Пограничные слои магнитосферы Земли тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.03 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

ПОГРАНИЧНЫЕ СЛОИ МАГНИТОСФЕРЫ ЗЕМЛИ

01.03.03 — гелиофизика и физика солнечной системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

на правах рукописи УДК 550.385.41

РТБ ОД

1 '.5 п;п ■

Федоров Андрей Олегович

Москва 2000г.

1 -I

Работа выполнена в Институте космических исследований РАН

Официальные оппоненты

доктор физико-математических наук КУЗНЕЦОВ С. Н. (НИИЯФ МГУ),

доктор физико-математических наук ФРАНК А.Г.(ФИАН ) И О РАН

Ведущая организация

Институт физики Земли РАН

ЗО

Защита диссертации состоится -¿Г " 2000г.' ' на

заседании специализированного Ученого совета Д 002.83.02 Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН. Адрес: 142092, г. Троицк, Московской области, ИЗМИРАН

Автореферат разослан " и

Ученый секретарь Диссертационного Совета

кандидат физико-математических наук Е.А. ЕРОШЕНКО

С

» г

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Наличие в магнитосфере Земли пограничных слоев, примыкающих к магнитопаузе, является наиболее существенным подтверждением того общепринятого факта, что магнитопауза не является полностью непрозрачной границей для солнечного ветра. Материя импульс и энергия поступают в магнитосферу из межпланетной среды вследствие процессов, происходящих на >/. чг штопаузе. Конкретные физические механизмы образования высокоширотных и низкоширотных пограничных слоев магнитосферы Земли не до конца ясны и в настоящее время. Соответственно, неясным остается один из основных вопросов солнечно-земной физики — вопрос о переходе части энергии солнечного ветра в геомагнитосферу. С шестидесятых годов по настоящее время дискутируется вопрос о том, какой из двух механизмов — пересоединение земного и межпланетного магнитных полей или псевдовязкое взаимодействие с диффузией частиц через магнитопаузу, — является преобладающим при образовании высокоширотных и низкоширотных пограничных слоев. Первый из механизмов (пересоединение) всегда рассматривался как наиболее вероятный процесс, ответственный за проникновение плазмы солнечного ветра через магнитопаузу. При этом конкретная реализация этого механизма, его пространственные и временные масштабы неизвестны и существующие экспериментальные данные не позволяют дать однозначный ответ на этот вопрос. Полностью открытым остается вопрос о принципиальной связи высокоширотного и низкоширотного пограничных слоев. Неясно, являются ли они следствием одного физического процесса, или формируются абсолютно независимо. Препятствием для прогресса в этой области является отсутствие адекватных экспериментальных данных и методов их анализа. Запуск спутника ИНТЕРБОЛ-1 позволил существенно улучшить положение с экспериментальной базой изучения высокоширотных и низкоширотных пограничных слоев магнитосферы. На каждой орбите этот космический аппарат пересекает магнитопаузу в районе внешнего каспа и в районе

экватора. Постоянно работающие спектрометры ионов и электронов и магнитометр дают уникальную возможность комплексного изучения пограничных слоев при различных условиях в межпланетной среде. Систематические измерения такого качества и объема не были получены до сих пор в космических экспериментах. К настоящему времени накоплены данные за 5 лет непрерывной работы. В данной диссертации используются измерения, полученные в 1995 - 1998 годах.

Диссертационная работа посвящена анализу данных, полученных со спутника ИНТЕРБОЛ-1, для выяснения физических механизмов проникновения плазмы солнечного ветра в магнитосферу Земли. С этой целью была построена методика обработки экспериментальной информации, включающая анализ функций распределения ионов и электронов в области взаимодействия солнечного ветра и магнитосферы, а также модель эволюции вращательного разрыва на магнитопаузе в случае пространственно-ограниченного пересоединения, принятого в качестве рабочей гипотезы для исследования проблемы.

Основной целью работы являлся анализ плазменных образований, наблюдаемых в пограничных слоях магнитосферы Земли для того, чтобы подтвердить или опровергнуть основную рабочую гипотезу, состоящую в том, что основным поставщиком плазмы солнечного ветра внутрь магнитосферы является процесс пересоединения. При этом решались следующие задачи:

• Исследование вопроса о динамике функции распределения ионов, наблюдаемых под высокоширотной и низкоширотной магнитопаузой. Получение экспериментальных свидетельств того, что такое поведение ионов плазмы возможно только при прохождении вращательного разрыва на магнитопаузе.

• Исследование вопроса о положении области пересоединения при разных направлениях межпланетного магнитого поля и о возможных размерах этой области путем анализа пересечений магнитопаузы в высоких и низких широтах.

• Создание модели, описывающей положение области пересоединения,

топологию вращательных разрывов на магнитопаузе и топологию плазменных образований под магнитопаузой.

• Экспериментальная проверка гипотезы об ограниченном пересоединении на антипараллельных магнитных полях путем статистического анализа высокоширотных пересечений магнитопаузы.

• Статистический анализ плазменных образ тя ний, наблюдаемых в низкоширотном пограничном слое. Сравнение экспериментальных данных с модельными предсказаниями.

• Экспериментальная проверка возможности описать высокоширотый и низкоширотный пограничные слои в рамках единой модели.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые для изучения плазмы пограничных слоев был применен массовый анализ трехмерных функций распределения ионов как в высоширотной, так и в низкоширотной частях магнитосферы.

2. Впервые была сформулирована гипотеза о пространствет/)-ограниченном спорадическом пересоединении, как источнике высокоширотного и низкоширотного пограничных слоев.

3. Впервые была создана модель, описывающая топологию вращательного разрыва и топологию плазменных образований для произвольной ориентации межпланетного магнитного поля и параметров солнечного ветра, основанная на сформулированной гипотезе.

4. Впервые был предложен метод статистического анализа плазменных образований как в высокоширотном, так и низкоширотном пограничных слоях, основанный на построении специальной "естественной" системы координат, не зависящей от условий в межпланетной среде и основанной на топологии магнитопаузы, предсказанной моделью.

-65. Впервые эспериментальным путем было показано единое происхождение высокоширотного и низкоширотного пограничных слоев магнитосферы.

Научная и практическая значимость

Созданная для анализа динамики плазмы в пограничных слоях магнитосферы база экспериментальных данных проекта ИНТЕРБОЛ имеет самостоятельнее значение как для дальнейшего исследования пограничных слоев магнитосферы, так и для широкого круга магнитосферных задач. То же можно сказать и о развитых методах анализа функций распределения. • Построенная модель топологии области пересоединения и вращательных разрывов может использоваться для численного анализа процессов, происходящих на магнитопаузе Земли. Предложенная модель возникновения пограничных слоев может продвинуть вперед понимание физики магнитосферы.

Апробация

Материалы диссертации докладывались на:

• Генеральных ассамблеях Европейского Геофизического общества, Ницца, Франция, 1998 г., Гаага, Нидерланды, 1999 г., Ницца, Франция, 2000 г.

• Генеральной ассамблее IAGA, Уппсала, Швеция, 1997 г.

• 32-й ассамблее COSPAR, Япония, 1998

• конференциях Американского Геофизического Союза (AGU) Fall meeting 1997, Spring meeting 1998, Fall meeting 1998.

• научных семинарах отдела физики космической плазмы ИКИ РАН

• научных семинарах Института геофизики и физики планет Калифорнийского универси+ета в Лос-Анжелосе, США.

Пр теме диссертации опубликовано 5 статей в научных журналах.

Стуктура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав и заключения. Общий объем диссертации 89 страниц, включая 36 рисунков и 63 библиографических ссылки.

Основкыс результаты, выносимые на защиту:

1. Анализ плазменных образований, наблюдаемых в районе внешнего каспа и в низкоширотном пограничном слое при разных условиях в межпланетной среде, показывает, что:

• Магнитосфера частично открыта практически при любых направлениях межпланетного магнитного поля. Характерные свойства плазмы, наблюдаемые как в гысокоширотном пограничном слое, так и на низких широтах, являются следствием затекания плазмы переходной области через вращательный разрыв на магнитопаузе и ее дальнейшей конвекции. Образование вращательного разрыва на магнитопаузе связано с процессом пересоединения. Диффузионные процессы не играют решающей роли в данном случае.

• Наблюдаемая динамика функции распределения ионов зависит от положения точки пересоединения, направления конвекции, от взаимного направления внешнего и внутреннего магнитных полей и от скорости обтекающего потока магнитослоя в точке затекания частиц в магнитосферу.

® Положение области пересоединения на магнитопаузе чувствительно к направлению межпланетного магнитного поля. Область пересоединения пространственно ограничена и при значительной величине Ву составляющей межпланетного магнитного поля находится на высокой широте в зоне внешнего каспа.

2. Статистический анализ высокоширотных пересечений магнитопаузы, показывает, что в данном случае реализуется модель пространственно ограниченного пересоединения, возникающего на антипараллельных полях.

3. Статистический анализ появления различных характерных типов плазменных образований в низкоширотном пограничном слое показывает:

• Наблюдение плазменных образований разных типов жестко связано с направлением межпланетного магнитного поля.

• Топология разных типов низкоширотного пограничного слоя находится в согласии с моделью ограниченного в пространстве спорадического пересоединения на антипараллельных полях.

4. Наиболее вероятным источником высокоширотного и низкоширотного пограничных слоев магнитосферы является пространственно ограниченное спорадическое пересоединьние, возникающее в области, в которой магнитное поле переходной области и геомагнитное поле'образуют угол, больший 160°. При этом пограничный слой образуется в результате конвекции сложной пространственной системы пересоединенных силовых линий и слабо конвектирующей системы многократно пересоединенных магнитосферных силовых линий.

Содержание диссертации

Во введении обосновывается актуальность темы исследований, дается обзор истории и современного состояния проблемы формирования высокоширотного и низкоширотного пограничных слоев и проблемы пересоединения как в общефизическом смысле, так и в применении к физике магнитопаузы. Далее во введении указываются цели настоящей работы и излагается краткое содержание диссертации.

В первой главе содержится описание научных экспериментов на борту высокоапогейного спутника ИНТЕРБО/1-1. Спутник был запущен 3-го августа 1995 года .на эллиптическую орбиту с апогеем около 200 ООО км и наклонением 65°. Период обращения космического аппарата составляет около 4 суток. Такая орбита позволяла спутнику пересекать область внешнего каспа (высокоширотный пограничный слой) в течение 3-х весенних месяцев года и позволяла наблюдать низкоширотный пограничный слой в широком диапазоне местного времени в течение полугода.

В диссертации использовались данные, полученные со следующих приборов, входящих в состав бортового научного комплекса:

• Плазменный спектрометр КОРАЛЛ регистрирует ионы в диапазоне энергий 30 - 24 ООО эВ/заряд. Весь энергетический диапазон разбит на 32 ступеньки, расставленные равномерно в логарифмической шкале. Время набора на одной ступеньке составляет 1/1024 от периода оборота спутника, т.е. 113 мсек. Полный спектр набирается за З.б сек. За время оборота спутника снимается 32 спектра. Прибор имеет ножевую диаграмму направленности 5° х 120°, разделенную на 5 секторов, по 24° каждый. То есть, за оборот спутника 120 сек) снимается почти полная трехмерная функция распределения ионов, за исключением двух "слепых" 30-градусных конусов в солнечном и антисолнечном направлениях. Геометрический фактор одного углового сектора прибора равен 2.1 • Ю-3 см2 срад с динамическим диапазоном скорости счета более 4 порядков.

• Спектрометр электронов ЭЛЕКТРОН измеряет за оборот спутника трехмерное распределение электронов в энергетическом диапазоне 10 - 26 000 эВ. ЭЛЕКТРОН представляет собой современный "top-hat" сферический электростатический анализатор с хорошим угловым (22.5°х11.5°), временным (З.б сек/спектр) и энергетическим разрешением (12%).

• В диссертации использованы данные о магнитном поле, полученные с магнитометров МИФ и ФМ-3 с временным разрешением не хуже 4 Гц.

Далее в первой главе подробно описана методика обработки данных измерений. Для комплексной работы с данными, полученными в проекте ИНТЕРБОЛ, была создана универсальная система хранения, доступа, обработки и изображения данных. Она была построена как сетевая база данных с возможностью многоуровневого доступа (в частности, через Web-интерфейс), обладающая гибкими возможностями одновременной обработки и представления больших объемов данных с разных приборов и космических аппаратов. Кроме "сырых" данных ИНТЕРБОЛа в систему были положены необходимые для работы вспомо! ательные данные (баллистические данные, данные об ориентации, данные о параметрах

межпланетной среды по измерениям космического аппарата WIND, Dst индекс и т.п.) Эта система широко используется специалистами, анализирующими данные проекта ИНТЕРБОЛ, как универсальное средство работы с информацией. Практически все физическая обработка данных происходила в рамках упомянутой системы. Эта обработка включала в себя восстановление трех-мерной функции распределения ионов в произвольных системах координат, включая нормальную к магнитопаузе систему координат и систему, связанную с магнитным полем и переносной скоростью плазмы. Кроме того, вычислялись гидродинамические параметры потока ионов. В диссертационной работе активно использовались магнитосферные модели, адаптированные к использованию совместно с базой данных. Это модель магнитосферного поля Цыганенко-9б, модель магнитопаузы Шу (Shue et а!., 1997), газодинамичекая модель переходной области Спрайтера-Стахары.

Во второй главе подробно рассматрива.тся несколько случаев пересечения спутником ИНТЕРБОЛ-1. области внешнего каспа при разных условиях в межпланетной среде. Все пересечения приходились на область, лежащую к северу от воронки каспа. Наиболее характерный случай был зафиксирован 24 апреля 1996г. Он описан и проанализирован в разделе 2.2. Межпланетное магнитное поле в данном случае было стабильно и лежало под углом 45° к эклиптике в плоскости YZ. При этом космический аппарат зафиксировал развитый пограничный слой (толщиной 0.3 радиуса Земли) с концентрацией ионов практически равной концентрации плазмы переходной области. Питч-угловое распределение высокоэнергичНых частиц в пограничном слое около магнитопаузы, структура и динамика функции распределения ионов в пограничном слое показывают, что магнитопауза в районе измерений представляла собой вращательный разрыв. В разделе 2.3 описывается ожидаемая трансформация функции распределения на магнитопаузе и показывается замечательное согласие теории с экспериментом. Образование вращательного разрыва на магнитопаузе является следствием процесса пересоединения, локализованного вне точки измерения. Тот факт, что 1) флуктуации магнитного поля незначительны, 2) концентрация плазмы

-11в пограничном слое почти равна концентрации в переходной области, 3) функция распределения ионов трансформируется практически без изменения температуры и в соответствии с моделью трансформации на вращательном разрыве, показывает, что диффузионные процессы не могут играть сколь-либо существенной роли в данном случае. Мощная конвекция плазмы с утра на вечер является косвенным указанием на то, что пересоединение могло возникнуть в высоких широтах на утреннем фланге магнитосферы.

В разделе 2.4 рассмотрены еще два случая пересечения спутником высокоширотного пограничного слоя. В первом случае ( 20 марта 1998г. ) наглядно показано, как при незначительном изменении направления межпланетного поля полностью меняется наблюдаемая функция распределения ионов. При быстропеременном межпланетном магнитном поле этот эффект приводит к хаотизации пограничного слоя, хотя по сути он будет оставаться следствием наложения кратковременных регулярных процессов. Далее приводится пример интенсивного потока ионов пограничного слоя, направленного вдоль магнитного поля (к Земле), при практически северном направлении межпланетного магнитного поля. Такое поведение плазмы косвенно указывает на то, что область пересоединения может быть расположена к северу от космического аппарата на силовых линиях полярной шапки. Приведенные факты показывают, что 1) высокоширотный пограничный слой может быть описан в рамках модели пересоединения и открытой магнитосферы; 2) есть определенные указания на то, что пересоединение локализовано на том участке магнитопаузы, где внешнее и магнитосферное магнитные поля антипараллельны.

На основании этой гипотезы была построена модель магнитопаузы, описываемая в разделе 2.5. Эта модель представляет собой комбинацию модели, магнитосферного поля Цыганенко-9б, приведенного к форме магнитопаузы по модели Шу и газодинамической модели переходной области Спрайтера-Стахары. По последней модели вычислялась скорость обтекающего потока и направление магнитного поля вблизи магнитопаузы. В качестве входных данных для модели брались данные

космического аппарата WIND. В модели определялась ожидаемая область пересоединения, как район, в котором угол между магнитным полем переходной области и полем в магнитосфере был больше 160°. Модель предсказывает положение двух полос вращательного разрыва, уходящих от области пересоединения в хвост магнитосферы. Показано, что описанные в разделах 2.2 и 2.3 случаи не противоречат этой модели.

В третьей главе разбираются случаи наблюдения низкоширотного пограничного слоя, даетс>. систематизация типов плазменных образований в пограничном слое и приводится статистика появления разных типов пограничного слоя при разных условиях в межпланетной среде. В разделе 3.1 подробно разбирается случай пересечения магнитопаузы в районе экватора на вечернем фланге 15 февраля 1996 г. Вектор межпланетного магнитного поля лежал вблизи плоскости эклиптики. Поведение магнитного поля на магнитопаузе характерно для тангенциального разрыва, но динамика функции распределения в пограничном слое показывает, что плазма затекла в магнитосферу через вращательный разрыв и распределилась по изогнутой силовой линии, один из концов которой уходит в переходную область и конвектирует в хвост магнитосферы. Это служит доказательсвом того, что в данном случае низкоширотный пограничный слой возник в результате пространственно-ограниченного пересоединения, локализованного, в высоких широтах. Применение модели магнитопаузы, описанной в разделе 2.5, показывает хорошее согласие экспериментальных данных с предсказанием модели.

В разделе 3.2 приводится типизация плазменных образований, наблюдаемых в низкоширотном пограничном слое. Приводятся 4 характерных типа пограничного слоя. 1) Пограничный слой на открытых силовых линиях. 2) Спорадические всплески ионных и электронных потоков, перемежаемые участками плазмы характерной для плазменного слоя. 3) Регулярный низкоширотный пограничный слой с двунаправленными потоками электронов вдоль замкнутых силовых линий магнитного поля и с одновременным присутствием высокоэнергичной и низкоэнергичной ионных компонент. 4) Внутренний пограничный

слой с превалированием высокоэнергичных ионов. При этом на фоне высокоэнергичных магнитосферных электронов видны двунаправленные иизкоэнергичные электроны.

В разделе 3.3 статистически обобщены все наблюдаемые типы низкоширотного пограничного слоя при спокойных магнитосферных условиях для разные направлений межпланетного магнитного поля. Из статистических распределений следует, что появление пограничного слоя на открытых силовых линиях и регулярного пограничного слоя (3) зависит от компоненты Ву межпланетного магнитного поля. При этом появление внутреннего пограничного слдд (4) никак не связано с условиями в межпланетной среде. Объяснение этому статистическому результату дается в главе 4.

В четвертом главе приводится статистический анализ низкоширотных и высокоширотных пограничных слоев, сделанный в специальных координатных системах, основанных на модели магнитопаузы, описанной в разделе 2.5. В разделе 4.1 описываются условия, по которым отбирались события для статистического анализа. В эти условия входили: наличие всех необходимых данных; спокойные условия в межпланетной среде; невозмущенная магнитосфера. Всего было обработано 53 случая пересечения высокоширотной магнитопаузы и 24 случая пересечения низкоширотной магнитопаузы.

В разделе 4.2 приводится методика и результаты статистического анализа пересечений высокоширотного пограничного слоя. Методика основана на построении специальной системы кординат, не зависящей от условий в межпланетной среде. За основу такой системы координат бралась модель магнитопаузы, описанная в разделе 2.5. Одна из координатных осей определялась положением на магнитопаузе полосы вращательного разрыва, проходящей через полярные области магнитосферы. Координата точки пересечения магнитопаузы вычислялась как расстояние между полосой и точкой пересечения. Вторая координата точки пересечения вычислялась как время, необходимое магнитной силовой трубке для переноса потоком плазмы переходной области от точки пересоединения до точки

измерения. Все наблюдаемые в высокоширотном пограничном слое плазменные образования были разделены на 4 группы: 1) устойчивый поток плазмы, проникшей в магнитосферу, 2) спорадические всплески плазменных потоков, 3) очень тонкий пограничный слой, примыкающий к магнитопаузе, 4) отсутствие пограничного слоя. Построенные в описанной системе координат случаи пересечения высокоширотой магнитопаузы дали вполне регулярную картину распределения плазменных образований по отношению к области пересоединения и к вращательному разрыву, предсказанным моделью. Тем самым была доказана адекватность модели пространственно-ограниченного пересоединения на антипараллельных полях с образованием локальных полос вращательного разрыва как источника высокоширотного пограничного слоя.

В разделе 4.3 приводится методика статистического анализа низкоширотного пограничного слоя и приводятся его результаты. Методика анализа была основана на том, что при любых параметрах межпланетной среды разработанная модель позволяет разбить магнитопаузу на характерные зоны. Как то: а) силовые линии, проходящие через область пересоединения; б) открытые силовые линии, уходящие в переходную область через полосу вращательного разрыва, отходящую от области пересоединения к экватору; г) открытые силовые линии, уходящие к вращательному разрыву, идущему, через полярные области магнитопаузы; д) закрытые силовые линии, не имеющие связи с межпланетным магнитным полем. В каждый конкретный момент времени границы этих областей предсказываются моделью. Каждое конкретное наблюдение (или отсутствие наблюдения) низкоширотного пограничного слоя привязывалось к топологической зоне магнитопаузы и к типу наблюдаемого плазменного образования. Обнаружилось, что регулярный низкоширотный пограничный слой сосредоточен на дневной границе зоны (а). Спорадические всплески (3) распределены равномерно по зоне (а) и плазма на открытых силовых линиях наблюдается в зонах (б) и (г). При этом пограничный слой отсутствует на замкнутых силовых линиях, не проходящих через область пересоединения (зона

(д)), а внутренний пограничный слой (4) распределен равномерно по магнитопаузе и не зависит от расположения характерных зон.

Из анализа получившейся картины были сделаны следующие выводы: 1) за образование пограничного слоя ответственен тот же самый механизм ограниченного пересоединения на антипараллельных полях, что и в случае высокоширотного пограничного слоя; 2) пересоединение носит спорадический "точечный" характер, что приводит к образованию дважды пересоединенных замкнутых силовых л1.-" й в области (а) с регулярным пограничным слоем и к спорадическим всплескам плазмы на передней (дневной) границе этой области; 3) знутренний пограничный слой не показывает зависимости от локализации области пересоединения. Возможно, он является следствием эволюции регулярного пограничного слоя, возникшего в этом (или близком) месте при другой ориентации межпланетного магнитного поля.

В заключении диссертации сформулированы основные выводы работы, приведенные в начале автореферата в разделе "Положения, выносимые на защиту".

Личный вклад

Автор диссертационной работы разрабатывал и калибровал несколько плазменных приборов для проекта ИНТЕРБОЛ, в частности, прибор КОРАЛЛ, данные которого легли в основу настоящей диссертации. Автором создана универсальная база данных для работы с данными проекта и написаны все программы физической обработки данных. Автору принадлежат все основные идеи работ, легших в основу диссертации; им выполнен анализ данных и сформулированы его результаты.

Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих статьях:

1. Будник Е., Федоров А., Сандал И., Первые результаты работы масс-спектрометра ПРОМИКС-3 в проекте ИНТЕРБОЛ, Космич. Исслед., 36, с. 73, 1998.

2. A.Fedorov, E.Budnik, E.Dubinin, P.Song, J.-A.Sauvaud, Plasma charac-

teristics near exterior cusp under different orientation of interplanetary magnetic field, Czeh. J. Phys., 49, p.711, 1999.

3. А.Григорьев, А.Федоров, Е.Будник, Н.Николаева, Магнитосферное поле в районе внешнего каспа. Сравнение измерений спутника ИНТЕРБОЛ-1 и модели Т-96, Космич. Исслед., 37, с.631, 1999.

4. A.Fedorov, E.Dubinin, P.Song, E.Budnik, J.-A.Sauvaud, Plasma characteristics of hig!. altitude cusp for steady southward-dawnward IMF, Adv. Space Res., 25, p.1435, 2000.

5. A.Fedorov, E.Dubinin, P.Song, E.Budnik, P.Larson, J.-A.Sauvaud, Characteristics of the exterior cusp for steady southward IMF: Interball observations, J. Geophys. Res., 105, A7, p.15945, 2000

Введение

Глава 1. Проект ИНТЕРБОЛ и методика обработки данных.

1.1 Общее описание проекта ИНТЕРБОЛ.

1.2 Научная аппаратура

1.3 Методика обработки данных.

1.4 Использованные модели

Глава 2. Динамика плазмы в высокоширотном пограничном слое

2.1 Общее описание высокоширотных пересечений магнитопаузы

2.2 Анализ пересечения магнитопаузы 24-го апреля 1996 года.

2.3 Пограничный слой в модели открытых конвектирующих силовых линий

2.4 Высокоширотный пограничный слой при разных ориентациях межпланетного магнитного поля. Положение области пресоединения

2.5 Модель пространственно ограниченного пресоединения в области антипараллельных полей

Глава 3. Динамика плазмы во фланговом низкоширотном пограничном слое

3.1 Пересечение магнитопаузы 15 февраля 1996 г.

3.2 Эволюция функции распределения в низкоширотном пограничном слое

3.3 Классификация плазменных образований, наблюдаемых в низкоширотном пограничном слое

3.4 Статистический анализ наблюдений низкоширотного пограничного слоя разных типов.

Глава 4. Статистический анализ топологии пограничных слоев

4.1 Отбор событий для статистического анализа

4.2 Методика статистического анализа высокоширотного потраничного слоя.

4.3 Статистический анализ высокоширотных пересечений.

4.4 Методика статистического анализа низкоширотного пограничного слоя

4.5 Результаты статистического анализа наблюдений низкоширотного пограничного слоя

Хотя в 1882 году лорд Кельвин, возражая Биркеланду [1], заявил, что нет абсолютно никакой связи между магнитными бурями и полярными сияниями на Земле и процессами, происходящими на Солнце, в данном случае знаменитый физик был неправ. Уже к 30-м годам нашего века модель геомагнитной бури Чапмена и Ферраро [2], предполагающая, что с геомагнитным диполем взаимодействует облако ионизированного газа, испущенное Солнцем, стала общепринятой. После экспериментального открытия солнечного ветра [3], теоретически предсказанного Паркером [4] в конце 50-х годов, не осталось сомнений, что именно этот быстрый поток протонной плазмы поставляет энергию, необходимую для генерации полярных сияний и геомагнитных возмущений. Вопрос, в какой-то мере не решенный до сих пор, состоит в конкретном механизме передачи энергии от солнечного ветра к магнитосфере. В исходной модели Чапмена - Ферраро [2] магнитопауза — граница между солнечным ветром и пространством, заполненным геомагнитным полем, — непроницаема для частиц. Таким образом, закачка энергии может быть, в лучшем случае, за счет вариаций динамического давления солнечного ветра. Но наблюдения заряженных частиц в зоне полярного каспа и в низкоширотном пограничном слое показали, что это не так.

Последовательно несколько областей, топологически связанных с магнитопаузой и заполненных предположительно плазмой солнечного ветра, были отождествлены в нескольких космических экспериментах в конце 70-х годов. На рисунке 1, заимствованном из работы [5], показана современная классификация пограничных слоев. Это:

• Плазменная мантия, впервые описанная Розенбауером [6] как поток относительно низкоэнергичной плазмы, наблюдаемой в высоких широтах и распространяющейся от Земли в хвост магнитосферы.

• Слой затекания, описанный Пашманом и Херендалом по данным спутника НЕ08-2 [7] как турбулентный поток плазмы в дневной высокоширотной магнитосфере, расположенный к экватору от внешнего каспа.

Рис. 1: Схематический вид магнитопаузы с различными пограничными слоями

• Собственно внешний касп рассматривается некоторыми авторами [8], [9] как самостоятельный пограничный слой в виде области с относительно холодной застойной плазмой и малой величиной магнитного поля.

• И последний вид пограничного слоя — так называемый низкоширотный пограничный слой, который наблюдается практически постоянно в районе экваториальной магнитопузы на всех локальных временах. Наблюдения такого слоя были впервые описаны Истманом [10]. Важнейшей характеристикой низкоширотного пограничного слоя является более или менее существенная конвекция его в хвост магнитосферы.

Не существует окончательного общепринятого определения понятия "пограничный слой магнитосферы". Само выражение относится более к специфическому расположению этих областей, чем к каким - либо физическим процессам их образования, которые могут быть совершенно различны в разных областях. Лундин [5] предложил следующее феноменологическое определение пограничных слоев: Пограничный слой суть область магнитосферы, непосредственно примыкающая к магнитопаузе и заполненная плазмой, характерной для магнитослоя и движущейся от Солнца в сторону хвоста магнитосферы. В этом определении неявно заложено основное более или менее общепринятое свойство магнитосферных пограничных слоев. Так как основное их наполнение — это плазма солнечного ветра, сохраняющая часть своего первоначального импульса, то пограничные слои и есть основные поставщики импульса и энергии от солнечного ветра в магнитосферу.

С топологической и феноменологической точки зрения можно разделить все вышеперечисленные пограничные слои на высокоширотный пограничный слой ( это слой затекания, внешний касп и мантия ) и низкоширотный пограничный слой. Традиционно высокоширотный пограничный слой рассматривается как слой заторможенной плазмы солнечного ветра, находящийся на конвектирующих с дневной стороны на ночную сторону через полярный касп открытых силовых линиях геомагнитного поля. Такой подход восходит к очень простой иллюстративной модели Данжи [11], предложенной в 1961 году. В силу фундаментальной роли, которую сыграла эта модель в развитии физики магнитосферы, рассмотрим ее чуть подробнее. На рисунке 2, воспроизведенном из [11], показана магнитосфера Земли в плоскости меридиана полдень-полночь с силовыми линиями, примыкающими к магнитопаузе. Предполагается, что межпланетное магнитное поле, вмороженное в солнечный ветер, имеет южное направление (т.е. антипараллельное к направлению геомагнитного поля в подсолнечной точке). В точке, где антипараллельные поля смыкаются, происходит процесс, называемый пересоединением, ведущий к тому, что силовые линии геомагнитного поля размыкаются и замыкаются на линии межпланетного поля. Таким образом, линии геомагнитного поля становятся "открытыми" в межпланетную среду. Открытые линии конвектируют вместе с солнечным ветром в хвост магнитосферы, вытягиваются и перезамыкаются вновь.

Популярность такой модели объясняется тем, что она может в общих чертах объяснить затекание плазмы солнечного ветра в область каспа как проникновение частиц вдоль открытых силовых линий (возможно с ускорением в области пересоединения) и образование мантии как конвекцию в хвост

Рис. 2: Открытая модель магнитосферы Данжи магнитосферы этих же заряженных частиц, но отраженных от зеркальной точки в глубине магнитосферы [12]. Открытые силовые линии, пройдя через касп, конвектируют далее и становятся линиями долей хвоста. Отраженные частицы двигаются вдоль этих линий, причем низкоэнергичные частицы будут наблюдаться дальше от магнитопаузы вглубь магнитосферы [6]. Процесс пересоединения и проникновения плазмы будет рассмотрен подробнее ниже во введении и во второй главе данной работы.

Изложенная выше простая модель многократно подвергалась сомнению как в результате анализа глобальной структуры магнитосферы, выполненным Хеиккелой [13], так и на основе экспериментальных данных. Так Херендел на основе данных спутника НЕ08-2 [14] показал, что слой затекания, расположенный к экватору от полярного каспа, образуется не в результате пересоединения в экваториальной части магнитопаузы, а в результате турбулентной диффузии. В этой работе, а также в статье [7], было показано, что плазма в слое затекания имеет скорость меньшую, чем скорость солнечного ветра и структура этого потока беспорядочна. Такое поведение противоречит предсказанному моделью стационарного пересоединения на экваторе ускоренному потоку плазмы в этой области [15]. Из этого факта авторы сделали два вывода:

1. Пересоединение не возникает как квазистационарный процесс на низкоширотной магнитопаузе.

2. Наблюдаемый пограничный слой не является простым следствием затекания плазмы через открытые силовые линии.

Таким образом, авторам пришлось привлекать новый физический механизм (турбулентную диффузию) для объяснения наличия плазмы в этой области. Следует отметить, что Херендел не отверг полностью пересоединение, но предложил его как спорадический процесс, происходящий на турбулизованной магнитопаузе в районе каспа, для объяснения существования низкоширотного пограничного слоя (см. ниже).

Недавно, на основе измерений на спутнике ИНТЕРБОЛ-1, вышеизложенная точка зрения была подтверждена Савиным [16]. Он предложил термин "турбулентный пограничный слой" для характеристики всей области, примыкающей к внешнему каспу. Этот термин должен отразить основное свойство этой области (возмущенность) и предложить механизм формирования пограничного слоя (турбулентная диффузия). Измерения высыпающихся в касп частиц, выполненные на средневысотном спутнике VIKING, привели Ямаучи к довольно экзотической модели [17], предсказывающей наличие волны уплотнения к полюсу от каспа, которая может быть источником частиц, проникающих в магнитосферу на высоких широтах.

Таким образом, можно выделить два подхода к механизму образования высокоширотного пограничного слоя магнитосферы:

1. Пересоединение с последующей конвекцией открытых силовых линий через касп в хвост магнитосферы. Пограничный слой образуется в результате затекания плазмы солнечного ветра вдоль открытых силовых линий.

2. Гидродинамическое обтекание магнитосферы солнечным ветром, в том числе и воронкообразного углубления в области внешнего каспа.

Пограничный слой образуется в результате турбулизации потока в области касповой воронки и, соответственно, возникновения диффузии. Пересоединение не играет существенной роли.

Первый подход остается весьма привлекательным для исследователей. Для более подробного описания его возможностей приведем некоторые детали идеи пересоединения. Предположение о вмороженности магнитного поля в плазму, в основном, справедливо для плазмы переходной области, обтекающей магнитопаузу, особенно, если брать во внимание только крупные масштабы, много большие, чем средний гирорадиус ионов солнечного ветра. В идеальном случае магнитопауза должна быть непроницаемым для частиц и магнитного поля тангенциальным разрывом. Но, если мы предположим наличие какого-либо диссипативного процесса хотя бы в одной точке на магнитопаузе и, соответственно, наличие омического сопротивления, электрическое поле, параллельное току, протекающему в разрыве, мгновенно приведет к конвекции силовых линий в сторону к разрыву и изменению топологии поля в данной точке [18]. Стандартно рассматривается двумерная картина пересоединения, показанная на рисунке 3. Здесь предполагается, что зона нарушения вмороженности имеет бесконечную протяженность в направлении, перпендикулярном плоскости рисунка и, соответственно, сингулярность представляет собой линию (так называемую Х-линию, по топологии поля). Решение задачи было предложено Свитом и Паркером [19] и, позднее, Петчеком [20]. В решении Петчека существуют четыре медленные ударные волны, расходящиеся из диффузной зоны, на которых происходит изменение направления магнитного поля и ускорение плазмы. Заметим, что условия с двух сторон токового слоя одинаковы, и не существует перетекания плазмы с одной стороны разрыва на другую. Хейн [21] указал, что, так как альфвеновские волны распространяются быстрее медленной моды, то в реальности разрывы, стационарно расходящиеся от Х-линии, будут альфвеновскими вращательными разрывами.

Реальные условия на магнитопаузе, однако, далеко не симметричные. С одной стороны разрыва находится замагниченная плазма солнечного ветра,

Рис. 3: Конфигурация силовых линий и потоков плазмы в модели пересоединения Петчека а с другой — практически лишенное плазмы магнитное поле. Каули [22] показал, что в данном случае из-за большой разницы альфвеновских скоростей в плазме переходной области и внутри магнитосферы (порядка 6-и раз), основной поворот магнитного поля будет происходить на внешнем разрыве, распространяющемся в плазме переходной области. Именно он будет фиксироваться как магнитопауза в измерениях. Одновременно было указано, что баланс давлений требует, чтобы в системе координат, связанной с движущимся вдоль этого вращательного разрыва изломом силовой линии магнитного поля (т.е. в системе координат деХофмана-Теллера, в которой отсутствует электрическое поле), плазма двигалась вдоль магнитного поля с локальной альфвеновской скоростью к разрыву и от разрыва. То есть, в изотропной плазме в системе деХофмана-Теллера должно выполняться условие V = ±УдЬ, известное как соотношение Валена [23]. Здесь V - скорость плазмы, Уа - альфвеновская скорость и Ь - единичный вектор в направлении поля. Отсюда Каули [22] сделал вывод, что сразу под магнитопаузой, превращенной во вращательный разрыв пересоединением, должен существовать пограничный слой (имеющий нижнюю границу на втором, внутреннем, разрыве), состоящий из затекшей через разрыв плазмы солнечного ветра. Скорость этой плазмы должна определяться соотношением Валена.

Исходное представление [25] о том, что пересоединение должно возникать на дневной экваториальной магнитопаузе (в силу малой скорости движения плазмы солнечного ветра около застойной точки) и при южном направлении межпланетного магнитного поля было подвергнуто сомнению в работе Каули [24]. Он предложил простую модель, показывающую, как будут конвектировать силовые трубки после пересоединения в любой точке дневной магнитопаузы и при любой ориентации межпланетного магнитного поля. Эта модель будет подробно изложена в главе 2 применительно к результатам проекта ИНТЕРБОЛ. Как альтернатива экваториальному пересоединению Крукер в [26] предложила помещать пересоединение в точку, где магнитное поле обтекающего потока и магнитосферное поле антипараллельны. Таким образом, к настоящему времени сложились две различные модели пересоединения (точнее два представления об условиях, необходимых для его возникновения). Это пересоединение на антипараллельных полях и, так называемое, компонентное пересоединение, которое может возникнуть на экваториальной дневной магнитопаузе при любых направлениях межпланетного магнитного поля, кроме точно северного. Обе модели имеют экспериментальные свидетельства. Так, Гослинг в [27] на основе 17-и пересечений дневной магнитопаузы показал, что независимо от величины компоненты By межпланетного магнитного поля, поток плазмы в пограничном слое свидетельствует о пересоединении (выполняется соотношение Валена) и о том, что это пересоединение произошло в экваториальной плоскости. Однако, в следующем году тот же автор [29] обнаружил потоки плазмы от пересоединения в высокоширотной области, подтверждающие идею о пересоединении на антипараллельных полях. Онзагер и Фюзелье в работах [34] и [31] по данным спутника АМРТЕ/ССЕ показали, что при северном направлении межпланентного поля пересоединение возникает на высокоширотной магнитопаузе рядом с каспом, то есть подтвердили гипотезу о пересоединении на антипараллельных полях. Но, на основе последних данных спутника POLAR, Шандлер и тот же Фюзелье в работе [32] сделали противоположный вывод о реализации компонентной модели пересоединения. Вопрос о наиболее вероятном месте возникновения пересоединения будет обсуждаться во 2-й и 4-й главах данной работы.

S1 Е1 11

E2 S2

Magnetoshea .particles fjai uv p

S1

Рис. 4: Иллюстрация кинетического подхода к взаимопроникновению плазмы солнечного ветра и магнитосферной плазмы через вращательный разрыв в зоне пересоединения.

На основе веры в гидродинамическую модель пересоединения и, соответственно, в проникновение плазмы из переходной области через вращательный разрыв в пограничный слой была предпринята попытка применить кинетический подход к уже имеющейся магнитогидродинамической модели. Качественная схема этого, достаточно волюнтаристического подхода, заимствованная из [28], показана на рис. 4

В данном подходе, развитом Фюзелье в [33], предполагается что:

• В данной конфигурации магнитного поля (в системе деХофмана-Теллера) может быть использован одночастичный подход для описания движения

• Заряженная частица отражается от точки излома силовой линии с сохранением питч-угла.

• Частицы солнечного ветра могут отразиться от точки излома назад в * переходную область или дальше в магнитосферу. частиц.

• Частицы магнитосферного поисхождения (плазменного слоя или кольцевого тока) могут отразиться назад в магнитосферу или выйти в переходную область.

Изложенный выше подход получил большую популярность и позволил многим авторам объяснить детали функции распределения в пограничном слое ([35], [34], [27]). Кроме того, эта модель показала замечательное согласие с экспериментом, когда она была применена в работах [36], [37], [38] [39] для объяснения характерных свойств ионов, высыпающихся в нижнем каспе. Для этого были учтены все время-пролетные эффекты в конвектирующих в хвост силовых линиях полярного каспа. Кинетический подход будет широко применяться в данной работе и будет в деталях описан во второй главе.

Низкоширотный пограничный слой исторически отделялся от высокоширотного пограничного слоя как по свойствам, так и по возможным механизмам образования. Первые измерения низкоширотного пограничного слоя восходят к началу семидесятых годов, когда Хонес [40] сообщил об обнаружении слоя плазмы переходной области под низкоширотной магнитопаузой. Хотя низкоширотный пограничный слой был обнаружен сначала в хвостовой части магнитосферы, в настоящее время понятно, что он простирается от подсолнечной точки до далекого хвоста. Известные свойства низкоширотного пограничного слоя могут быть сведены к следующему:

• Низкоширотный пограничный слой, в основном, наполнен плазмой переходной области и плазмой магнитосферы ([41]). Временами там наблюдается холодная ионосферная компонента ([42], [43]).

• Внутри пограничного слоя плазма движется в хвост магнитосферы со скоростью меньшей, чем скорость плазмы в обтекающем потоке солнечного ветра в данной области магнитопаузы ([44]). Но Фуджимото в работе [45] показал, что внутренняя часть пограничного слоя может двигаться даже к Солнцу.

• Низкоширотный пограничный слой распространяется далеко в хвост по фланговой магнитопаузе ([13], [46]).

• Существуют указания на то, что толщина низкоширотного пограничного слоя увеличивается с увеличением расстояния от подсолнечной точки [14] и с поворотом межпланетного магнитного поля на север [47]. Описан случай регистрации стабильного пограничного слоя, наблюдаемого в течение 5-и часов [48]. Соответствующая толщина пограничного слоя в этом случае была 5 радиусов Земли.

• Низкоширотный пограничный слой наблюдается как на открытых (пересоединенных) [33], [28], так и на закрытых геомагнитных силовых линиях [44], [49], [50].

• Структура низкоширотного пограничного слоя чрезвычайно чувствительна к направлению межпланетного магнитного поля и к параметрам солнечного ветра.

• Поверхность низкоширотной магнитопаузы испытывает значительные возмущения за счет вариаций потока плазмы в переходной области [51] и за счет нестабильности Кельвина-Гельмгольца [52].

Для объяснения происхождения низкоширотного пограничного слоя было предложено великое множество механизмов. Все предложенные физические процессы могут быть разбиты на 3 группы:

1. Пересоединение. Этот процесс, возможно ответственный за возникновение высокоширотного пограничного слоя, так же может привести к появлению низкоширотного пограничного слоя на открытых силовых линиях [28], [53] и на закрытых магнитосферных силовых линиях [49]. При этом процесс вторжения плазмы может быть как стационарным, так и спорадическим. Этому процессу будет уделено основное внимание в третьей и четвертой главах настоящей диссертации.

2. Диффузия. Этот процесс был предложен для объяснения долгоживущего пограничного слоя в условиях предполагаемого отсутствия пересоединения при малом угле между межпланетным магнитным и магнитосферным полями в данном районе магнитопаузы [54].

3. Возмущение магнитопаузы. Эта группа процессов включает нестабильность Кельвина-Гельмгольца [52], импульсное вторжение плазмы [55] и турбулентный взаимобмен плазмой [56]. Все эти модели предполагают, что поверхностные возмущения магнитопаузы могут привести к значительному вторжению плазмы переходной области в магнитосферу.

Вышесказанное позволяет сформулировать вопросы, остающиеся неясными и активно дискутируемые в настоящее время:

1. Какой конкретный физический механизм определяет передачу массы и импульса из солнечного ветра в высокоширотный пограничный слой? Является ли этот механизм пересоединением или это какое-либо псевдовязкое взаимодействие, приводящее к диффузии частиц через магнитопаузу?

2. Если механизм пересоединения работает, то возникает ли оно в районе экваториальной подсолнечной магнитопаузы (модель компонентного пересоединения) или там, где внешнее и магнитосферное магнитные поля близки к антипараллельности?

3. Существует ли стационарное пересоединение с протяженной Х-линией или пересоединение носит чисто спорадический и пространственно ограниченный характер?

4. Существует ли связь между низкоширотным пограничным слоем и высокоширотным пограничным слоем, образованным в результате пересоединения?

Исходя из этих достаточно общих вопросов, можно сформулировать задачи данной работы следующим образом:

• Исследование вопроса о динамике функции распределения ионов, наблюдаемых под высокоширотной и низкоширотной магнитопаузой. Получение экспериментальных свидетельств того, что такое поведение ионов плазмы возможно только при прохождении вращательного разрыва на магнитопаузе.

• Исследование вопроса о положении области пересоединения при разных направлениях межпланетного магнитого поля и о возможных размерах этой области путем анализа пересечений магнитопаузы в высоких и низких широтах.

• Создание модели, описывающей положение области пересоединения, топологию вращательных разрывов на магнитопаузе и топологию плазменных образований под магнитопаузой.

• Экспериментальная проверка гипотезы об ограниченном пересоединении на антипараллельных полях путем статистического анализа высокоширотных пересечений магнитопаузы.

• Статистический анализ плазменных образований, наблюдаемых в низкоширотном пограничном слое. Сравнение экспериментальных данных с модельными предсказаниями.

• Экспериментальная проверка возможности описать высокоширотый и низкоширотный пограничные слои в рамках единой модели.

Все указанные задачи решались на основе данных, полученных с высокоапогейного спутника ИНТЕРБОЛ-1, краткое описание которого приводится в главе 1.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Во введении дается обзор современного состояния проблемы пограничных слоев магнитосферы, формулируются вопросы, остающиеся открытыми по сей день, и формулируются задачи, решаемые в данной работе. В первой главе описывается проект ИНТЕРБОЛ, спутник ИНТЕРБОЛ-1 и измерительные приборы, данные которых использовались в диссертационной работе. Далее в этой главе описываются методы обработки данных, в частности, методы получения гидродинамических параметров ионного потока и методы восстановления функции распределения ионов.

Заключение

Данная диссертационная работа была выполнена автором в Институте космических исследований Российской Академии Наук в 1996 - 2000 гг. Исследования, легшие в основу диссертационной работы, показали следующие результаты:

1. Анализ плазменных образований, наблюдаемых в районе внешнего каспа и в низкоширотном пограничном слое при разных условиях в межпланетной среде, показывает, что:

• Магнитосфера частично открыта практически при любых направлениях межпланетного магнитного поля. Характерные свойства плазмы, наблюдаемые как в высокоширотном пограничном слое, так и на низких широтах, являются следствием затекания плазмы переходной области через вращательный разрыв на магнитопаузе и ее дальнейшей конвекции. Образование вращательного разрыва на магнитопаузе связано с процессом пересоединения. Диффузионные процессы не играют решающей роли в данном случае.

• Наблюдаемая динамика функции распределения ионов зависит от положения точки пересоединения, направления конвекции, от взаимного направления внешнего и внутреннего магнитных полей и от скорости обтекающего потока магнитослоя в точке затекания частиц в магнитосферу.

• Положение области пересоединения на магнитопаузе чувствительно к направлению межпланетного магнитного поля. Область пересоединения пространственно ограничена и при значительной величине Ву составляющей межпланетного магнитного поля находится на высокой широте в зоне внешнего каспа.

2. Статистический анализ высокоширотных пересечений магнитопаузы, показывает, что в данном случае реализуется модель пространственно ограниченного пересоединения, возникающего на антипараллельных полях.

3. Статистический анализ появления различных характерных типов плазменных образований в низкоширотном пограничном слое показывает:

• Наблюдение плазменных образований разных типов жестко связано с направлением межпланетного магнитного поля.

• Топология разных типов низкоширотного пограничного слоя находится в согласии с моделью ограниченного в пространстве спорадического пересоединения на антипараллельных полях.

4. Наиболее вероятным источником высокоширотного и низкоширотного пограничных слоев магнитосферы является пространственно ограниченное спорадическое пересоединение, возникающее в области, в которой магнитное поле переходной области и геомагнитное поле образуют угол, больший 160°. При этом пограничный слой образуется в результате конвекции сложной пространственной системы пересоединенных силовых линий и слабо конвектирующей системы многократно пересоединенных магнитосферных силовых линий.

Автор выражает глубокую благодарность Елене Будник за неоценимую помощь, оказанную в работе над диссертацией. Кроме того автор выражает благодарность Ю.И. Гальперину за советы и плодотворные дискуссии и Г.Н. Застенкеру за всемерную помощь. Оба они взяли на себя труд просмотреть черновики диссертации и дать полезные советы. Автор выражает признательность Э. Дубинину за важные дискуссии и помощь в написании двух основных работ, легших в основу данной диссертации. Автор благодарит Л.М.Зеленого за постоянное внимание к работе и Л.А. Эаиуаис! за постоянную поддержку.

1. Brekke,A., and A. Egeland. The Northen Light., Springer-Verlag, Berlin, 1980.

2. Chapman, S., V.c.A. Ferratro, A new theory of magnetic storms, Terr. Magn., 36, p. 77, 1931.

3. Parker, E.N., Dynamics of the interplanetary gas and magnetic fields, Astro-phys. J. 128, p.664, 1958.

4. Lundin, R., On the magnetospheric boundary layer and solar wind energy transfer into the magnetosphere. Space Sc. Rev., 48, p. 263, 1988.

5. Rosenbauer H., H. Grunwald, M. D. Montgomery, G. Paschmann, and N. Sck-opke, Heos-2 plasma observations in the distant polar magnetosphere: The plasma mantle, J. Geophys. Res., 80, 2723, 1975.

6. Paschmann, G., G. Haerendel, N. Sckopke, H. Rosenbauer and P. G. Hedgecock, Plasma and magnetic field characteristics of the distant polar cusp near local noon: The entry layer, J. Geophys. Res.,81, 2883, 1976.

7. Hansen, A.M., A. Bahnsen, and N. DAngelo,J. Geophys. Res., 81, 556, 1976

8. Scopke, N., Magnetospheric Boundary Layers, ESA, SP-148, 37, Paris, 1979

9. Characteristics of the magnetospheric boundary layer and magnetopause layer as observed by IMP 6, J. Geophys. Res., 84, 2019, 1979

10. Dungey, J.W., Interplanetary magnetic field and the auroral zones, Phys. Rev. Lett, 6, 47, 1961

11. Hill, T.W., Rev. Geophys. SpacePhys. 12, 379, 1974

12. Heikkila, W.J., Magnetic reconnection, merging, and viscous interaction in the magnetosphere, Space Science Rev., 53, 1, 1990.

13. Haerendel, G., G. Paschmann, N. Sckopke, H. Rosenbauer and P. G. Hedge-cock, The frontside boundary layer of the magnetosphere and the problem of reconnection, J. Geophys. Res., 83, 3195-3216, 1978.

14. Levy et al., 1964 (Prom Haerendel-78 article)

15. M. Yamauchi, R. Lundin, and T. A. Potemra: J. Geophys. Res. 100 (1995) 7661.

16. Alfven, H., Some properties of magnetospheric neutral surfaces, J. Geophys. Res., 73, 4379, 1968

17. Parker, E.N., Sweet's mechanism for merging magnetic field in conducting fluids, J. Geophys. Res., 62, 509, 1957.

18. Petschek, H.E., Magnetic field anihilation, in AAS-NASA Simposium on the Physics of Solar Flares, NASA Spec. PubL, SP-50, 425-439, 1964

19. Heyn, M.F., H.K. Biernat, R.P. Rijnbeek, and V.S.Semenov, The structure of reconnection layers, J.Plasma Phys., 40, 235, 1988

20. Cowley, S. W. H., The causes of convection in the Earth's magnetosphere: A review of development during IMS, Rev. Geophys., 20, 531, 1982.

21. Walen, C., On the theory of sunspots, Ark. Mat. Astron. Fys., 30A, 15, 1944

22. Cowley, S.W.H. and C.J. Owen, A simple illustrative model of open flux tube motion over dayside magnetopause, Planet. Space Sci., v.37, 11, 1461, 1989

23. Sonnerup, B.U.O., The reconnecting magnetosphere, in iMagnetospheric Physics, ed. B.M.McCormac, p. 23, D.Reidel Publ., Holland, 1974

24. Crooker N.U., Dayside merging and cusp geometry, J. Geophys.Rs., 84, 951, 1979

25. Gosling, J.T., M.F. Thomsen, S.J.Bame., R.C. Elphic, and C.T. Russell, Plasma flow reversals at the dayside magnetopause and the origin of the asymétrie polar cap convection, J. Geophys. Res., 95, 8073, 1990

26. Gosling, J.T., M.F. Thiomsen, S.J.Bame., T.G. Onzager, and C.T. Russell, The electron edge of the low latitude boundary layer during accelerated flow events, Geophys. Res. Lett., 17, 1983, 1990

27. Gosling, J.T., M.F. Thomsen, S.J.Bame.,R.C. Elphic , and C.T. Russell, Observation of reconenction of interplanetary and lobe magnetic field lines at the high latitude magnetopause, J. Geophys. Res., 96, 14097, 1991.

28. Fuselier S.A., B.J. Anderson, T.G. Onsager, Particle signatures of magnetic topology at the magnetopause: AMPTE/CCE observations. J. Geophys. Res., 100, 11805, 1995

29. Onsager, T.G., S.A. Fuselier, The location of magnetopause reconnection for northward and southward interplanetary magnetic field, in Solar System Plasmas in Space and Time, editors J.L. Burch and J.H. Waite, Jr., Geophysucal Monograph 84, AGU, 1994

30. Shandler M.O., S.A. Fuselier, M. Lokwood, and T.E. Moore, Evidence of component merging equatorward of the cusp, J. Geophys. Res., 104, 22623, 1999

31. Fuselier, S. A., B. J. Anderson and T. G. Onsager, Particle signatures of magnetic topology at the magnetopause: AMPTE/CCE observations,/. Geophys. Res., 100, 11805- 11821, 1995.

32. Fuselier, S. A., Kinetic aspects of reconnection at the magnetopause, in Physics of the Magnetopause, Geophysical Monograph 90, AGU, 1995.

33. Smith, M.F., and D.J. Rodgers, Ion distribution at dayside magnetopause, J. Geophys. Res., 95, 11617, 1991

34. M. Lockwood and M. F. Smith, Low and middle altitude cusp particle signatures for general magnetopause reconnection rate variables, J. Geophys. Res., 99, 8531, 1994.

35. Lockwood, M., S.W.H. Cowley, T.G. Onzager, Ion acceleration at both the interior and exterior Alfven waves associated with the magnetopause reconnection site: Signatures in cusp precipitation, J. Geophys. Res., 101, 21501, 1996.

36. Onzager, T.G., S.-W. Chng, J.D.Perez, J.B. Austin, and L.X. Janoo, Low altitude observations and modelling of quasi-steady magnetosphere reconnection, J. Geophys. Res., 100, 11831, 1995.

37. Trattner, K.J., S.A. Fuselier, W.K. Peterson, J.-A. Sauvaud, H. Stenuit, N. Dubouloz, and R.A. Kovrazhkin, On spatial and temporal structures in the cusp, J. Geophys. Res., 104, 28411, 1999.

38. Hones, E.W., Jr.,J.R.Asbridge, et al., Measurements of magnetotail plasma flow made by Vela 4B, J. Geophys. Res., 77, 5503, 1972.

39. Eastman, T.E., and E.W. Hones,Jr., Characteristics of the magnetospheric boundary layer and magnetopause layer as observed by IMP 6, J. Geophys. Res., 84, 2019, 1979.

40. Peterson, W.K., E.G. Shelley, et al., Energetic ion composition in the subsolar magnetopause and boundary layer, J. Geophys. Res., 87, 2139, 1982.

41. Fuselier, S.A., D.M. Klumpar et al., Direct injection of ionospheric 0+ into the dayside low latitude boundary layer, Geophys. Res. Lett, 16, 1121, 1989

42. Williams, D.J., D.G. Mitchel, et al., Energetic particle observations in the low-latitude boundary layer, J. Geophys. Res., 90, 5097, 1985

43. Fujimoto M., T. Mukai, et al., Structure of the low-latitude boundary layer: a case study with Geotail data, J. Geophys. Res., 103, 2297, 1998

44. Fujimoto M., T.Terasawa, et al., Plasma entry from the flanks of the near-Earth, magnetotail: Geotail observations, J. Geophys. Res., 103, 4391, 1998

45. Mitchel, D.G., F. Kutchko, et al., An extended stydy of the low-latitude boundary layer on the dawn sand dusk flanks of the magnetosphere, J. Geophys. Res., 92, 7394, 1987

46. Song, P., C.T. Russell, et al., Structure and properties of the subsolar magnetopause for northward interplanetary magnetic field: multiple-instrument observations, J. Geophys. Res., 98, 11319, 1993

47. Woch, J., and R. Lundin, The low-latitude boundary layer at mid-altitudes: Identification based on Viking hot plasma data, Geophys. Res. Lett., 20, 979, 1993

48. Sibeck, D.G., R.P.Lepping, and A.J. Lazarus. Magnetic field line drapping in the plasma depletion layer, J. Geophys. Res., 95, 2433, 1990

49. Fitzenreiter R.J., and K.W. Ogilvie, Kelvin-Helmholtz instability at the magnetopause: observations, in Physics of magnetopause , edited by P. Song, B. U. O. Sonnerup, and M.F. Thomsen, 277, 1995

50. Lockwood M., and M.A. Hapgood, How the magnetopause transmition parameters works, J. Geophys. Res., 24, 373, 1997

51. Paschmann, G., W. Baumjohann, et al., Structure of the dayside magnetopause for low magnetic shear, J. Geophys. Res., 98, 13409, 1993

52. Lemaire J., Plasmoid motion across a tangential discontinuity (with application to the magnetopause), J. Plasma Physics, 33, 425, 1985

53. Book, D.L., D.G. Sibeck, Plasma transport through the magnetopause by turbulent intyerchange processes, J. Geophys. Res., 100, 9567, 1995

54. INTERBALL mission and payload, RSA-IKI-CNES, 1995

55. J.-H.Shue, J.K.Chao, H.C.Fu, C.T.Russel, P.Song, K.K.Khurana, and H.J.Singer, A new functional form to study the solar wind control of the magnetopause size and shape, J. Geophys. Res., 102, p.9497, 1997

56. N.A.Tsyganenko, Modeling of the Earth's magnetospheric magnetic field confined within a realistic magnetopause, J. Geophys. Res., 100, p.5599, 1995- 83

57. J.R.Spreiter and S.S.Stahara, A new predictive model for determing solar-wind terrestrial planet interactions, J. Geophes. Res., 85, p.6769, 1980

58. Alksne, A-Y., and D.L. Webster, Magnetic and electric fields in the magne-tosheath, Planet.Space.Sci., 18, 1203, 1970

59. Toffoletto, F.R. and T.W.Hill, A nonsingular model of the open magnetosphere, J. Geophys. Res., 98, p.1339, 1993

60. Tsyganenko, N. A., and D. P. Stern, Modeling the global magnetic field the large-scale Birkeland current systems, J. Geophys. Res., 101, 27187-27198,1996.

61. M. Lockwood, Location and characteristics of the reconnection X line deduced from low- altitude satellite and ground-based observations, J. Geophys. Res., 100, 21791, 1995

62. Fu, Z.F., L.C. Lee, and Y. Shi, A three-dimensional MHD simulation of the multiple X line reconnection process, in Physics of magnetic flux ropes, ed. by C.T. Russell, E.R. Priest, and L.C.Lee, 515, Geophysical monograph 58, AGU, Washington, D.C., 1990

63. Lee, L.C., Z.W. Ma, Z.F.Fu, and A.Otto, Topology of magnetic flux ropes and formation of fossil flux transfer events and boundary layer plasmas, J. Geophys. Res., 98, 3943, 1993