T. Y., H. E. Spence, and D. P. Stern, Empirical modelling of the quiet time nightside magnetosphere, J. Geophys. Res., 1994, V. 99, pp. 151-157.

33. Lundblad J. A., F. Soraas and K. Aarsnes, Substorm morphology of >100 keV protons, Planet Space Sci., 1979, V. 27, pp. 841-865.

34. Lvova E.A., Sergeev V.A., Bagautdinova G.R., Statistical study of the proton isotropy boundary, Annales Geophysicae, 2005, in press

35. Lvova E.A., Sergeev V.A., Criterion for isotropy boundary in the Tsyganenkoth2001 model, Proceedings of the 5 International Conference "Problems of Geocosmos", St.-Petersburg, 2004

36. Lyons L.R., D.J.Williams, Quantitative aspects of magnetoshperic physics, (pages from Russian edition), D.Reidel Publishing Company, Dordrecht, Holland, 1984, pp 100-109.

37. Lyons L.R., G.Lu, O. de Beaujardiere, F.J.Rich, Synoptic maps of polar caps for stable IMF intervals during January 1992 GEM campaign, J. Geophys. Res., 1996, V. 101, p. 27283-27299.

38. Lyons, L. R., and T. W. Speiser, Evidence for current sheet acceleration in the geomagnetic tail, J. Geophys. Res., 1982, V. 87, p. 2276.

39. Lyons, L. R., M. Schulz, D. C. Pridmore-Brown, J. L. Roeder, LLBL near noon: an open field line model, J. Geophys. Res., 1994, V. 99, pp. 17367-17377.

40. Newell P. T, Sergeev V. A., Bikkuzina G. R., and Wing S., Characterizing the state of the magnetosphere: Testing the ion precipitation maxima latitude (b2i) and the ion isotropy boundary, J. Geophys. Res., 1998, V. 103, pp. 4739-4745

41. Newell P. Т., and С. I. Meng, Dipole tilt angle effects on the latitude of the cusp and cleft/LLBL, J. Geophys. Res., 1989, V. 94, pp. 6949-6953.

42. Newell P. Т., С. I. Meng, D. G. Sibeck and R. P. Lepping, Some low-altitude cusp dependencies on the interplanetary magnetic field, J. Geophys. Res., 1989, V. 94, pp. 8921-8927.

43. Newell P. Т., Y. I. Feldstein, Y. I. Galperin, and C.-I. Meng, The morphology of nightside precipitation, J. Geophys. Res., 1996, V. 101, p. 10737-10748.

44. Newell P.T., С. I. Meng, Ionospheric projections of magnetospheric regions under low and high solar pressure conditions, J. Geophys. Res., 1993, V.98, p.7727.

45. Newell P.T., С. I. Meng, Open and closed low latitude boundary layer, NATO ASI series, 1998

46. Newell P.T., D. G. Sibeck, С. I. Meng, Penetration of the IMF By and magnetosheath plasma into the magnetosphere, J. Geophys. Res., 1995, V. 100, pp. 235-243.

47. Newell P.T., D. Xu, С. I. Meng, M. G. Kivelson, The dynamic polar cap: a unifying approach, J. Geophys. Res., 1997, V. 102, p. 127.

48. Roeder J. L. and L. R. Lyons, Energetic and magnetosheath energy particle signatures of the LLBL at low altitude near noon, J. Geophys. Res., 1992, V. 97, pp. 13817-13828.

49. Sergeev V.A. and Bosinger, Т., Particle dispersion at the night side boundary of the polar cap, J. Geophys. Res., 1993, V. 98, pp. 233-241

50. Sergeev V.A., В. B. Gvozdevsky, MT-index ~ a possible new index to characterize the magnetic configuration of magnetotail, Ann. Geophysicae, 1995, V. 13, pp.1093-1103.

51. Sergeev V.A., Energetic particles as tracers of magnetospheric configurations, Adv. Space Res., 1996, V. 18, pp. 161-170.

52. Sergeev V.A., G. R. Bikkuzina, P. T. Newell, Dayside isotropic precipitation of energetic protons, Annales Geophysicae, 1997, V. 15, pp.1233-1245.

53. Sergeev V.A., M. Malkov, K. Mursula, Testing the isotropic boundary algorithm method to evaluate the magnetic field configuration in the tail, J. Geophys. Res., 1993, V. 98, pp. 7609-7620.

54. Sergeev V.A., Polar cap and cusp boundaries at day and night, J. Geomag. Geoelectr., 1990, V. 42, pp. 683-695.

55. Sergeev V.A., Tsyganenko N.A., Energetic particle losses and trapping boundaries as deduced from calculations with a realistic magnetic field model, Planet. Space Sci., 1982, V. 30, pp. 999-1006

56. Shinohara I., S.Kokubun, Statistical propetries of particle precipitation in the polar cap during of northard IMF, J. Geophis. Res., 1996, V. 101, pp. 69-82.

57. Shukhtina M.A., Dmitrieva N.P., Sergeev V.A., Quantitative magnetotail characteristics of different magnetospheric states, Annales Geophysicae, 2004, V. 22, pp. 1019-1032.

58. Sibeck, D.G., R.E.Lopez and E.C.Roelof, Solar wind control of the magnetopause shape, location and motion, J. Geophys. Res., 1991, V. 96, pp.5489-5495

59. Troshichev O.A., Shishkina E.M., Meng C.I., Newell P.T., Identification of the poleward boundary of the auroral oval using characteristics of ion precipitations, J. Geophys. Res., 1996, V. 101, pp.5035-5046.

60. Tsyganenko N.A., A magnetospheric magnetic field model with a warped tail current sheet, Planet. Space Sci., 1989, V. 37, pp. 5-20.

61. Tsyganenko N.A., A model of the near magnetosphere with a dawn-dusk asymmetry, J. Geophys. Res., 2002, V. 107, 8, 10.1029/2001JA000219

62. Tsyganenko N.A., D.P.Stern, Modelling the global magnetic field of the large-scale Birkeland current systems, J. Geophys. Res., 1996, V. 101, pp. 2718727198

63. Tsyganenko N.A., Effects of the solar wind conditions on the global magnetospheric configuration as deduced from data-based field models, ICS-3, 1996, pp. 181-185

64. Tsyganenko N.A., Modelling the Earth's magnetospheric magnetic field confined within a realistic magnetopause, J. Geophys. Res., 1995, V. 100, pp.5599-5612.

65. Tsyganenko N.A., Pitch-angle scattering of energetic particles in the current sheet of the magnetospheric tail and stationary distribution functions, 1982, Planet. Space Sci., V. 30, pp. 433-437.

66. Tsyganenko N.A., Singer H. J., Casper J.C., Storm-time distortion of the inner magnetosphere: How severe can it get?, J. Geophys. Res., 2003, V. , pp.

67. Wing S., Newell P.T., Central plasma sheet ion properties as inferred from ionospheric observations, J. Geophys. Res., 1998, V. 103, pp. 6785-6800.

68. Yahnina T.A., Yahnin A.G., Kangas J., Manninen J., D.S. Evans D.S., Demekhov, Trakhtengerts V.Yu, Tromsen M.F., Reeves G. D., B.B. Gvozdevsky, Energetic particles counterparts for geomagnetic pulsations of Pel and IDPD types, 2003, V. 21, pp. 1-14.

69. Yahnina T.A., Yahnin A.G., Kangas J., Manninen J., Proton precipitation related to Pel pulsations, Geoph. Res. Lett., 2000, V. 27, pp. 3575-3578.

70. Young S.L., Denton R.E., Anderson B.J., Hudson M.K. (2002) Empirical model for p scattering caused by field line curvature in realistic magnetosphere, J. Geophys. Res., 2002, V. 107, pp. 1029-1038.

71. Ильин В.Д., Ильина А.Н., Кузнецов С.Н., Стохастическая неустойчивость заряженных частиц в геомагнитной ловушке, Космические Исследования, 1986, Т. 24, стр. 88-96.

72. Ильин В.Д., Ильина А.Н., О механизме неадиабатических потерь в дипольной ловушке, ЖЭТФ, 1978, Т. 75, стр. 518-524.

73. Кузнецов С.Н., Рыбаков А.Ю., Условия сильного высыпания энергичных частиц вблизи границы замкнутых дрейфовых оболочек в магнитосфере

74. Земли, описываемой моделью магнитосферы 'Цыганенко-89', Геомагнетизм и аэрономия, 2003, Т. 43, стр. 315-320.

75. Лазутин JT.JI., Рентгеновское излучение авроральных электронов и динамика магнитосферы, Ленинград, Издательство "Наука", 1979.

76. Лайонс Л., Д. Уильяме, Физика магнитосферы, Москва, Издательство "Мир", 1987.

77. Сергеев В.А., Кузнецов С.Н., Гоцелюк Ю.В., Динамика структуры высокоширотной магнитосферы по данным о солнечных электронах, Геомагнетизм и аэрономия, 1987, Т. 27, стр. 440-447.

78. Сергеев В.А., Мальков М.В., О возможности дистанционного зондирования магнитной конфигурации ночной магнитосферы, Геомагнетизм и аэрономия, 1992, Т. 32, стр. 113-118.

79. Сергеев В.А., Мальков М.В., О диагностике магнитной конфигурации плазменного слоя по измерениям энергичных электронов над ионосферой, Геомагнетизм и аэрономия, 1988, Т. 28,4, стр. 649-654.

80. Фельдштейн Я.И., Гальперин Ю.И., Структура авроральных вторжений в ночном секторе магнитосферы, Космические исследования, 1996, Т. 34, стр. 227-247.