Исследование взаимосвязи полярных сияний, явлений в плазменном слое магнитосферы и условий в межпланетной среде

Дэспирак, Ирина Вадимовна

Исследование взаимосвязи полярных сияний, явлений в плазменном слое магнитосферы и условий в межпланетной среде тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.03 ВАК РФ

Дэспирак, Ирина Вадимовна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2004 ГОД ЗАЩИТЫ

01.03.03 КОД ВАК РФ

Диссертация по астрономии на тему «Исследование взаимосвязи полярных сияний, явлений в плазменном слое магнитосферы и условий в межпланетной среде»

Автореферат диссертации на тему "Исследование взаимосвязи полярных сияний, явлений в плазменном слое магнитосферы и условий в межпланетной среде"

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ДЭСПИРАК Ирина Вадимовна

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ ПОЛЯРНЫХ СИЯНИЙ, ЯВЛЕНИЙ В ПЛАЗМЕННОМ СЛОЕ МАГНИТОСФЕРЫ И УСЛОВИЙ В МЕЖПЛАНЕТНОЙ СРЕДЕ

Специальность 01.03.03 - физика Солнца

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург

2004

Работа выполнена в Полярном геофизическом институте Кольского научного центра Российской Академии наук

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

Александр Григорьевич Яхнин

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Виктор Андреевич Сергеев

доктор физико-математических наук, профессор Виктор Юрьевич Трахтенгерц

Ведущая организация: Арктический и антарктический

научно-исследовательский институт

Защита состоится "_" октября 2004 г. в "_" часов на заседании

Диссертационного совета Д 212.232.35 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора физико-математических наук в Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199034, Санкт-Петербург, Университетская набережная, д. 7/9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУ. Автореферат разослан "_" августа 2004 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета кандидат физико-математических наук

А. Л. Котиков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В диссертации по результатам наземных и спутниковых экспериментов проанализирована взаимосвязь параметров солнечного ветра и межпланетного магнитного поля с развитием суббуревых возмущений, с динамикой потоков плазменного слоя. По данным низковысотных спутников определено положение области источников дуг сияний полярной шапки.

Актуальность.

Проблема солнечно-земных связей давно привлекает пристальный интерес исследователей. С развитием космической техники возросло количество наблюдений непосредственно в околоземной плазме, что создало надежную основу для углубления наших знаний о магнитосфере Земли. Образно выражаясь, мы живем внутри короны Солнца. Даже самим существованием магнитосфера Земли обязана солнечному ветру - части непрерывно расширяющейся солнечной короны. Живя в таком тесном контакте, мы чрезвычайно сильно зависим от процессов, происходящих на Солнце. Здоровье человека, климат, погода, природные катаклизмы, все это в немалой степени зависит от «настроения» ближайшей к нам звезды. Поэтому исследование солнечно-земных связей никогда не потеряет своей актуальности.

Солнечный ветер взаимодействует с магнитным полем Земли, образуя земную магнитосферу. В целом магнитосфера сохраняет форму искаженного магнитного диполя с вытянутым в антисолнечном направлении магнитным хвостом. Вариации параметров солнечного ветра являются главными причинами таких событий как геомагнитные бури и суббури и все их

проявления в виде полярных сияний, ионосферных бурь и т.д. В связи с этим исследования взаимосвязи вариаций параметров в солнечном ветре и их влияний на возмущения в магнитосфере и ионосфере Земли являются актуальной задачей. Эта проблема сложна и многопланова, в нашей работе затрагивается один из аспектов проблемы - взаимосвязь суббуревых возмущений (полярных сияний и магнитных возмущений) с вариациями параметров солнечного ветра (СВ) и межпланетного магнитного поля (ММП).

Когда ММП антипараллельно геомагнитному полю в приэкваториальной части магнитосферы (т.е. «южное» направление ММП) происходит пересоединение силовых линий ММП и геомагнитного поля вблизи подсолнечной части магнитопаузы. Это приводит к эрозии магнитосферы на дневной стороне и накоплению магнитного потока в геомагнитном хвосте. Процесс пересоединения в хвосте магнитосферы происходит спорадически, проходя через повторяющиеся интервалы накопления и сброса энергии - магнитосферные суббури. Таким образом, в магнитосфере Земли геомагнитный хвост играет центральную роль в процессах накопления, преобразования и диссипации энергии Солнца. Поэтому структура хвоста и его динамика вызывают значительный интерес в рамках геофизических исследований. В нашей работе исследуется одна из сторон проблемы - быстрые потоки в плазменном слое магнитосферного хвоста, их связь с параметрами солнечного ветра и ММП, развитием суббуревых возмущений и геомагнитной активностью.

рассматриваться как важное звено в изучении процессов взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой Земли, так как, возможно, что источники этих сияний расположены на открытых силовых линиях геомагнитного поля, уходящих в солнечный ветер. Присутствие дуг сияний на открытых силовых линиях магнитного поля - вопрос принципиальный как с точки зрения генерации дуг сияний, так и с точки зрения топологии магнитосферы при северном направлении ММП. Вопрос о том, где находится источник этих дуг - на замкнутых или на открытых силовых линиях магнитного поля Земли - не решен до настоящего времени, и исследования этой проблемы являются актуальными. В нашей работе изучается вопрос об области генерации дуг «сияний полярной шапки» на основе сопоставления их с наблюдениями высыпаний частиц на низковысотных спутниках.

Цель работы.

Цель работы заключается в экспериментальном изучении (по данным измерений на спутниках и сопутствующим им наземным наблюдениям) взаимосвязи между развитием суббуревых возмущений и условиями в солнечном ветре, между динамикой потоков в плазменном слое магнитосферы и авроральными и геомагнитными возмущениями, между сияниями полярной шапки, и высыпаниями энергичных протонов из плазменного слоя.

На защиту выносятся: 1. Результаты исследования зависимости широты начала суббури, максимальной широты и площади авроральной выпуклости от параметров межпланетной среды (скорости, южной компоненты ММП и

азимутальной компоненты электрического поля) в периоды максимума и минимума солнечной активности.

2. Вывод а том, что с ростом скорости СВ максимальная широта западного электроджета во время суббурь растет, а с ростом южной компоненты ММП уменьшается, что, в частности, приводит к тому, что при больших значениях южной компоненты ММП западный электроджет не распространяется до высоких геомагнитных широт.

3. Экспериментальные подтверждения существования тесной связи между положением области пересоединения в хвосте магнитосферы и широтой полярной кромки сияний во время суббури:

4. Результаты сопоставления наблюдений дуг «сияний полярной шапки» и высыпаний энергичных протонов и вывод о том, что источники дуг «сияний полярной шапки» расположены, в плазменном слое магнитосферы.

Научная новизна,

1. Хотя исследования влияния солнечного ветра на динамику полярных сияний во время суббури проводились и ранее, результаты диссертации-существенно дополняют предыдущие исследования. Более широко исследовано влияние межпланетных параметров на характеристики авроральной выпуклости, в частности, определяется ее площадь, долготный и широтный размеры. Проведено- сравнение влияния межпланетных параметров в годы минимума и максимума солнечной активности.

2:. В диссертации изучение движения по широте западного электроджета проводилось детальным способом: рассматривалось- влияние межпланетных параметров не только на максимальную широту, которой

достигает электроджет во время суббури, но и на его начальную широту, на динамику «центра» электроджета (положения максимального тока в нем) и полярного края электроджета. Впервые найдено отличие влияния межпланетных параметров на положение полярной кромки сияний и «центра» электроджета, показано различное влияние скорости СВ и южной компоненты ММП на положение «центра» электроджета.

3. Предположение о взаимосвязи широты полярной кромки сияний и положения области пересоединения в хвосте магнитосферы подтверждено с использованием экспериментальных данных.

4. Для доказательства предположения о происхождении сияний полярной шапки из плазменного слоя магнитосферы впервые использованы наблюдения энергичных (>30 кэВ) протонов, измеряемых на низкоорбитальных спутниках.

Практическая ценность работы.

Проблематика солнечно-земных связей представляет и практический интерес, обобщаемый понятием «космическая погода». Сфера обитания современного человека постепенно расширяется, включая в себя и околоземный космос. Проявления солнечной активности, воздействуя на магнитосферу Земли, приводят к увеличению радиационного воздействия на спутники и космонавтов, нарушениям в системах космической связи и навигации, наводкам в системах электроснабжения, воздействуют на климат и здоровье людей. Знание динамики магнитосферы и механизмов ее взаимодействия с солнечным ветром и ММП позволит проводить прогноз космической погоды и принимать необходимые защитные меры.

Реализация работы.

Результаты исследований вошли в ряд научных отчетов Полярного геофизического института КНЦ РАН, в отчеты по грантам INTAS, в отчет по научной программе Отделения физических наук РАН №16 «Солнечный, ветер: генерация и взаимодействие с Землей и планетами».

Апробация.

Результаты исследований, представленных в работе, докладывались на конференциях: на международной конференции молодых ученых и специалистов «Геофизика-99» (Санкт-Петербург, Россия, 1999); International Conference on Substorms-5 (Санкт-Петербург, Россия, 16-20 мая, 2000); международной конференции «Проблемы геокосмоса» (Санкт-Петербург, 2000, 2002, ,2004); European Geophysical Society (Nice, France, 200,1, 2002); на ежегодных всероссийских семинарах, проводимых в ПГИ (Апатиты, Россия, 1999, 2001-2004); на конференции стран СНГ и Прибалтики «Актуальные проблемы физики солнечной и звездной активности» (Нижний Новгород, Россия, 2-7 июня, 2003).

Личный вклад автора.

Диссертант принимала непосредственное участие во всех этапах представленных в данной работе исследований, включая постановку задачи, отбор и обработку экспериментального материала, анализ данных измерений на спутниках Polar, Wind, IMP-8, GEOTAIL, NOAA и TIROS, анализ данных наземных магнитометров и данных камеры всего неба станции Восток, а также интерпретации результатов. Все изложенные в диссертации результаты получены автором самостоятельно или на равных правах с соавторами.

Благодарности,

Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю Яхнину Александру Григорьевичу за постановку задачи и полезные дискуссии. Трудно представить себе эту работу завершенной без помощи и поддержки моего мужа - Любчича Андриса Алексеевича. Автор также приносит благодарность создателям программ обработки данных спутниковых и наземных наблюдений - Гвоздевскому Борису Борисовичу, Козелову Борису Владимировичу, Котикову Андрею Львовичу, а также Пашину Анатолию Борисовичу за помощь по отладке программы расчета широтного профиля ионосферных токов.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано три статьи в рецензируемых журналах и шесть статей в сборниках трудов конференций.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из Введения, трех глав и Заключения. Общий объем диссертации составляет 137 страниц, включая 32 рисунка, 1 таблицу, библиографию из 119 наименований.

научных научных

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В Первой главе рассматривается один из важных вопросов проблемы солнечно-земных связей: влияние параметров солнечного ветра на процессы в магнитосфере Земли. А именно, в данной главе исследуется влияние межпланетных параметров на экспансию сияний и западного электроджета во время суббури: В рамках существующих представлений о природе суббури как процессе пересоединения в токовом слое хвоста магнитосферы, размеры авроральной выпуклости определяются величиной пересоединенного магнитного потока т.е. той частью магнитной энергии хвоста, которая диссипирует во время суббури. В то же время количество запасенной магнитной энергии в хвосте магнитосферы связано с параметрами солнечного ветра, в первую очередь с электрическим полем С другой стороны,

известно, что на геомагнитную активность оказывают влияние и межпланетное магнитное поле, и скорость солнечного ветра, и различные комбинации этих параметров. Но распространение суббуревых возмущений на высокие широты контролируется, в основном, скоростью солнечного ветра. Однако конкретная причина влияния скорости СВ на распространение суббуревой активности до высоких широт остается неизвестной. Возможно, что влияние скорости СВ связано с процессом пересоединения силовых линий магнитного поля на магнитопаузе или с процессом вязкого взаимодействия СВ с магнитопаузой, или происходит через другие параметры

СВ, связанные со скоростью СВ. В данной главе на основе экспериментальных данных исследуется связь суббуревой экспансии полярных сияний и суббуревого западного электроджета с условиями в солнечном ветре, особое внимание уделяется изучению вопроса об условиях в солнечном ветре, контролирующих экспансию суббури на экстремально высокие широты. В Разделе 1.1 дано краткое описание авроральной и магнитосферной суббури, обсуждаются работы, в которых проводились исследования влияния межпланетных параметров на характеристики авроральной выпуклости, на положение границ сияний во время суббури, на распространение к полюсу суббуревого западного электроджета, а также сформулированы вопросы, изучению которых посвящается данная глава. В Разделе 1.2 представлены результаты сравнительного анализа влияния на развитие авроральной выпуклости скорости СВ, южной компоненты ММП, а также азимутальной компоненты межпланетного электрического поля. Процесс развития суббури контролировался по данным спутника Polar, изменение межпланетных параметров - по данным спутника Wind. По изображениям сияний, спроектированным на карту (в геомагнитных координатах) определялись положение их границ в начале и в максимуме авроральной экспансии, а также площадь, занятая яркими сияниями, ее долготный и широтный размеры. Показано, что широтный размер и площадь суббуревой авроральной выпуклости возрастают с увеличением южной компоненты ММП, азимутальной компоненты электрического поля и скорости солнечного ветра. Показано, что широтный размер суббури и размеры площади авроральной выпуклости одинаковы для суббурь периодов минимума и максимума солнечной активности. Существенным отличием является то, что широты экваториальной и максимальной границ авроральной выпуклости в год максимума меньше, чем в год минимума. В

период максимума солнечной активности суббури начинаются экваториальнее и, соответственно, не доходят до высоких широт.

Движение западного электроджета во время суббури исследуется по данным наземных магнитометров меридиональной цепочки станций IMAGE {Раздел 1.3). Рассматриваются два параметра, которые характеризуют электроджет. Первый - это широта полярного края электроджета, второй -широта «центра» электроджета (области, где течет максимальный ток). Для получения широтного профиля электроджетов была использована программа расчета меридионального профиля ионосферных токов. Для суббурь декабря 1996 года и нескольких суббурь 1995 года были построены карты изолиний плотности .токов в координатах: исправленная геомагнитная широта мировое время. Показано, что во время суббури полярный край электроджета движется к полюсу, вслед за полярным краем авроральной выпуклости.

Далее рассматривается вопрос о том,- как межпланетные параметры влияют на. «центр» электроджета («центр» электроджета- это положение, максимума интенсивности.западного тока). Для более массовой обработки магнитных данных «центр» электроджета определялся визуально по магнитограммам, цепочки станций IMAGE. Были проанализированы все суббури, наблюдавшиеся в 1995, 2000 годах и в декабре 1996 года, которые начинались в авроральной - зоне. Показано, что скорость СВ и южная Компонента ММП по-разному действуют на положение «центра» электроджета во время суббури. С ростом скорости V широта распространения «центра» электроджета повышается, а рост южной компоненты ММП, наоборот, смещает положение «центра» электроджета к экватору. Зависимость полярной кромки сияний и «центра» электроджета от Bs (южной компоненты ММП) и азимутальной компоненты электрического поля существенно различаются: с ростом Bs и Y-компоненты электрического

поля полярная кромка сияний движется в высокие широты, а «центр» электроджета смещается к экватору.

Далее представлены результаты исследования условий в солнечном Ветре, которые влияют на появление суббуревых возмущений на высоких широтах. О появлении суббури на высоких геомагнитных широтах обычно судят по наличию геомагнитных бухт на высокоширотных станциях. В нашей работе рассматривается вопрос о том, какие условия в солнечном ветре влияют на распространение до высоких широт «центра» электроджета. «Высокоширотными» считались суббури, для которых «центр» электроджета перемещался полярнее 75°, то есть наблюдался над станцией Ny Alesund. Представлены результаты наблюдений суббуревого электроджета на высоких широтах в зависимости от межпланетных параметров по данным меридиональной цепочки станций IMAGE и высокоширотной станции Nord. С помощью диаграмм, построенных в координатах V - Bs, анализируется совместное влияние скорости солнечного ветра и южной компоненты ММП на появление на высоких широтах «центра» электроджета. Показано, что «центр» электроджета наблюдается на высоких широтах при определенных условиях в солнечном ветре - скорости СВ больше 500 км/с и значениях Bs ММП в диапазоне от 0 до -4 нТл. Это связано с тем, что, как показано в Разделе 1.3, при увеличении южной компоненты ММП «центр» электроджета смещается.к экватору. Отдельно рассмотрено несколько суббурь за разные годы, которые происходили при экстремально больших значениях скорости СВ и южной компоненты ММП, наблюдавшихся во время взаимодействия Земли с потоками корональных выбросов массы (СМЕ). Показано, что и в этих случаях «центр» электроджета не доходит до высоких широт. Таким Образом, распространение «центра» электроджета до высоких широт происходит при определенных условиях в солнечном ветре - высокой

скорости СВ и небольших величинах южной компоненты ММП. Однако полярный край электроджета может наблюдаться на высоких широтах в более широком диапазоне значений ММП и скоростей солнечного ветра.

В Разделе 1.4 исследуется вопрос о соотношении между скоростью СВ и другими параметрами СВ (южной компонентой ММП и давлениями СВ) в зависимости от периода солнечной активности. При этом учитывается влияние как протонной, так и электронной компонент плазмы солнечного ветра. По данным приборов SWE и MFI (с одноминутным разрешением) Спутника WIND были исследованы зависимости теплового, магнитного и динамического давления солнечного ветра, а также южной компоненты ММП от скоростц солнечного ветра для 1995 года (вблизи от минимума солнечной активности) и для 2000 года (максимум солнечной активности). Показано, что протонное тепловое давление с ростом скорости увеличивается, а электронное тепловое давление уменьшается, и общее тепловое давление не возрастает, а даже немного понижается с ростом скорости солнечного ветра Магнитное давление и суммарное (магнитное и тепловое) давление также не зависят от скорости СВ. Для динамического давления явная зависимость от скорости наблюдается только в год максимума солнечной активности. Для южной компоненты ММП сильной корреляции со скоростью СВ не обнаружено. В среднем, значения Bs в год максимума выше в 1.3 раза, чем в год минимума солнечной активности. Повышенным значениям скорости СВ соответствуют большие значения южной компоненты Bs ММП для года

максимума, и невысокие значения В ММП для года минимума солнечной активности.

Во Второй главе исследуются быстрые потоки в плазменном слое магнитосферы, рассматривается их корреляция с авроральными возмущениями и параметрами солнечного ветра. В первой части главы

изучаются быстрые потоки плазмы на относительно близких расстояниях от Земли -10-30 R, ВО второй части - в далеком магнитосферном хвосте на расстояниях ~200 R- Быстрые потоки в ближнем хвосте обычно связывают с развитием суббури, с возникновением неустойчивости в ближней части плазменного слоя, с формированием околоземной нейтральной линии. Факт прохождения нейтральной линии мимо спутника, находящегося на ночной стороне в плазменном слое магнитосферы, фиксируется на спутнике как поток плазмы сначала в направлении от Земли, а потом как поток плазмы к Земле. В первой части данной главы рассматриваются именно такие случаи обращения потоков плазмы, исследуется их связь, с полярной кромкой авроральной выпуклости во время суббури. Этот вопрос имеет принципиальное значение для понимания механизма суббури. Несмотря на многолетнюю историю изучения, до сих пор нет общего мнения по вопросу о положении в магнитосфере области, в которой начинается фаза развития суббури. В различных моделях это расстояние варьируется в пределах от 5 до десятков зе|мных радиусов. Во введении к главе (Раздел 2.1) перечислены основные существующие точки зрения о расположении очага, суббури, о связи ярких сияний авроральной выпуклости с различными процессами в магнитосфере во время суббури и сформулированы вопросы, исследованию которых посвящена первая часть этой главы. Однако быстрые потоки плазмы могут наблюдаться не только в плазменном слое среднего магнитосферного хвоста, но и в плазменном слое далекого хвоста магнитосферы. Некоторые авторы связывают эти потоки с суббурями, но более вероятно, что эти потоки связаны с усилением процесса пересоединения на далекой нейтральной линии. В Разделе 2.1 представлен краткий обзор работ, в которых исследовался далекий магнитосферный хвост, потоки в далеком хвосте, их связь с суббурями и параметрами солнечного ветра, а также сформулированы

вопросы, изучению которых посвящена вторая часть данной главы. В Разделе 2.2 на основе экспериментальных данных проверяется связь между положением области обращения потоков в плазменном слое и движением полярной кромки сияний во время суббури. Отбирались события, когда спутник GEOTAIL находился на ночной стороне в плазменном слое магнитосферы, и наблюдалось обращение потоков плазмы: сначала от Земли, потом к Земле. Эти события сопоставлялись с данными развития суббуревой авроральной выпуклости со спутника Polar. За зимний период 1996-1997 Годов было отобрано 31 такое событие. В это время спутник GEOTAIL находился на разных расстояниях от Земли (от -7 до -30 RE ПО ОСИ X). Далее определялась широта полярной кромки сияний в момент времени, когда GEOTAIL зарегистрировал обращение потоков плазмы в плазменном слое. Оказалось, что существует прямая зависимость между широтой полярной кромки сияний и расстоянием от Земли до области обращения потоков плазмы: чем дальше в хвост зарегистрирована область обращения потоков, тем полярнее в этот момент находится кромка сияний. Это свидетельствует о непосредственной связи между ними. С использованием семейства моделей магнитосферы Цыганенко (Т89) показывается также, что в момент регистрации потоков плазмы от Земли спутник проектируется в ионосферу полярнее кромки сияний, а во время измерения потоков, направленных к Земле, - экваториальнее. Отсюда следует, что область обращения потоков должна проектироваться на полярную кромку сияний. Все эти наблюдения указывают на тесную связь нейтральной линии в хвосте магнитосферы с полярной кромкой авроральной выпуклости во время суббури. Этот результат подтверждает гипотезу о том, что яркие сияния во время фазы развития суббури генерируются в окрестности области пересоединения.

В Разделе 2.3 представлено исследование характеристик плазменного слоя далекого хвоста магнитосферы. Для изучения была выбрана одна из первых орбит спутника GEOTAIL (апрель-май 1994 года). Исследовались характеристики плазменного слоя, особое внимание было уделено их соотношению с параметрами солнечного ветра, межпланетного магнитного поля и геомагнитной возмущенностью. На основе сравнения усредненных данных (сглаженных по методу скользящего среднего) спутников IMP-8 и GEOTAIL было получено, что средняя скорость в далеком плазменном слое почти совпадает со скоростью солнечного ветра, особенно во время высокоскоростных потоков в солнечном ветре. Протонная компонента плазменного слоя более горячая, но менее плотная по сравнению с солнечным ветром. Протонная компонента плазмы солнечного ветра и далекого плазменного слоя описываются почти одинаковым политропным законом. А также изучались быстрые потоки плазмы, скорость которых намного (на 500 км/с и более) отличалась от средней скорости. На основе сопоставления

данных спутников IMP-8 и GEOTAIL было получено, что быстрым потокам антисолнечного направления предшествует интервал южного (отрицательного) направления Bz-компоненты ММП, Z-компонента магнитного поля в плазменном слое при этом также является отрицательной. Соответственно, такие потоки коррелируют с повышением геомагнитной активности (с увеличением АЕ-индекса). Корреляция с повышением геомагнитной активности является лишь следствием хорошо известного факта - эффекта взаимосвязи между южной компонентой ММП Bz и суббурями; корреляции между быстрыми потоками и отдельными суббурями не найдено Возможно, что долгоживущие потоки, направленные от Земли, являются результатом усиления процесса пересоединения на дальней нейтральной линии, которая располагается в этом случае между спутником и

Землей. Для быстрых потоков, направленных к Земле, Bz-компонента в солнечном ветре близка к нулю, а Ву-компонента - положительна. Это соответствует относительно спокойным геомагнитным условиям, когда далекая нейтральная линия расположена дальше спутника, и процесс пересоединения происходит на расстояниях больше 200 КЕ.

В Третьей главе рассматривается одна из существенных проблем в физике магнитосферы: проблема идентификации источников и механизмов различных геофизических явлений. Предметом исследования являются дуги сияний полярной шапки. Это особый класс сияний, по своим характеристикам несколько отличающийся от сияний аврорального овала.

Эти сияния наблюдаются полярнее сияний овала (внутри него) при спокойных геомагнитных условиях, в периоды северного направления межпланетного магнитного поля (Bz >0). Само название этих сияний - дуги сияний полярной шапки - уже содержит в себе гипотезу об источнике этих сияний, так как полярная шапка - это область, связанная открытыми силовыми линиями с долями хвоста магнитосферы. Вопрос о присутствии дуг сияний на открытых силовых линиях имеет принципиальное значение как для понимания процесса генерации дуг сияний, так и для решения проблемы топологии магнитосферы при северном направлении ММП (В2 >0). Поэтому этот вопрос достаточно интенсивно обсуждается в литературе уже более 30 лет. В Разделе 3.1 представлен обзор литературы, описывается морфология дуг сияний полярной шапки, их зависимость от геомагнитной активности и межпланетного магнитного поля, рассматриваются аргументы сторонников разных гипотез о расположении области генерации дуг сияний полярной шапки, как на открытых силовых линиях, так и на замкнутых силовых линиях геомагнитного поля.

Новизна нашего подхода к этой проблеме заключается в том, что мы предложили локализовать источник высокоширотных сияний, используя наблюдения потоков энергичных (>30 кэВ) протонов, измеряемых на низкоорбитальных спутниках. Изучению характеристик высыпаний энергичных! протонов в высоких широтах посвящен Раздел 3.2. В нем рассматривается морфология высыпаний энергичных протонов на широтах выше 80°, обсуждаются преимущества выбора 30-кэвных протонов в качестве «трассеров», определяющих высыпания из плазменного слоя магнитосферы, т.е. с замкнутых силовых линий магнитного поля. Отмечается также связь энергичных протонных вторжений с электронными высыпаниями, которые вызывают сияния, рассматривается зависимость вероятности наблюдения энергичных протонов от величины компонент ММП. Показано, что высыпания энергичных протонов на широтах выше 80° наблюдаются преимущественно при положительном значении вертикальной компоненты ММП (Bz >0), вероятность их наблюдения зависит и от знака азимутальной' компонент ММП: в северном полушарии она максимальна утром (вечером) при By<D (BY>0), в южном полушарии наблюдается обратная зависимость. Найденные здесь зависимости протонных вторжений от ММП хорошо согласуются с теми, которые были ранее найдены для сияний полярной шапки. Далее в этом разделе рассматривается вопрос о сходствах и отличиях статистических характеристик сияний полярной шапки и протонных высыпаний.

Для более точного вывода об источниках сияний полярной шапки необходимы прямые сопоставления наблюдений вторжений энергичных протонов и дуг сияний полярной шапки. В Разделе 3.3 представлены Экспериментальные данные об одновременных наблюдениях энергичных протонов на спутниках NOAA и TIROS и высокоширотных дуг сияний на антарктической станции Восток. Отбирались события, когда во время

наблюдения сияний полярной шапки спутник пересекал поле зрения камеры всего неба. За три месяца наблюдений было отобрано 31 такое событие, список которых приведен в диссертации в Таблице 1 с указанием даты, времени пролета спутника и времени наблюдения дуги сияния, наличия или отсутствия высыпаний энергичных протонов. Показано, что в 87% событий дуги сияний полярной шапки наблюдались внутри области вторжений энергичных протонов. Отдельно рассмотрен случай, когда на спутнике были зарегистрированы высыпания типа «полярный дождь». Это поток низкоэнергичных электронов, обусловленный прямым проникновением электронов I солнечного ветра вдоль открытых силовых линий магнитного поля Земли!, поэтому он является хорошим индикатором открытых силовых линий. На последовательности пролетов спутника NOAA рассматривается динамика областей «полярного дождя» и энергичных протонов в зависимости от Bz-компоненты ММП. Показано, что области «полярного дождя» и высыпаний энергичных протонов не перекрываются, и дуги сияний наблюдаются только в области протонных вторжений, вне области «полярного дождя». Далее сопоставляются жесткости спектра наблюдаемых частиц и частиц авроральной зоны. Показано, что «спектральный индекс» (отношение потока протонов с энергией и потока протонов с

энергией над дугами полярной шапки сходен с индексом высыпаний

в авроральной зоне. Таким образом, полученные нами новые данные

подтверждают гипотезу о том, что дуги сияний полярной шапки имеют источник на замкнутых силовых линиях в плазменном слое магнитосферы. Это могут быть удаленные области плазменного слоя в хвосте магнитосферы или окрестности внутренней границы низкоширотного пограничного слоя.

В разделе Заключение сформулированы основные результаты диссертационной работы.

Результаты, составившие основу представляемой диссертации,

изложены в следующих работах:

1. Дмитриева Н.П, А.Г. Яхнин, Т.В. Мирошникова, И.В. Дэспирак. Высыпания

энергичных протонов в высоких широтах: зависимость от межпланетного магнитного поля. Космические исследования, Т.37, №4, С.339-347, 1999.

2. Despirak I.V., A.G. Yahnin, A.A. Lyubchich. High latitude sun-aligned auroral arcs and energetic proton precipitation. Proceedings of XXII annual seminar "Physics of auroral phenomena", Apatity, P. 18-22,1999.

3.. Дэспирак И.В., А.Г. Яхнин, А.А. Любчич. Область генерации высокоширотных дуг сияний. Геомагнетизм и аэрономия, Т.41, №1, С. 117123,2001.

4..Despirak, I.V., А.А. Lubchich, A.G. Yahnin. Solar wind control of the high-latitude propagation of the substorm electrojet. Proceedings of XXIV annual , seminar "Physics ofauroralphenomena", Apatity, P.13-16,2001. ,

5. Lubchich A.A., I.V. Despirak, A.G. Yahnin. Relationship between solar wind velocity and solar wind thermal pressure. Proceedings ofXXIVannual seminar

"Physics ofauroralphenomena", Apatity, P.89-91,2001.

6. Lubchich A.A., A.G. Yahnin, I.V. Despirak. Far tail plasma sheet: Correlation with solar wind parameters and geomagnetic disturbances. Proceedings ofXXIV annual seminar "Physics ofauroralphenomena", Apatity, P.70-73,2001.

7. Дэспирак И.В., А.Г. Яхнин, А.А. Любчич; Б.В. Козелов. Зависимость суббуревой экспансии сияний от межпланетных параметров. Актуальные проблемы физики солнечной и звездной активности. Конференция стран СНГ и Прибалтики: Сборник докладов в двух томах. Г.2, Нижний Новгород, С.493-495,2003.

8. Despirak I.V., A.G. Yahnin, A.A. Lubchich, B.V. Kozelov. Dependence of substorm expansion of auroras and auroral electrojet on interplanetary parameters. Proceedings of XXVI annual seminar "Physics of auroral phenomena", Apatity, P. 13-15,2003.

9. Любчич А.А., И.В: Дэспирак, А.Г. Яхнин. Связь давления и скорости солнечного ветра в минимуме одиннадцатилетнего цикла. Геомагнетизм и аэрономия, Т.44, №2, С. 160-165,2004.

Подписано в печать 19.08.04. Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать лазерная. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 3384. Отпечатано в отделе оперативной полиграфии НИИХ СПбГУ. 198504, Санкт-Петербург, Старый Петергоф, Университетский пр.26

#15587

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Дэспирак, Ирина Вадимовна

Введение.

1. Зависимость суббуревой экспансии сияний и электроджета от параметров солнечного ветра и межпланетного магнитного поля.

1.1. Введение.

1.2. Зависимость экспансии авроральной выпуклости от параметров солнечного ветра и межпланетного магнитного поля.

1.3. Полярная экспансия суббуревого западного электроджета в зависимости от межпланетных параметров.

1.4. Соотношение между параметрами солнечного ветра в зависимости от цикла солнечной активности.

2. Быстрые потоки в плазменном слое: корреляция с авроральными и геомагнитными возмущениями и параметрами солнечного ветра.

2.1. Введение.

2.2. Положение области обращения потоков в хвосте магнитосферы и широта полярной кромки авроральной выпуклости во время суббури.

2.3. Исследование быстрых потоков в плазменном слое далекого хвоста магнитосферы.

2.3.1. Данные.

2.3.2.Параметры далекого плазменного слоя.

2.3.3. Быстрые потоки в далеком магнитосферном хвосте и их связь с межпланетным магнитным полем.;.

3. Область генерации высокоширотных дуг сияний полярной шапки.

3.1. Введение.

3.2. Изучение характеристик высыпаний энергичных протонов на высоких широтах.

3.2.1. Энергичные протоны как индикатор высыпаний из плазменного слоя.

3.2.2. Результаты наблюдений.

3.3. Одновременные наблюдения сияний полярной шапки и ! высыпаний энергичных протонов плазменного слоя.и.

Введение диссертация по астрономии, на тему "Исследование взаимосвязи полярных сияний, явлений в плазменном слое магнитосферы и условий в межпланетной среде"

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы

Солнечный ветер взаимодействует с магнитным полем Земли, образуя; земную магнитосферу. В целом магнитосфера сохраняет форму искаженного магнитного диполя с вытянутым в антисолнечном направлении магнитным хвостом. Вариации параметров солнечного ветра являются главными причинами таких событий как геомагнитные бури и суббури и все их проявления в виде полярных сияний, ионосферных бурь и т.д. В связи с этим исследования взаимосвязи вариаций параметров в солнечном ветре и их влияний на возмущения в магнитосфере и ионосфере Земли являются актуальной задачей. Эта проблема сложна и многопланова, в нашей работе затрагивается один из аспектов проблемы -взаимосвязь суббуревых возмущений (полярных сияний и магнитных возмущений) с вариациями параметров солнечного ветра (СВ) и межпланетного магнитного поля (ММП).

Когда ММП антипараллельно геомагнитному полю в приэкваториальной части магнитосферы (т.е. «южное» направление ММП), происходит пересоединение силовых линий ММП и геомагнитного поля вблизи подсолнечной части магнитопаузы. Это приводит к эрозии магнитосферы на дневной стороне и. накоплению магнитного потока в геомагнитном хвосте. Процесс пересоединения в хвосте магнитосферы происходит, спорадически, проходя через повторяющиеся интервалы накопления и сброса энергии - магнитосферные суббури. Таким образом, в магнитосфере Земли геомагнитный хвост играет центральную роль в процессах накопления, преобразования и диссипации энергии Солнца. Поэтому структура хвоста и его динамика вызывают значительный интерес в рамках геофизических исследований. В нашей работе исследуется одна из сторон проблемы - быстрые потоки в плазменном слое магнитосферного хвоста, их связь с параметрами солнечного ветра и ММП, развитием суббуревых возмущений и геомагнитной активностью.

При северном направлении ММП структура пересоединения в магнитосфере изменяется, сдвигаясь на более высокие широты, динамика геомагнитного хвоста становится более спокойной. Овал полярных сияний сжимается, а в полярной шапке наблюдается особый тип сияний - дуги «сияний полярной шапки». Исследование характеристик таких сияний может рассматриваться как важное звено в изучении процессов взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой Земли, так как, возможно, что источники этих сияний расположены на открытых силовых линиях геомагнитного поля, уходящих в солнечный ветер. Присутствие дуг сияний на открытых силовых линиях магнитного поля - вопрос принципиальный как с точки зрения генерации дуг сияний, так и с точки зрения топологии магнитосферы при северном направлении ММП. Вопрос о том, где находится источник этих дуг - на замкнутых или на открытых силовых линиях магнитного поля Земли - не решен до настоящего времени, и исследования этой проблемы являются актуальными. В нашей работе изучается вопрос об области генерации дуг «сияний полярной шапки» на основе сопоставления их с наблюдениями высыпаний частиц на низковысотных спутниках.

Цель диссертационной работы

Цель работы заключается в экспериментальном изучении (по данным измерений на спутниках и сопутствующим им наземным наблюдениям) взаимосвязи между развитием суббуревых возмущений и условиями в солнечном ветре, между динамикой потоков в; плазменном слое магнитосферы и авроральными и геомагнитными возмущениями, между сияниями полярной шапки и высыпаниями энергичных протонов из плазменного слоя.

На защиту выносятся:

1. Результаты исследования зависимости широты начала суббури, максимальной широты и площади авроральной выпуклости от параметров межпланетной среды (скорости, южной компоненты ММП и азимутальной компоненты электрического поля) в периоды максимума и минимума солнечной активности.

2. Вывод о том, что с ростом скорости СВ максимальная широта западного электроджета во время суббурь растет, а с ростом южной компоненты ММП уменьшается, что, в частности, приводит к тому, что при больших значениях южной компоненты ММП западный электроджет не распространяется до высоких геомагнитных широт.

4. Результаты сопоставления наблюдений дуг «сияний полярной шапки» и высыпаний энергичных протонов и вывод о том, что источники дуг «сияний полярной шапки» расположены в плазменном слое магнитосферы.

Научная новизна

1) Хотя исследования влияния солнечного ветра на динамику полярных сияний во время суббури проводились и ранее, результаты диссертации существенно дополняют предыдущие исследования. Более широко исследовано влияние межпланетных параметров на характеристики авроральной выпуклости, в частности, определяется ее площадь, долготный и широтный размеры. Проведено сравнение влияния межпланетных параметров в годы минимума и максимума солнечной активности.

2) В диссертации изучение движения по широте западного электроджета проводилось детальным способом: рассматривалось влияние межпланетных параметров не только на максимальную широту, которой достигает электроджет во время суббури, но и на его начальную широту, на динамику «центра» электроджета (положения максимального тока в нем) и полярного края электроджета. Впервые найдено отличие влияния межпланетных параметров на положения полярной кромки сияний и «центра» электроджета, показано различное влияние скорости СВ и южной компоненты ММП на положение «центра» электроджета.

3) Предположение о взаимосвязи широты полярной кромки сияний и положения области пересоединения в хвосте магнитосферы подтверждено с использованием экспериментальных данных.

4) Для доказательства предположения о происхождении сияний полярной шапки из плазменного слоя магнитосферы впервые использованы наблюдения энергичных (>30 кэВ) протонов, измеряемых на низкоорбитальных спутниках.

Практическая ценность работы

Проблематика солнечно-земных связей представляет и практический интерес, обобщаемый понятием «космическая погода». Сфера обитания современного человека постепенно расширяется, включая в себя^ и околоземный космос. Проявления солнечной активности, воздействуя на магнитосферу Земли, приводят к увеличению радиационного воздействия на спутники и космонавтов, нарушениям в системах космической связи и навигации, наводкам в системах электроснабжения, воздействует на климат и здоровье людей. Знание динамики магнитосферы и механизмов ее взаимодействия с солнечным ветром и ММП позволит проводить прогноз космической погоды и принимать необходимые защитные меры.

Реализация работы

Результаты исследований вошли в ряд научных отчетов Полярного геофизического института КНЦ РАН, в отчеты по грантам INTAS, в отчет по научной программе Отделения физических наук РАН №16 «Солнечный ветер: генерация и взаимодействие с Землей и планетами».

Апробация

Результаты исследований, представленных в диссертации, докладывались на конференциях: на международной конференции молодых ученых и специалистов «Геофизика-99» (Санкт-Петербург, Россия, 1999); International Conference on Substorms-5 (Санкт-Петербург, Россия, 2000); международной конференции «Проблемы геокосмоса» (Санкт-Петербург, 2000, 2002, 2004); European Geophysical Society (Nice, France, 2001, 2002); на ежегодных всероссийских семинарах, проводимых в ПГИ (Апатиты, Россия, 1999, 2001-2004); на конференции стран СНГ и Прибалтики «Актуальные проблемы физики солнечной и звездной активности» (Нижний Новгород, Россия, 2003).

Личный вклад автора

Диссертант принимала непосредственное участие во всех этапах представленных в данной работе исследований, включая постановку задачи, отбор и обработку экспериментального материала, анализ данных измерений на спутниках Polar, Wind, IMP-8, GEOTAIL, NOAA и TIROS, анализ данных наземных магнитометров и данных камеры всего неба станции Восток, а также интерпретации полученных результатов. Все изложенные в диссертации результаты получены автором самостоятельно или на равных правах с соавторами.

Благодарности

Публикации

По теме диссертации опубликовано три статьи в научных рецензируемых журналах и шесть статей в сборниках трудов научных конференций.

Структура и объем работы

Заключение диссертации по теме "Физика Солнца"

Основные результаты диссертации:

1. Показано, что с ростом южной компоненты межпланетного магнитного поля, скорости солнечного ветра и азимутальной компоненты электрического поля широтный размер и площадь суббуревой авроральной выпуклости возрастают. Отличием суббурь периода максимума и минимума солнечной активности является то* что широта начала суббури и, соответственно, максимальная широта суббури в год максимума меньше, чем в год минимума.

2. Показано, что рост скорости солнечного ветра приводит к повышению максимальной широты «центра» электроджета. В то же время, с увеличением южной компоненты межпланетного магнитного поля и азимутальной компоненты электрического поля максимальная широта «центра» электроджета понижается.

3. Показано, что существует прямая зависимость между широтой полярной кромки сияний во время суббури и расстоянием от Земли до области обращения потоков (области пересоединения). Сделан вывод о сопряженности области пересоединения в хвосте магнитосферы с полярной кромкой авроральной выпуклости.

4. Показано, что дуги ; сияний полярной шапки (ориентированные на Солнце дуги в приполюсных областях) «погружены» в область высыпаний энергичных (Е>30 кэВ) протонов. Сделан вывод о том, что область генерации дуг сияний полярной шапки расположена в плазменном слое магнитосферы, на замкнутых силовых линиях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Список источников диссертации и автореферата по астрономии, кандидата физико-математических наук, Дэспирак, Ирина Вадимовна, Санкт-Петербург

1. Акасофу С.-И. Полярные и магнитосферные суббури. М.: Мир, 1971, 316 с.

2. Воробьев В.Г., B.JI. Зверев. Влияние скорости солнечного ветра на положение и структуру сияний в полуночном секторе. Геомагнетизм и аэрономия, Т. 22, № 1, С. 81-84, 1982.

3. Дмитриева Н.П., А.Г. Яхнин, Т.В. Мирошникова, И.В. Дэспирак. Высыпания энергичных протонов в высоких широтах: зависимость от межпланетного магнитного поля. Космические исследования, Т. 37, № 3, С. 1-9, 1999.

4. Зверев В.Л., Г.В. Старков, Я.И. Фельдштейн. Влияние Bz-компоненты ММП на динамику полярных сияний в ночном секторе во время авроральной суббури. Полярные сияния и свечение ночного неба, М.: Наука, № 28, С. 5-10, 1981.

5. Зверев В.Л. Связь высокоширотных дуг сияний с областями вторжения частиц в утреннем секторе. Геомагнетизм и аэрономия, Т. 40, № 4, С. 463-466,2000.

6. Исаев С.И., М.И. Пудовкин. Полярные сияния и процессы в магнитосфере Земли. Д.: Наука, 1972,244 с.

7. Корнилова Т.А., М.И. Пудовкин, Г.В. Старков.^ Тонкая структура сияний вблизи полярной границы авроральной выпуклости в фазу брейкапа. Геомагнетизм и аэрономия, Т. 30, № 2, С. 250-256, 1990.

8. Котиков A.JL, В.А. Корниенко, М. Кош. Особенности динамики аврорального электроджета в условиях воздействия на полярную ионосферу нагревного передатчика. Геомагнетизм и аэрономия, Т. 41, №3, С. 355-362, 2001.

9. Лазутин JI.JL. Структура авроральной магнитосферы и взрывные процессы магнитосферной суббури. С. 145-192. В монографии: Физика околоземного космического пространства, Апатиты, КНЦ РАН, 2000, 706 с.

10. Петрукович А.А. Динамика и структура магнитного хвоста Земли в зависимости от межпланетного магнитного поля. Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук, Москва, 2003.

11. Пудовкин М.И., В.П. Козелов, JI.JI. Лазутин, О.А. Трошичев, А.Д. Чертков. Физические основы прогнозирования магнитосферных возмущений. М.: Наука, 1977,312 с.

12. Пудовкин М.И., М.А. Шухтина, Д.И. Понявин, С.А. Зайцева. Влияние параметров солнечного ветра на геомагнитную активность. Геомагнитные исследования, М.: Наука, № 27, С. 69-77, 1980.

13. Сергеев В.А., А.Г. Яхнин. Соответствие признаков взрывной фазысуббури. Геомагнитные исследования. М.*. Сов. радио, Вып. 24, С.78-89, 1979а.

14. Сергеев: В.А., А.Г. Яхнин. Возможный механизм образования сияний в полярной шапке. Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: Наука, Вып. 47, С. 49-57, 19796.

15. Сергеев В.А., А.Г. Яхнин, Н.П. Дмитриева. Суббури в полярной шапке -эффект высокоскоростных потоков солнечного ветра. Геомагнетизм и аэрономия, Т. 19, № 6, С. 1121-1122,1979.

16. Сергеев В.А., А.Г. Яхнин, Э. Хоунз. О изменениях тока плазменного слоя во время суббурь по данным спутника IMP-8. Космические исследования, Т.20, С. 636-639, 1982.

17. Старков Г.В., Я.И. Фельдштейн. Полоса сияний в период МГСС. Геомагнетизм и аэрономия, Т. 7, № 4, С. 744-745, 1967.

18. Старков Г.В., Я.И. Фельдштейн. Суббури в полярных сияниях. Геомагнетизм и аэрономия, Т. 11, С. 560-562, 1971.

19. Фельдштейн Я.И., Ю.И. Гальперин. Структура авроральных вторжений в ночном секторе магнитосферы. Космические исследования, Т. 34, №3, С. 227-247, 1996.

20. Яхнин А.Г., В.А. Сергеев. Частота появления сияний в полярной шапке и ориентация вектора ММП. Геомагнетизм и аэрономия, Т. 19, № 3, С. 566-567, 1979.

21. Яхнин А.Г., В.А. Сергеев, И.Б. Иевенко и др. Характеристики явлений, сопровождающих локальные вспышки дуг сияний. Магнитосферные исследования, №5, С. 93-110, 1984.

22. Behannon K.W. Geometry of the geomagnetic tail. J. Geophys. Res., V. 75, P. 743-753, 1970.

23. Borodkova N.L., A.G. Yahnin, K. Liou, J.-A. Sauvaud, A.O. Fedorov, V.N. Lutsenko, M.N. Nozdrachev, A.A. Lyubchich. Plasma sheet fast flows and auroral dynamics during substorm: A case study. Ann. Geophys., V. 20, P. 341-347,2002.

24. Burke W.J., D.A. Hardy, F.J. Rich, M.S. Gussenhoven, M.C. Kelley. Electric and magnetic field characteristics of discrete arcs in the polar cap. J. Geophys. Res., V. 37, P. 2431-2443, 1982.

25. Burlaga L.F., K.W. Ogilvie. Solar wind temperature and speed. J. Geophys. Res., V. 78, No. 13, P. 2028-2034,1973.

26. Caan M.N., R.L. McPherron, C.T. Russell. The statistical magnetic signatures of magnetospheric substorms. Planet. Space Sci., V. 26, P. 269-279; 1978.

27. Christon S.P., D.G. Mitchell, D.J. Williams, L.A. Frank, C.Y. Huang, Т.Е. Eastman. Energy spectra of plasma sheet ions and electrons from 50 eV/e to about 1 MeV during plasma sheet temperature transitions. J. Geophys. Res., V. 93, P. 2562- 2572, 1988.

28. Christon S.P., D.J. Williams, D.G. Mitchell, L.A. Frank, C.Y. Huang. Spectral characteristics of plasma sheet ion and electron populations during undisturbed geomagnetic conditions, J. Geophys. Res., V. 94, P. 13409-13424, 1989.

29. Davis T.N. The morphology of polar aurora. J. Geophys. Res., V. 65, P. 34973500,1960.

30. Davis T.N. The morphology of the auroral displays of 1957-1958,2, Detail analyses of Alaska data and analyses of high-latitude data. J. Geophys. Res., V. 67, P. 75-110,1962.

31. Denholm J.V., F.R. Bond. Orientation of polar auroras. Aust. J. Phys., V. 14, P. 193-198, 1961.

32. Eliasson L., R. Lundin, J.S. Murphree. Polar cap arcs observed by the Viking satellite. Geophys. Res. Lett., V. 14, P. 451-454, 1987.

33. Fairfield D.H., N.F. Ness. Configuration of the geomagnetic tail during substorms. J. Geophys. Res., V. 75, P. 7032-7047, 1970.

34. Fairfield D.H., J.D. Scudder. Polar rain Solar coronal electrons in the Earth's magnetosphere. J. Geophys. Res., V. 90, No. 5, P. 4055-4068, 1985.

35. Feldmari W.C., J.R. Asbridge, S.J. Ваше, M.D. Montgomery, S.P. Gary. Solar wind electrons. J. Geophys. Res., V. 80, No. 31, P. 4181-4196, 1975.

36. Forbes T.G., E.W. Hones, SJ. Ваше, J.R. Asbridge. Substorm-related plasma sheet motion as determined from differential timing of plasma changes at the ISEE satellites. J. Geophys. Res., V. 86, No. A6, P. 3459-3469, 1981.

37. Frank L.A., J.D. Craven, D.A. Gurnett, S.D. Shawhan, J.L. Burch, J.D. Winningham, C.R. Chappell, J.H. Waite, N.C. Maynard, M. Sugiura. The theta aurora. J. Geophys. Res., V. 91, P. 3177-3224, 1986.

38. Galeev A.A. Reconnection in the magnetotail. Space Science Reviews, V. 23, P. 411-425, 1979.

39. Garret H.B., A.I. Dessler, T.W. Hill. Influence of solar wind variability on geomagnetic activity. J. Geophys. Res., V. 79, P. 4603-4610, 1974.

40. Gerard J.-C., B. Hubert, A. Grard, M. Meurant. Solar wind control of auroral substorm onset locations observed with the IMAGE-FUV; imagers. J. Geophys. Res., V. 109, A03208, doi: 10.1029/2003JA010129, 2004.

41. Gleisner H., H. Lundstedt. Response of the auroral electrojets to the solar wind modeled with neural networks. J. Geophys. Res., V. 102, No. A7, P. 1426914278, 1997.

42. Gupta J.C., E.I. Loomer. Influence on AE index of substorms appearing north of Cambridge Bay. Planet. Space Sci., V. 27, P. 1019-1025, 1979.

43. Gusev M.G., O.A. Troshichev. Hook-shaped arcs in dayside polar cap and their relation of the IMF. Planet. Space Sci., V. 34, P. 489-496, 1986.

44. Gussenhoven M.S. Extremely high latitude auroras. J. Geophys. Res., V. 87, P. 2401-2412, 1982.

45. Gussenhoven M. S., D.A. Hardy, N. Heinemann, R.K. Burkhardt. Morphology of the polar rain. J. Geophys. Res., V. 89. No. 11, P. 9785-9800, 1984.

46. Gussenhoven M.S., D.A. Hardy, F.J. Rich, E.G. Mullen, R.H. Redus. Evidence that polar cap arcs occur on open field lines. Journal of Geomagnetism and . , Geoelectricity, V. 42, No. 6, P. 737-751, 1990.

47. Hardy D.A., W.J. Burke, M.S. Gussenhoven. DMSP optical and electron measurements in the vicinity of polar cap arcs. J. Geophys. Res., V. 87, P. 2413-2430,1982.

48. Hones E.W. Observations in the Earth's magnetotail relating to magnetic merging. Sol. Phys., V. 47, P. 101-113, 1976.

49. Hones E.W. Transient phenomena in the magnetotail and their relation to substorms. Space Science Reviews, V. 23, P. 393-410, 1979.

50. Hones E;. W. Magnetic reconnection in space and laboratory plasmas, American Geophys. Union, Washington, D.C., P. 386-398, 1984.

51. Jacquey С., J.-A. Sauvaud, J, Dandouras, A. Korth. Tailward propagating cross-tail current disruption and dynamics of near-Earth tail: A multi-point measurement analysis. Geophys. Res. Lett., V. 20, P. 983-986, 1993.

52. Kokubun S., T. Yamamoto, M.H. Acuna, K. Hayashi, K. Shiokawa, H. Kawano. The Geotail Magnetic Field Experiment. Journal of Geomagnetism and Geoelectricity, V. 46, No. 1, P. 7-21, 1994.

53. Kokubun S., L.A. Frank, K. Hayashi, Y. Kamide, R.P. Lepping, T. Mukai, R.

54. Science Reviews, V. 110, P. 227-277, 2004. • Meng Ci-I. Electron precipitations and polar auroras. Space Science Reviews, V. 22. P. 223-300,1978. Meng СМ. Polar cap arcs and plasma sheet. Geophys. Res. Lett., IV. 8, P. 273276, 1981.

55. Geophys. Res., V. 98, P. 81-88, 1993.i 1

56. Mukai Т., S. Machida, Y. Saito, M. Hirahara, T. Terasawa, N. Kaya, T. Obara, M. Ejiri, A. Nishida. The low energy particle (LEP) experiment Onboard the

57. Geotail satellite. Journal of Geomagnetism and Geoelectricity, V. 46, No. 8, P. 669-692, 1994.

58. Nishida A., N. Nagayama. Magnetic field observations in: low-latitudemagnetotail during substorms. Planet. Space Sci., V. 23, P. 1119^1128, 1975.

59. Nishida i A., T. Mukai, T. Yamamoto, Y. Saito, S. Kokubun.; Magnetotail i 1 convection in geomagnetically active times. 1. Distance to the neutral lines.

60. Journal of Geomagnetism and Geoelectricity, V. 48, Nos. 5,6* P. 489-501,1996.

61. Papitashvili V.O., C.R. Clauer, F. Christiansen, Y. Kamide, V.G. Petrov, O.

62. Rasmussen, J.F. Watermann. Near-conjugate magnetic substorms at very high . ' i ' latitudes observed by Greenland and Antarctic ground magnetometers and0rsted satellite. Sixth International Conference on Substorms, Ed. R. M.

63. Winglee, Univ. of Washington Seattle, ISBN 0-9711740-3-2, P. 110-114,2002.:

64. Pudovkin M.I., V.S. Semenov, G.V. Starkov, T.A. Kornilova. On separation of the potential and vortex parts of the magnetotail electric field. Planet. Space Sci., V. 39, No. 4, P. 563-568, 1991.

65. Sergeev V.A., A.G. Yahnin. The features of auroral bulge expansion. Planet.

66. Sergeev V.A. Polar cap and cusp boundaries at day and night. Journal of Geomagnetism and Geoelectricity, V. 42, P. 683-695, 1990.

67. Slavin J.A., E.J. Smith, D.G. Sibeck, D.N. Baker, R.D. Zwickl, S.-I. Akasofu. An ISEE 3 study of average and substorm conditions in the distant magnetotail. J. Geophys. Res., V. 90, No. Al 1, P. 10875-10895, 1985.

68. Slavin JiA. Traveling compressions regions. P. 225-240, In.: New perspectives on thd earth's magnetotail, AGU, 1998.

69. Traver lip., D.G. Mitchell, D.J. Williams, L.A. Frank, C.Y. Huang. Two i ' encounters with the flank Low-Latitude Boundary Layer Further evidence forclosed field topology and investigation of the internal structure. J. Geophys.

70. Res., V. 96, No. 12, P. 21025-21035, 1991.

71. Troshichev O.A., M.G. Gusev, S.V. Nikolashkin, V.P. Samsonov. Features of the polar cap aurorae in the southern polar cap, Planet. Space Sci., V. 36, P. 429-439, 1988.

72. Troshichev O.A., M.G. Gusev. IMF Bx and By dependence of the polar cap auroral distribution for northward IMF orientation inferred from observationsat Vostok station. J. Atmos. Terr. Phys., V. 56, No. 2, P. 237-244,1994.

73. Troshichev O.A., S. Kokubun, Y. Kamide, T. Mukai, T. Yamamoto. Fast earthward plasma flows observed in the mid/distant tail i under quiet conditions: relation to substorms. Geophys. Res. Lett., V. 26, No. 6, P. 643646,1999. i

74. Tsyganenko N.A. Magnetospheric magnetic field model with a warped tail current sheet. Planet. Space Sci., V. 37, P. 5-20, 1989.

75. Tsyganenko N.A., T. Mukai. Tail plasma sheet models derived from Geotail particle data. J. Geophys. Res., V. 108, No. 3, P. 1136-1147,2003.

76. Vorobjev V.G., O.I. Yagodkina, G.V. Starkov, Ya.I. Feldstein. A substorm in midnight auroral precipitation. Ann. Geophys., V. 21, P. 2271-2280, 2003.

77. Weatherwax A.T., T.J. Rosenberg, C.G. Maclennan, J.H. Doolittle. Substorm• j 1precipitation in the polar cap and associated Pc 5 modulation. Geophys. Res.i '1.tt., V. 24, No. 5, P. 579-582,1997. ;

78. Yahnin i A.G., V.A. Sergeev. Simultaneous satellite and ground-based observations of polar cap aurora. Advances in Space Research, |V. 18, No. 8, P. 111-114, 1996.

79. Zwickl R.D., D.N. Baker, S.J. Bame, W.C. Feldman, J.T. Gosling! E.W. Hones (Jr.), D.J. McComas, B.T. Tsurutani, J.A. Slavin. Evolution of the earth's distant magnetotail ISEE 3 electron plasma results. J. Geophys. Res., V. 89, P. 11007-11012, 1984.