Унифицированный РС индекс: методика его расчёта и диагностика высокоширотных магнитных возмущений тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.03 ВАК РФ

САНКТ-ПЕЛЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

□ □34 <

ЯНЖУРА Александр Станиславович

УНИФИЦИРОВАННЫЙ РС ИНДЕКС: МЕТОДИКА ЕГО РАСЧЁТА И ДИАГНОСТИКА ВЫСОКОШИРОТНЫХ МАГНИТНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ

Специальность 01.03.03 - физика Солнца

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург

с.

2009

003471383

Работа выполнена в отделе геофизики Арктического и Антарктического Научно-Исследовательского Института.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор ТРОШИЧЕВ Олег Александрович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор СЕРГЕЕВ Виктор Андреевич

доктор физико-математических наук, профессор АНТОНОВА Елизавета Евгеньевна

Ведущая организация: Санкт-Петербургский филиал Института земного магнетизма и распространения радиоволн РАН, г. Санкт-Петербург.

Защита состоится " I ( " июня 2009 г. в 11 часов на заседании совета Д 212.232.35 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199034, Санкт-Петербург, Университетская набережная, д. 7/9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУ. Автореферат разослан мая 2009 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.ф.-м.н.,

Котиков АЛ.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Работа посвящена разработке индекса, характеризующего магнитную активность в северной и южной полярных шапках, обусловленную воздействием геоэффективного солнечного ветра на магнитосферу Земли. Описывается методика расчёта и результаты верификации унифицированного РС индекса, адекватно отвечающего на геоэффективные изменения солнечного ветра независимо от местоположения точки наблюдения, сезона года (зима или лето) и местного времени. Оценивается эффективность воздействия на величину РС индекса вариаций межпланетного электрического поля и импульсов динамического давления солнечного ветра. Анализируется взаимосвязь между ростом РС индекса и развитием магнитных возмущений в авроральной зоне как для изолированных магнитосферных суббурь, так и для длительных периодов высокой магнитной активности, характеризующихся мощными повторяющимися бухтообразными возмущениями.

Актуальность темы.

Солнечный ветер, взаимодействующий с магнитосферой Земли, является причиной существенных изменений параметров регулярного геомагнитного поля и ионосферы, которые, при достижении определённой интенсивности, называют магнито-ионосферными возмущениями. Магнито-ионосферные возмущения вызывают сбои или даже нарушения в работе различных спутниковых и наземных технологических систем (коммуникационные, навигационные, радиолокационные, линии электропередач, газопроводы и т.д.). т.е. критическим образом влияют на среду обитания человека. Магнито-ионосферные возмущения определяются изменениями параметров солнечного ветра, наиболее геоэффективным из которых является: межпланетное электрическое поле (МЭП), определяемое, главным образом, южной компонентой межпланетного магнитного поля (Вг ММП) и скоростью солнечного ветра При геоэффективном МЗП

происходит интенсивная накачка энергии солнечного ветра в магнитосферу, её накопление, и последующее высвобождение в виде суббурь - магнито-ионосферных возмущений, достигающих максимальной интенсивности в авроральной зоне, при этом первым сигналом о воздействии геоэффективного солнечного ветра является как раз повышение магнитной активности в полярных шапках.

Динамика развития и интенсивность магнитных возмущений обычно описывается индексами Бэ^ АЕ(АЬ/Аи), и РС. Первые два из них, Об! и АЕ (АЬ/Аи). характеризуют, интенсивность мировых магнитных бурь и интенсивность магнитных возмущений в

авроральной зоне, т.е. описывают процесс реализации энергии солнечного ветра, накопленной в магнитосфере. Третий индекс РС описывает магнитную активность в полярной шапке, и поскольку эта активность контролируется параметрами солнечного ветра (прежде всего межпланетным электрическим полем), то можно полагать, что РС индекс характеризует поступление энергии солнечного ветра в магнитосферу.

РС индекс был предложен более 20 лет назад. Первоначально рассчитывались, по данным двух околополюсных станций, северной станции Туле в Гренландии и южной станции Восток в Антарктике, 15-минутные величины РС индексов. Результаты целого ряда статистических анализов, проведённые на основе опубликованных рядов 15-минутных РС индексов, показали, что индекс может рассматриваться, как показатель текущего состояния магнитосферы.

Однако после перехода к расчёту 1-минутных РС индексов в 1999-2000гг выявились существенные расхождения между величинами РСЫ индексов, рассчитываемых в Датском метеорологическом институте (ДМИ), и РСБ индексов, рассчитываемых в Арктическом и Антарктическом научно-исследовательском институте (ААНИИ). Эти расхождения привели к несоответствию результатов схожих анализов и, соответственно, к различным физическим выводам. Расхождения касались следующих параметров, характеризующих состояние магнитосферы: частота появления отрицательных значений РС индекса в южном и северном полушарии; соотношение между предельно большими величинами РС и межпланетного электрического поля; реакция РС индекса на изменения динамического давления солнечного ветра; зависимость между РС и АЕ индексами.

Причиной расхождений между РСК и РСБ индексами оказались определённые различия в техниках расчёта РС индекса, принятых в ААНИИ и ДМИ, прежде всего при определении уровня отсчёта величины магнитных возмущения в полярных шапках. Стало очевидным, что РСМ и РСБ индексы необходимо вычислять по единой методике, чтобы устранить любое влияние техники расчёта на результаты анализа и их физическую интерпретацию. Результатом этой работы явилась унифицированная процедура расчёта РС индекса. На основании этой процедуры были рассчитаны новые ряды РСЫ и РСБ индексов, адекватно реагирующих на изменения геоэффективных параметров солнечного ветра. Как показал анализ связи между вариациями параметров солнечного ветра и величиной РС индекса, с одной стороны, и РС индексом и развитием магнитных возмущений в авроральной зоне, с другой стороны, имеются все основания для

использования РС индекса в целях диагностики и текущего прогноза состояния магнитосферы («космической погоды»).

Цель настоящей работы:

Разработка унифицированной методики расчёта РС индекса, характеризующего, по данным о магнитной активности в полярной шапке, геоэффективность солнечного ветра, независимо от точки наблюдения, местного времени и сезона года. Количественная оценка связи РС индекса с изменениями геоэффективного межпланетного электрического поля и импульсами динамического давления солнечного ветра. Анализ соотношений между поведением РС индекса и развитием магнитных возмущений в авроральной зоне и, на этой основе, определение возможностей мониторинга магнитных возмущений (суббурь) по данным о РС индексе.

На защиту выносятся следующие положения

1. Автоматизированный метод расчёта суточной вариации спокойного магнитного поля.

2. Унифицированная методика расчёта РС индекса обеспечивающая согласованные

оценки геоэффектпвности солнечного ветра по данным о магнитной активности в северной и южной полярных шапках.

3. Оценка влияния геоэффективного межпланетного электрического поля и импульсов

динамического давления солнечного ветра на величину РС индекса при различных геофизических условиях.

4. Закономерности поведения РС индекса и развития магнитных возмущений в

авроральной зоне в суббурях разного типа и интенсивности.

Научная новизна

1. Предложена унифицированная методика расчёта индекса магнитной активности РС,

обеспечивающая согласованность величин РС в северной и южной полярных шапках при взаимодействии магнитосферы с геоэффективным солнечным ветром.

2. Разработан метод автоматического, в режиме реального времени, определения

суточной вариации спокойного геомагнитного поля. Метод, являющийся основой унифицированной методики расчёта РС индекса, может быть использован для выявления спокойной суточной вариации в любых геофизических процессах.

3. Даны количественные оценки реакции РС индекса на изменение геоэффективных

параметров солнечного ветра, таких как вариация межпланетного электрического поля и импульс динамического давления солнечного ветра.

4. Показано, что увеличение магнитной активности в полярных шапках является

предвестником магнитных возмущений в авроральной зоне независимо от характера и интенсивности этих возмущений (слабые магнитные бухты, изолированные магнитосфер ных суббури, повторяющиеся пилообразные возмущения в периоды длительной и высокой магнитной активности). Показана зависимость временного интервала между началом увеличения РС и внезапным началом магнитного возмущения в авроральной зоне (длительность фазы роста) от скорости роста РС индекса.

Практическая ценность состоит в разработке унифицированного метода расчёта индекса РС, характеризующего величину магнитной активности, генерируемой в полярных шапках под воздействием геоэффективного солнечного ветра. Увеличение РС индекса, предваряющее развитие магнитных возмущений в авроральной зоне, и связь интенсивности этих возмущений от скорости роста РС индекса служат основой для диагностики и текущего прогноза состояния магнитосферы («космической погоды»). Эта задача реализуется в рамках Федеральной целевой программы «Мониторинг геофизической обстановки» (2008-2015гг).

Работа над диссертацией была поддержана

Грантом РФФИ 07-05-13570- офи_ц, 2007-2008 г.

Личный вклад автора

Автор принимал участие в выполнении исследований по теме диссертации совместно с коллегами - соавторами статей, реализации методик расчетов в среде \iatlab. Все изложенные в диссертации результаты получены автором самостоятельно или на равных правах с соавторами.

Апробация работы

Результаты исследований, представленных в работе, докладывались на следующих международных научных конференциях: IAGA & ICMA Joint Symposia, Perugia, Italy, 2007; 11th Quadrennial Solar Terrestrial Physics Symposium "Sun, Space Physics and Climate", Rio de Janeiro, Brazil, 6-10 March, 2006; 31-й ежегодный семинар «Физика авроральных явлений», Апатиты, Россия, 2008; 7-я Международная конференция «Проблемы Геокосмоса», Санкт-Петербург, Россия 2008.

Унифицированный PC индекс публикуется на сайтах Арктического и Антарктического Научно Исследовательского Института (PCS) и Датского Метеорологического Института (PCN). Электронные адреса этих сайтов:

liítp://www. aarunw. ru/clgmi/geophys/pc_main. htm

http://web.dmLdk/projects/wdccl/pcnu/pcnu.html

Публикации

По теме диссертации опубликовано восемь статей: две статьи в рецензируемых научных журналах (в качестве первого автора), а также шесть статей с участием в качестве соавтора.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы из 90 наименований, содержит 130 страниц машинописного текста, включая 47 рисунков и 3 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении аргументирована актуальность темы исследований, сформулированы цели работы, описана научная новизна полученных результатов, кратко изложено содержание работы и определена ее практическая ценность.

В первой главе в п. 1.1 кратко описаны основные планетарные индексы, применяемые для описания ионосферно-магнитосферных возмущений, прослежены этапы создания и развития PC индекса.

В п. 1.2 дано физическое обоснование PC индекса. Описываются токовые системы, ответственные за формирование электрического потенциала и магнитных возмущений в полярной шапке, обусловленных воздействием геоэфективного солнечного ветра на магнитосферу. Анализируется роль проводимости ионосферы в изменчивости магнитной активности в полярной шапке.

В параграфе 1.3 описаны основные принципы вычисления PC индекса: определение уровня отсчета для оценки магнитного возмущения, расчет оптимального направления горизонтального вектора магнитного возмущения, вычисление регрессивных коэффициентов, характеризующих линейную зависимость между магнитным возмущением в полярной шапке и геоэффективной составляющей межпланетного электрического поля.

В параграфе 1.4 рассмотрены индексы PCN и PCS, вычислявшиеся, соответственно, в Датском Метеорологическом Институте (ДМИ) и Арктическом и Антарктическом научно-исследовательском институте (ААНИИ) по магнитным данным северной и южной полярных шапок. Показано, что различия в методиках расчета, применявшихся в ДМИ и ААНИИ, привели к значительным расхождениям одноминутных значений PCN и PCS индексов, и, как следствие, к различиям в физической интерпретации полученных результатов. Стала очевидной срочная необходимость разработки унифицированной методики расчёта PC индекса, исключающей влияние различий в процедуре вычислений на получаемые результаты.

Вторая глава целиком посвящена методике расчета унифицированного PC индекса. Основной базой для разработки унифицированной методики послужили данные регулярных наблюдений вариаций магнитного поля на околополюсных станций Восток (Антарктида) и Туле (Гренландия) и непрерывные измерения параметров солнечного ветра на спутнике АСЕ.

В параграфе 2.1 дан обзор информации, поступающей со спутника АСЕ, проведено сопоставление этих данных с данными, полученными ранее с помощью спутников IMP8 и WIND. Использование спутника АСЕ имеет значительные преимущества, так как орбита данного спутника фиксирована в точке либрации L2 между

Землей и Солнцем, поэтому ряды данных о солнечном ветре, поступающем к земной магнитосфере, непрерывны, хорошо детализированы, и не содержат лакун.

Параграф 2.2 посвящен методике расчета кривой спокойного дня (КСД) для выделения регулярной составляющей вариаций магнитного поля. Показана значимость разделения регулярного хода и возмущенной составляющей магнитного поля для расчета РС индекса. Предложен автоматизированный метод расчета КСД способом параметризации магнитных вариаций. Особенностью данной методики является возможность восстановления КСД для каждого отдельного дня, даже если этот день попадает в магнитно-возмущённый период. Для оперативного анализа магнитных возмущений предложен способ экстраполяции КСД к текущему дню. Данный метод может быть использован для автоматического расчета КСД в режиме реального времени в различных научно-прикладных задачах, требующих точной оценки регулярной и возмущенной составляющих поля.

В п. 2.3 описана процедура расчета унифицированного РС индекса. Обоснована техника расчета коэффициентов а, р, и <р, определяющих количественные соотношения между величиной магнитной активности в северной и южной полярных шапках и интенсивностью геоэффективного межпланетного электрического поля.

Параграф 2.4 посвящен верификации унифицированной методики расчёта РС индекса. Анализируется согласованность северного РСМ и южного РС5 индексов и их соответствие величине и характеру изменений межпланетного электрического поля. Показано, что РС индексы меняются в цикле солнечной активности соответственно вариациям межпланетного электрического поля. Обсуждаются механизмы рассогласования зимнего и летнего РС индексов. Дана оценка сезонных различий в значениях РС индекса.

Учитывая сезонные особенности проводимости полярной ионосферы во многих исследованиях актуально разделять зимний и летний РС индексы. В п. 2.5 обсуждаются причины расхождений зимнего и летнего РС индекса. Рассматриваются причины возникновения специфических токовых систем, генерируемых северной и азимутальной компонентами ММП.

В. Третьей главе рассматриваются соотношения между унифицированными РСЫ и РС8 индексами и изменением геоэффективных параметров солнечного ветра (межпланетного электрического поля Еш и динамического давления солнечного ветра

Рз»'), для конкретных геофизических событий, таких как межпланетные ударные волны, отрицательные импульсы Рвху, положительные импульсы Реи» при северной компоненте ММП.

В параграфе 3.1 анализируется реакция унифицированных северного РСК1 и южного РСЭ индексов (временная задержка, величина изменений) на вариации геоэффективной составляющей межпланетного электрического поля при различных уровнях Еш.

В параграфах 3.2-3.4 изучена реакция магнитной активности в полярных шапках на изменения динамического давления солнечного ветра. Показано, что магнитная активность реагирует на резкие импульсы (положительные или отрицательные) динамического давления, а не на абсолютную величину Рэ\у. Скачок динамического давления солнечного ветра (т.е. скорость нарастания давления (1Р5\у/<11:) является вторым фактором изменения РС индекса: эффект воздействия <1Р5\у =1 нПа за 10 минут приблизительно эквивалентен эффекту воздействия Еш = 0.33 мВ/м, при этом возрастание РС начинается всего лишь через несколько минут после скачка давления. В условиях воздействия северного ММП увеличение РС индекса связано со скачком давления Рй*. При отрицательных импульсах динамического давления солнечного ветра имеет место уменьшение РС индекса на протяжении 1-1,5 часа. Летный РС индекс реагирует на скачок давления быстрее (на 5-15 минут) и достигает больших (на 20-50%) абсолютных значений, чем зимний РС.

В параграфе 3.5 рассматривается эффект влияния импульсов динамического давления на конкретных событиях. Используя соотношение 1нПа = 0.33 мВ/м, произведена оценка эффекта влияния импульсов динамического давления йР5\у на величину РС в конкретных случаях и получены сравнительные оценки с соответствующими экспериментальными результатами. Расчётные значения хорошо согласуются с величинами унифицированных РС индексов наблюдаемыми в данных событиях.

Из полученных результатов в п. 3.6 сделаны следующие выводы. Во-первых, усиление магнитной активности в полярной шапке под влиянием динамического давления солнечного ветра не является только следствием сжатия магнитосферы, так как в этом случае эффект наблюдался бы в течение всего периода сжатия. Во-вторых, преобладающий рост РС индекса в летней полярной шапке подразумевает, что механизм генерации магнитной активности в полярной шапке сильно связан с проводимостью

ионосферы и лучше работает в хорошо проводящей освещенной ионосфере. В третьих, одинаковый отклик РС индекса (рост РС) на положительный скачок динамического давления солнечного ветра при южном и северном направлении ММП подразумевает, что влияние скачка давления на магнитную активность в шапке не может быть связано напрямую с межпланетным электрическим полем, проникающим в высокоширотную ионосферу, поскольку ММП южного и северного ориентации генерируют в полярной шапке электрические поля противоположной полярности. В четвертых, понижение РС индекса при воздействии отрицательного скачка давления предполагает, что механизм влияния динамического давления обратим, т.е. даёт противоположный эффект в условиях роста и спада давления.

В четвертой главе рассматривается статистические соотношения между ходом магнитной активности в полярной шапке и развитием изолированных магнитных возмущений (суббурь) в авроральной зоне.

В параграфе 4.1 объясняется методика анализа изолированных магнитных возмущений по данным аврорального АЕ индекса. Для более детального анализа магнитные возмущения в авроральной зоне были разделены на четыре класса: слабые изолированные магнитные бухты (АЕ < 300 нТ), короткие суббури с продолжительностью до 3 часов и АЕ > 300 нТ, длительные суббури с продолжительностью более 3-х часов и АЕ > 300 нТ, и замедленные суббури с продолжительностью более 3-х часов и АЕ > 500 нТ.

В параграфе 4.2 даны статистические оценки связи РС индекса с развитием изолированных суббурь. Наглядно показано, что во всех случаях уверенный рост РС индекса начинается задолго до внезапного начала возмущения. Этот интервал постепенного роста магнитной активности в полярной шапке, предшествующий внезапному началу возмущения в авроральной зоне, был назван, в соответствии с общепринятой терминологией, «фазой роста». Исследована длительность фазы роста для каждого отдельного класса авроральных магнитных возмущений.

В п. 4.3 проведен дополнительный анализ, который показал, что различия в поведении РСЫ и РСБ индексов связаны не с особенностями поведения магнитной активности в северной или южной полярных шапках, а обусловлены сезонным ходом магнитной активности. Показаны различия поведения летнего и зимнего РС индексов на фазе роста. Летний РС индекс начинает расти раньше, тогда, как зимний во многом повторяет ход аврорального АЕ индекса. Здесь же рассмотрены особенности поведения

летнего и зимнего РС индексов для каждого класса изолированных магнитных возмущений в авроральной зоне.

В п. 4.4 анализируется скорость нарастания РС и ДН/ЛЬ/Ли индексов на различных фазах изолированных суббурь. Отдельно рассматривались фаза роста, фаза экспансии и период максимума для всех исследуемых классов суббурь.

В п. 4.5 представлены выводы, полученные на основании исследований, представленных в данной главе. Показано, что увеличение РС индекса начинается примерно за час до внезапного возмущения в авроральной зоне, демонстрируя наличие фазы роста магнитной активности в полярной шапке. РС индекс в летней полярной шапке (летний РС) начинает расти раньше, чем зимний РС, и скорость увеличения летнего РС на фазе роста значительно превышает скорость увеличения зимнего РС индекса, независимо от интенсивности возмущения. Поведение зимнего РС индекса в ходе развития суббури в целом согласуется с поведением магнитной возмущённости в авроральной зоне (АЬ индекс). После внезапного начала скорость роста летнего РС индекса не меняется, или даже падает (исключение - специфический класс замедленных суббурь). После фазы экспансии ход летнего и зимнего РС индексов становится согласованным.

Глава 5 исследуются соотношения между РС и АЬ индексами во время длительных периодов высокой магнитной активности с периодически повторяющимися бухтообразными возмущениями в авроральной зоне. В п. 5.1 дан обзор используемых в анализе данных, показана идентификация исследуемых событий.

В параграфе 5.2 исследуются соотношения между величинами Еш, РС и АЬ полученные методом суперпозиции отдельных событий. Анализ показал, что изменения РС индекса, обусловленные вариациями поля Ет, не контролируют ходом периодически повторяющихся бухтообразных возмущений в авроральной зоне.

В п. 5.3 рассмотрены сезонные различия РС индексов в ходе периодически повторяющихся бухтообразных возмущений. В среднем летний и зимний РС индексы хорошо согласуются друг с другом, с коэффициентом корреляции 0.83 на фазе роста и 0.75 на фазе экспансии.

Далее, в п. 5.4, представлены соотношения между параметрами, характеризующими развитие возмущений в течение фазы роста и фазы экспансии.

П. 5.5 обобщает результаты соотношений между РС и АЬ индексами в случае периодически повторяющихся магнитных возмущений. Общие закономерности развития

изолированных суббурь и периодически повторяющихся бухтообразных возмущений в авроральной зоне представлены в п. 5.6.

В параграфе 5.7 изложены выводы по данной главе. Детальный анализ 62 периодически повторяющихся бухтообразных магнитных возмущений выявил следующие общие тенденции в соотношениях между магнитной активностью в полярной шапке и в авроральной зоне:

1. Ход РС индекса может отличаться в деталях от хода Еш в процессе развития магнитного возмущения, несмотря на их общее подобие. В таких случаях развитие магнитных возмущений в авроральной зоне лучше соответствует ходу РС индекса, чем вариациям межпланетного электрического поля.

2. Развитие периодически повторяющихся магнитных возмущений в авроральной зоне с интенсивностью АЬ> 400 пТ определяется поведением РС индекса:

- постепенное увеличение магнитной возмущенности в авроральной зоне начинается после начала роста магнитной активности в полярной шапке (пли одновременно с ростом РС);

- внезапное начало магнитных возмущений в авроральной зоне происходит, когда уровень РС превышает пороговое значение - 1.7 мВ/м;

- чем больше РС индекс, тем интенсивнее возмущение;

- падение РС индекса ниже 1 - 2 мВ/м всегда сопровождается затуханием магнитной возмущённое™.

3. Продолжительность фазы роста определяется РС индексом:

- внезапное начало возмущения следует за началом роста РС индекса со средней временной задержкой ~ 30 минут;

- чем больше скорость роста, тем короче фаза роста;

- фаза роста сокращается до нескольких минут, если скорость роста РС индекса превышает величину ~ 0.4 мВ/м/мин;

- чем выше РС индекс, тем короче может быть длительность импульса РС, за которым обязательно следует возмущение в авроральной зоне.

4. Поведение магнитной активности в полярной шапке контролируется, в основном, межпланетным электрическим полем Ет: даже на фазе экспансии максимальный эффект воздействия аврорального магнитного возмущения на магнитную активность в полярной шапке не превышает в среднем 10- 20% от общей величины РС.

В заключении приведены основные результаты диссертации.

Основные результаты, полученные в работе

1. Предложена унифицированная методика расчета РС индексов для северной (РСМ) и южной (РСБ) полярных шапок. Особенностью этой методики являются:

• процедура автоматического, в режиме реального времени, определения спокойного суточного хода, от которого ведётся отсчёт величины магнитного возмущения йИ.

• процедура расчёта коэффициентов связи между 8Р и Ет, обеспечивающая получение согласованных PCN и РСБ индексов в независимости от местного времени и сезона года и цикла солнечной активности.

2. Исследована реакция РС индекса на вариации межпланетного электрического поля и импульсы динамического давления солнечного ветра. Показано, что величина и поведение РС индекса определяется главным образом геоэффективным межпланетным электрическим полем Ет; РС реагирует на увеличение и уменьшение Егп с задержкой примерно 15-30 минут. Скачок динамического давления солнечного ветра является вторым фактором, влияющим на изменение РС индекса. Эффект изменения давления на ¿Рбл- =1 нПа (за -10 минут) приблизительно эквивалентен эффекту влияния электрического поля Ет = 0.3 мВ/м. При нарастании давления РС индекс растет, при уменьшении давления - падает. Рост давления является единственным фактором увеличения РС индекса при северной Вг компоненте ММП.

3. Исследована связь РС индекса с развитием изолированных магнитных суббурь. Показано, что увеличение РС индекса начинается примерно за час до внезапного начала суббури, демонстрируя наличие ярко выраженной фазы роста магнитной активности в полярной шапке. РС индекс в летней полярной шапке (летний РС) начинает расти раньше и достигает больших величин в сравнении с зимним РС. Поведение зимнего РС индекса в ходе развития суббури соответствует поведению магнитной возмущённости в авроральной зоне индекс). После фазы экспансии летний и зимний РС индексы выравниваются.

4. Изучены особенности статистической связи РС индекса с периодически повторяющимися бухтообразными магнитными возмущениями в периоды длительной и экстремально высокой магнитной активности. Внезапное начало магнитных

возмущений в авроральной зоне наблюдается, в среднем, через 30 минут после начала роста PC индекса, когда уровень PC превышает пороговое значение — 1.7 мВ/м. Величина и вариации PC индекса определяются поведением межпланетного электрического поля Еш. Эффект влияния магнитных возмущений в авроральной зоне на магнитную активность в полярной шапке не превышает 10-20% среднего значения PC на фазе развития.

5. Сопоставление закономерностей развития авроральных магнитных возмущений разной интенсивности (изолированных коротких, длительных и замедленных суббурь и периодически повторяющихся бухтообразных возмущений показывает, что продолжительность фазы роста и интенсивность магнитных возмущений в авроральной зоне зависят от скорости увеличения PC индекса.

По совокупности полученных результатов делается вывод, что PC индекс может

рассматриваться, как независимая мера геоэффективности солнечного ветра,

взаимодействующего с магнитосферой Земли.

По теме диссертации опубликованы следующие работы

1. Благовещенская Н.Ф., Д.В. Благовещенский, В.А. Корниенко, Т.Д. Борисова, И.В.

Москвин, М.Ю. Бердникова, А.С. Янжура, Ионосферные эффекты в главную фазу магнитной бури 20 ноября 2003 г. в европейском регионе Арктики., Геомагнетизм и аэрономия. Том 45, № 1, 2005.

2. Janzhura, A.S., О.А. Troshichev, Determination of the running quiet daily geomagnetic

variation, J.Atmos. Solar-TerT. Phys., 70, 7,2008-5.

3. Janzhura, A.S., O.A. Troshichev, and P. Stauning, Unified PC indices: Relation to the isolated

magnetic substorms, submitted in J. Geophys. Res., doi: 10.1029/2006JA012132, 2007.

4. Stauning, P., O. Troshichev, and A. Janzhura, Polar Cap (PC) index. Unified PC-N (North)

index procedures and quality, DM! Scientific Report, SR-06-04, Danish Meteorological Institute, Copenhagen, Denmark, 2006.

5. Stauning, P., O. A. Troshichev, and A. S. Janzhura, The polar cap (PC) index. Relations to

solar wind parameters and global magnetic activity level, J. Atm. Solar-Terr. Phys Volume 70, Issue 18, p. 2246-2261, 2008.

6. Troshichev. O.. A. Janzhura. and P.Stauning, Unified PCN and PCS indices: method of

calculation, physical sense and dependence on the IMF azimuthal and northward components. J. Geophys. Res.. Ill, A05208, doi: 10.1029/2005JA011402. 2006.

7. Troshichev, O.. A. Janzhura. and P.Stauning, Magnetic activity in the polar caps: Relation to

sudden changes in the solar wind dynamic pressure, J. Geophys. Res.. 112. doi :lO.1029/20O7JAO 12369. 2007.

8. Troshichev, O.. A. Janzhura. and P. Stauning. Reply to Comment of R.Lukianova on paper

""The unified PCN and PCS indices: method of calculation, physical sense, dependence on the IMF azimuthal and northward components" by O.Troshichev, A.Janzhura Geophys. Res., 112, 2007.

Подписано к печати 13.05.09. Формат 60 х84 'Ль. Бумага офсетная. Гарнитура Times. Печать цифровая. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 4457.

Отпечатано в Отделе оперативной полиграфии химического факультета СПбГУ 198504, Санкт-Петербург, Старый Петергоф, Университетский пр., 26 Тел.: (812) 428-4043,428-6919

Введение

1. PC индекс как индикатор магнитной активности в полярной шапке.

1.1 Общие сведения.

1.2 Физическое обоснование PC индекса.

1.3 Методика расчета PC индекса.

1.4 PCN и PCS индексы.

2. Унифицированная методика для расчета PCN и PCS индексов.

2.1 Обзор спутниковой информации о межпланетном электрическом поле, необходимой для расчета PC индекса.

2.2 Методика расчета кривой спокойного дня (КСД).

2.3 Методика определения параметров ф, а и р.

2.4 Тестирование унифицированной методики.

2.5 Летний и зимний PC индекс: причины возможных различий.

3. Реакция унифицированного PC индекса на изменения параметров солнечного ветра

3.1 Соотношение между PC и геоэффективным межпланетным электрическим полем Em

3.2 Реакция PC индекса на резкие изменения параметров солнечного ветра при прохождении фронтов межпланетных ударных волн

3.3 Реакция PC индекса на отрицательный скачок динамического давления солнечного ветра на фоне южной компоненты ММП

3.4 Реакция PC индекса на скачок динамического давления солнечного 73 ветра на фоне северной компоненты ММП

3.5 Оценка эффекта влияния импульсов динамического давления в 75 конкретных событиях

3.6 Основные результаты проведенного анализа

4. PC индекс и развитие изолированных суббурь

4.1 Методика анализа

4.2 Статистические оценки связи PC индекса с развитием изолированных суббурь

4.3 Статистические соотношения между PC и AE/AL/AU индексами в летней и зимней полярных шапках

4.4 Скорости нарастания PC и AE/AL/AU индексов на разных фазах суббури

4.5 Обсуждение результатов и выводы

5. PC индекс и развитие периодически повторяющихся бухтообразных 96 возмущений

5.1 Данные и метод анализа

5.2 Статистические соотношения между величинами Em, PC, и AL

5.3 Соотношение между PC индексами в летней и зимней полярных 105 шапках в ходе периодически повторяющихся бухтообразных возмущений

5.4 Соотношения между параметрами, характеризующими развитие 106 возмущений в течение фазы роста и фазы экспансии.

5.5 Соотношения между PC и AL в случае периодически повторяющихся возмущений в авроральной зоне: сводка результатов

5.6 Общие закономерности развития изолированных суббурь и 113 периодически повторяющихся бухтообразных возмущений в авроральной зоне

5.7 Обсуждение результатов и выводы

Основные результаты диссертации

Работа посвящена разработке индекса, характеризующего магнитную активность в северной и южной полярных шапках, обусловленную воздействием геоэффективного солнечного ветра на магнитосферу Земли. Описывается методика расчёта и результаты верификации унифицированного PC индекса, адекватно отвечающего на геоэффективные изменения солнечного ветра независимо от местоположения точки наблюдения, сезона года (зима или лето) и местного времени. Оценивается эффективность воздействия "на величину PC индекса вариаций межпланетного электрического поля и импульсов динамического давления солнечного ветра. Анализируется взаимосвязь между ростом PC индекса и развитием магнитных возмущений в авроральной зоне в случае изолированных магнитосферных суббурь, и для длительных периодов высокой магнитной активности, характеризующихся мощными повторяющимися бухтообразными возмущениями.

Актуальность проблемы. Солнечный ветер, взаимодействующий с магнитосферой Земли, является причиной существенных изменений параметров регулярного геомагнитного поля и ионосферы, которые, при достижении определённой интенсивности, называют магнито-ионосферными возмущениями. Магнито-ионосферные возмущения вызывают сбои или даже нарушения в работе различных спутниковых и наземных технологических систем (коммуникационные, навигационные, радиолокационные, линии электропередач, газопроводы и т.д.), т.е. критическим образом влияют на среду обитания человека. Магнито-ионосферные возмущения определяются изменениями параметров солнечного ветра, наиболее геоэффективным из которых является: межпланетное электрическое поле (МЭП), определяемое, главным образом, южной компонентой межпланетного магнитного поля (Bz ММП) и скоростью солнечного ветра Vsu'. При геоэффективном МЭП происходит интенсивная накачка энергии солнечного ветра в магнитосферу, её накопление, и последующее высвобождение в виде суббурь — магнито-ионосферных возмущений, достигающих максимальной интенсивности в авроральной зоне, при этом первым сигналом о воздействии геоэффективного солнечного ветра является как раз повышение магнитной активности в полярных шапках.

Динамика развития и интенсивность магнитных возмущений обычно описывается индексами Dst, AE(AL/AU), и PC. Первые два из них, Dst и АЕ (AL/AU), характеризуют, интенсивность мировых магнитных бурь и интенсивность магнитных возмущений в авроральной зоне, т.е. описывают процесс реализации энергии солнечного ветра, накопленной в магнитосфере. Третий индекс PC описывает магнитную активность в полярной шапке, и поскольку эта активность контролируется параметрами солнечного ветра (прежде всего межпланетным электрическим полем), то можно полагать, что PC индекс характеризует поступление энергии солнечного ветра в магнитосферу.

PC индекс был предложен более 20 лет назад (Troshichev and Andrezen, 1985). Первоначально рассчитывались, по данным двух околополюсных станций, северной станции Туле в Гренландии и южной станции Восток в Антарктике, 15-минутные величины PC индексов. Результаты целого ряда статистических анализов, проведённые на основе опубликованных рядов 15-минутных PC индексов, показали, что индекс может рассматриваться, как показатель текущего состояния магнитосферы.

Однако после перехода к расчёту 1-минутных PC индексов в 1999-2000гг выявились существенные расхождения между величинами PCN индексов, рассчитываемых в Датском метеорологическом институте (ДМИ), и PCS индексов, рассчитываемых в Арктическом и Антарктическом научно-исследовательском институте (ААНИИ). Эти расхождения привели к несоответствию результатов схожих анализов и, соответственно, к различным физическим выводам. Расхождения касались следующих параметров, характеризующих состояние магнитосферы: частота появления отрицательных значений PC индекса в южном и северном полушарии; соотношение между предельно большими величинами PC и межпланетного электрического поля (Troshichev et al., 2000; Nagatsuma, 2002); реакция PC индекса на изменения динамического давления солнечного ветра (Lukianova, 2003; Huang, 2005); зависимость между PC и АЕ индексами (Troshichev and Lukianova, 2002; Huang, 2005).

Причиной расхождений между PCN и PCS индексами оказались определённые различия в техниках расчёта PC индекса, принятых в ААНИИ и ДМИ, прежде всего при определении уровня отсчёта величины магнитных возмущения в полярных шапках. Стало очевидным, что PCN и PCS индексы необходимо вычислять по единой методике, чтобы устранить любое влияние техники расчёта на результаты анализа и их физическую интерпретацию. Результатом этой работы явилась унифицированная процедура расчёта PC индекса. На основании этой процедуры были рассчитаны новые ряды PCN и PCS индексов,-адекватно реагирующих на изменения геоэффективных параметров солнечного ветра. Как показал анализ связи между вариациями параметров солнечного ветра и величиной PC индекса, с одной стороны, и PC индексом и развитием магнитных возмущений в авроральной зоне, с другой стороны, имеются все основания для использования PC индекса в целях диагностики и текущего прогноза состояния магнитосферы («космической погоды»).

Цель диссертационной работы. Разработка унифицированной методики расчёта PC индекса, характеризующего, по данным о магнитной активности в полярной шапке, геоэффективность солнечного ветра, независимо от точки наблюдения, местного времени и сезона года. Количественная оценка связи PC индекса с изменениями геоэффективного межпланетного электрического поля и импульсами динамического давления солнечного ветра. Анализ соотношений между поведением PC индекса и развитием магнитных возмущений в авроральной зоне и, на этой основе, определение возможностей мониторинга магнитных возмущений (суббурь) по данным о PC индексе.

На защиту выносятся:

1. Автоматизированный метод расчёта суточной вариации спокойного магнитного поля.

2. Унифицированная методика расчёта PC индекса обеспечивающая согласованные оценки геоэффективности солнечного ветра по данным о магнитной активности в северной и южной полярных шапках.

3. Оценка влияния геоэффективного межпланетного электрического поля и импульсов динамического давления солнечного ветра на величину PC индекса при различных геофизических условиях.

4. Закономерности поведения PC индекса и развития магнитных возмущений в авроральной зоне в суббурях разного типа и интенсивности.

Научная новизна.

1. Предложена унифицированная методика расчёта индекса магнитной активности PC, обеспечивающая согласованность величин PC в северной и южной полярных шапках при взаимодействии магнитосферы с геоэффективным солнечным ветром.

2. Разработан метод автоматического, в режиме реального времени, определения суточной вариации спокойного геомагнитного поля. Метод, являющийся основой унифицированной методики расчёта PC индекса, может быть использован для выявления спокойной суточной вариации в любых геофизических процессах.

3. Даны количественные оценки реакции PC индекса на изменение геоэффективных параметров солнечного ветра, таких как вариация межпланетного электрического поля и импульс динамического давления солнечного ветра.

4. Показано, что увеличение магнитной активности в полярных шапках является предвестником магнитных возмущений в авроральной зоне независимо от характера и интенсивности этих возмущений (слабые магнитные бухты, изолированные магнитосферных суббури, повторяющиеся пилообразные возмущения в периоды длительной и высокой магнитной активности). Показана зависимость временного интервала между началом увеличения PC и внезапным началом магнитного возмущения в авроральной зоне (длительность фазы роста) от скорости роста PC индекса.

5. Для суббурь разного типа и интенсивности выявлена связь между скоростью роста PC индекса и интенсивностью магнитных возмущений в авроральной зоне.

Практическая ценность работы состоит в разработке унифицированного метода расчёта индекса PC, характеризующего величину магнитной активности, генерируемой в полярных шапках под воздействием геоэффективного солнечного ветра. Увеличение PC индекса, предваряющее развитие магнитных возмущений в авроральной зоне, и связь интенсивности этих возмущений от скорости роста PC индекса служат основой для диагностики и текущего прогноза состояния магнитосферы («космической погоды»). Эта задача реализуется в рамках Федеральной целевой программы «Мониторинг геофизической обстановки» (2008-2015гг).

Апробация работы. Результаты исследований, представленных в работе, докладывались на следующих международных научных конференциях: IAGA & ICMA Joint-Symposiar-Perugia,Italy,-2005;-l 1—Quadrennial-Solar—Terrestrial-Physics-Symposium-"Sun, Space Physics and Climate", Rio de Janeiro, Brazil, 6-10 March, 2006; 31-й ежегодный семинар «Физика авроральных явлений», Апатиты, Россия, 2008; 7-я Международная конференция «Проблемы Геокосмоса», Санкт-Петербург, Россия 2008.

Унифицированный PC индекс публикуется на сайтах Арктического и Антарктического Научно Исследовательского Института (PCS) и' Датского Метеорологического Института (PCN). Электронные адреса этих сайтов: http://www.aarLnw.ru/clgmi/geophys/pcmain.htm http://web.dmi.dk/projects/wdccl/pcnu/pcnu.html

Публикации. По теме диссертации опубликовано восемь статей: две статьи в рецензируемых научных журналах (в качестве первого автора), а также шесть статей с участием в качестве соавтора.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, и списка литературы из 90 наименований, содержит 130 страниц машинописного текста, включая 47 рисунков и 3 таблицы.

Основные результаты диссертации:

1. Предложена унифицированная методика расчета PC индексов для северной (PCN) и южной (PCS) полярных шапок. Особенностью этой методики являются:

• процедура автоматического, в режиме реального времени, определения спокойного суточного хода, от которого ведётся отсчёт величины магнитного возмущения 5F.

• процедура расчёта коэффициентов связи между 5F и Em, обеспечивающая получение согласованных PCN и PCS индексов в независимости от местного времени и сезона года и цикла солнечной активности.

2. Исследована реакция PC индекса на вариации межпланетного электрического поля и импульсы динамического давления солнечного ветра. Показано, что величина и поведение PC индекса определяется главным образом геоэффективным межпланетным электрическим полем Em; PC реагирует на увеличение и уменьшение Em с задержкой примерно 15-30 минут. Скачок динамического давления солнечного ветра является вторым наиболее важным фактором, влияющим на изменение PC индекса. Эффект изменения давления на dPsw =1 нПа (за —10 минут) приблизительно эквивалентен эффекту влияния электрического полю Em = 0.33 мВ/м. При нарастании давления PC индекс растет, при уменьшении давления — падает. Рост давления является единственным фактором увеличения PC индекса при северной Bz компоненте ММП.

3. Исследована связь PC индекса с развитием изолированных магнитных суббурь. Показано, что увеличение PC индекса начинается примерно за час до внезапного начала суббури, демонстрируя наличие ярко выраженной фазы роста магнитной активности в полярной шапке. PC индекс в летней полярной шапке (летний PC) начинает расти раньше и достигает больших величин в сравнении с зимним PC. Поведение зимнего PC индекса в ходе развития суббури соответствует поведению магнитной возмущённости в авроральной зоне (AL индекс). После фазы экспансии летний и зимний PC индексы выравниваются.

4Изучены—особенности—статистической—связи- PC—индекса—с периодически— повторяющимися бухтообразными магнитными возмущениями в периоды длительной и экстремально высокой магнитной активности. Внезапное начало магнитных возмущений в авроральной зоне наблюдается, в среднем, через 30 минут после начала роста PC индекса, когда уровень PC превышает пороговое значение ~ 1.7 мВ/м. Величина и вариации PC индекса определяются поведением межпланетного электрического поля Em. Эффект влияния магнитных возмущений в авроральной зоне на магнитную активность в полярной шапке не превышает 10-20% среднего значения PC на фазе развития.

5. Сопоставление закономерностей развития авроральных магнитных возмущений разной интенсивности (изолированных коротких, длительных и замедленных суббурь и периодически повторяющихся бухтообразных возмущений показывает, что продолжительность фазы роста и интенсивность магнитных возмущений в авроральной зоне зависят от скорости увеличения PC индекса.

По совокупности полученных результатов делается вывод, что PC индекс может рассматриваться, как независимая мера геоэффективности солнечного ветра, взаимодействующего с магнитосферой Земли.

1. Благовещенская Н.Ф., Д.В. Благовещенский, В.А. Корниенко, Т.Д. Борисова, И.В.

2. Москвин, М.Ю. Бердникова, А.С. Янжура, Ионосферные эффекты в главную фазу магнитной бури 20 ноября 2003 г. в европейском регионе Арктики., Геомагнетизм и аэрономия, Том 45, № 1, 2005.

3. Ионосферно-магнитные возмущения в высоких широтах, Гидрометиздат, Ленинград,1986.

4. Кузнецов Б.М., О.Л.Коростелкина, О.А.Трошичев, DP2 вариация и электрическиеполя в полярной шапке, Геомагн. исследования, 21, 1976.

5. Пудовкин М.И., Козеллов В.П., Лазутин Л.Л., Трошичев О.А., Чертков А.Д.,

6. Физические основы прогнозированя магнитосферных возмущений, Л., Наука, 312с, 1977.

7. Сергеев В.А., Цыганенко Н.А.: Магнитосфера Земли, Наука, М., 1980.

8. Трошичев О.А., В.П.Васильев, Б.М.Кузнецов, Особенности магнитных возмущений взимней и летней полярных шапках, Геомагн. исследования, 26, 62-716 1979

9. Akasofu, S.I., Physics of magnetospheric substorms, D.Reidel, Holland, 719p., 1977.

10. Akasofu, S.I., The development of the aurorally substorm, Planet. Space Sci.,12, 273-282,1964.

11. Akasofu S.-I. and S.Chapman, Solar-Terrestrial Physics, Oxford, 1972.

12. Biran, A., MATLAB 6 for Engineers, Prentice Hall, 2002.

13. Birkeland, K., The Norwegian Aurora Polaris Expedition 1902-1903, vol.1, Christiania,1908.

14. Borovsky, J., RJ.NEmzek, and R.D.Belian, The occurrence rate of magnetospheric-substorm onsets: Random and periodic substorms, J.Geohys. Res., 98, 3807-3813, 1993.

15. Boudouridis, A., E.Zesta, R.Lyons, P.C.Anderson ans D.Lummerzheim, Effect of solarwind pressure pulses on the size and strength of the auroral oval, J. Geophys. Res., 108, N A4, 8012, doi: 10.1029/2002JAA009373, 2003.

16. Bythrow P.F. and T.A.Potemra, The relationship of total Birkeland currents to the mergingelectric field, Geophys. Res. Lett., 10, 573-576, 1983.

17. Campbell, W.H., Occurrence of AE and Dst geomagnetic index levels and the selection ofthe quietest days in a year, J. Geophys. Res., 84, Mar. 1, 1979.17 .Chapman,S.and Bartels, Geomagnetism, Geomagnetism, Oxford, Clarendon Press,1.ndon, 1940.

18. Christiansen, F., V.O. Papitashvili, and T. Neubert, Seasonal variations of high-latitudefield-aligned currents inferred from Oersted and Magsat observations, J. Geophys. Res., 107(2), 5-1,2002.

19. Chun, F. K., D. J. Knipp, M. G. McHarg, G. Lu, B. A. Emery, S. Vennerstram, and O. A.

20. Troshichev, Polar cap index as a proxy for hemispheric Joule heating, Geophys. Res. Lett., 26(8), 1101, 1999.

21. Chun, F. K., D. J. Knipp, M. G. McHarg, J. R. Lacey, G. Lu, and B. A. Emery, Jouleheating patterns as a function of polar cap index, J. Geophys. Res., 107(A7), 1119, doi: 10.1029/2001JA000246, 2002.

22. Clauer, C.R., X.Cai, D.Welling, A.DeJong, and M.G.Henderson, Characterizing the 18

23. April 2002 storm-time sawtooth events using ground magnetic data, J. Geophys. Res., Ill, A04S90, doi: 10.1029/2005JA011099, 2006.

24. Dmitrieva, N.P. and V.A.Sergeev, The spontaneous and induced onset of the explosivephase of a magnetospheric substorm and the duration of the preliminary phase, Geomagn. Aeron., (Engl. Transl), 23, 380-382, 1983.

25. Erlandson, R.E., D.G.Siebeck, R.E.Lopez, L.J.Zanetti, and T.A.Potemra, Observations ofsolar wind pressure initiated fast mode waves at geostationary orbit and in the polar cap, J. Atmosph. Terr. Phys., 53, 231-239, 1991.

26. Fujii R., T.Iijijma, T.A.Potemra, and M.Sugiura, Seasonal dependence of large-scale Birkeland currents, Geophys. Res. Lett., 8, 1103-1106, 1981.

27. Fukushima H., Equivalence in ground magnetic effect of Chapman-Vestine's and

28. Birkeland-Alfven's electric current systems for polar magnetic storms, Rep. Ion. Space Res. Japan, 23, 219-227, 1969.

29. Gerard, J.-C., B.Hubert, A.Grard, M.Meaurant, and S.B.Mende, Solar wind control of auroral substorm onset locations observed with the IMAGE-EUV imagers, J. Geophys. Res., 109, A 03208, doi:10.1029/2003JA010129, 2004.

30. Gizler, V.A., B.M.Kuzhetsov, V.A.Sergeev, and O.A.Troshichev, The sources of the polarcap and low latitude bay-like disturbances during substorms, Planet. Space Sci., 24, 11331139, 1976.

31. Gizler V.A, V.S.Semenov, O.A.Troshichev, The electric fields and currents in theionosphere generated by field-aligned currents observed by TRIAD, Planet. Space Sci.,27,223-231, 1979

32. Henderson, M.G., G.D.Reeves, R.Skoug, M.F.Thomsen, M.H.Denton, S.B.Mende,

33. T.J.Immel, P.C.Brandt, and H.J.Singer, Magnetospheric and auroral activity during the 18 April 2002 sawtooth event, J. Geophys. Res., Ill, A01S90, doi:10.1029/2005JA011111, 2006.

34. Hitchman, A.P.; Lilley,F.E.M.; Campbell,W.H., The quiet daily variation in the total magnetic field: global curves., Geophys. Res. Let., 25, Issue 11, p. 2007.

35. Hsu, T.-S., and R.L.McPherron, Average characteristics of triggered and nontriggeredsubstorms, J. Geophys. Res., 109, A07208, doi: 10.1029/2003JA009933, 2004.

36. Huang, C.-S, G.D.Reeves, J.E.Borovsky, R.V.Skoug, Z.Y.Pu, and G.Le, Recurrent magnetospheric substorms and their relationship with solar wind variations, J. Geophys. Res., 108(A6), 1255, doi:10.1029/2002JA009704, 2003.

37. Huang, C-S., J.C.Foster, G.D.Reeves, J.Watermann, J.H.Sastri, K.Yumoto, and P.Song,

38. Global magnetospheric-ionospheric oscillations iniated by a solar wind pressure impulse, J. Geophys. Res., 108(A6) , 1232, doi:10.1029/2002JA009465, 2003a.

39. Huang, C.-S., G.Lee, and G.D.Reeves, Periodic magnetospheric substorms duringfluctuating interplanetary magnetic field Bz, Geophys. Res. Lett., 31, LI4801, doi: 10.1029/2004GL020180, 2004.

40. Iijima, Т., and T.A. Potemra, The amplitude distribution of field-aligned currents at northern high latitudes observed by TRIAD, J. Geophys. Res., 81, 2165-2174, 1976.

41. Iijima T. and T.APotemra, The relationship between interplanetary quantites and

42. Birkeland current densities, Geophys. Res. Lett., 4, 442-445, 1982

43. Iijima, Т., Т. A. Potemra, L. J. Zanetti, and P. E. Bythrow, Stable patterns of large-scale

44. Birkeland currents in the polar region during strongly northward IMF, J. Geophys. Res., 89, 7441, 1984.

45. Janzhura, A.S., О. A. Troshichev, Determination of the running quiet daily geomagneticvariation, J.Atmos. Solar-Terr. Phys., 70, 7, 2008-5.

46. Janzhura, A.S., O.A. Troshichev, and P. Stauning, Unified PC indices:-Relation to theisolated magnetic substorms, submitted in J. Geophys. Res., doi:10.1029/2006JA012132, 2007.

47. Kamide, Y. Electrodynamic processes in the Earth's ionosphere and magnetosphere, Kyoto

48. Sangyo Uni. Press, 756p, 1988.

49. Kamide, Y., and W.Baumjohann, Magnetosphere-ionosphere coupling, Springer-Verlag,

50. Berlin Heidelberg, 178p, 1993.

51. Kan, J. R., and L. C. Lee (1979), Energy coupling function and solar wind-magnetospheredynamo, Geophys. Res. Lett., 6, 577.

52. Kan, J.R., L.C.Lee, Energy coupling function and solar wind-magnetosphere dynamo,

53. Geophys. Res. Lett., 6, 577, 1979.

54. Kitamura, K., H.Kawano, S.Ohtani, A.Yoshikawa, and K.Yomoto, Local-time distributionof low and middle latitude ground magnetic disturbances at sawtooth injections of April 18-19, 2002, J Geophys. Res., 110, A07208, doi: 10.1029/2004J AO 10734, 2005.

55. Lee, D.-Y., L.R.Lyons. and K.Yumoto, Sawtooth oscillations directly driven by solar winddynamic pressure enhancements, J. Geophys. Res., 109, A04202, doi: 10.1029/2003JA010246, 2004.

56. Liou, K., J. F. Carbary, P. T. Newell, С. I. Meng, and O. Rasmussen, Correlation of auroralpower with the polar index, J. Geophys. Res., 108(A3), 1108, doi: 10.1029/2002JA009556, 2003.

57. Liou, K., P.T.Newell, C.-I.Meng, C.-C.Wu, and R.P.Lepping, Investigation of externaltriggering of substorms with Polar ultraviolet imager observations, J. Geophys. Res., 108, n A10, 1364, doi: 10.1029/2003JA009984, 2003.

58. Liou, K., P.T.Newell, C.-I.Meng, C.-C.Wu, and R.P.Lepping, On the relationship betweenshock-induced polar magnetic bays and solar wind parameters, J. Geophys. Res., 109, A06306, doi: 10.1029/2004JA010400, 2004.

59. Lopez, R.E., M. Wiltberger, S.Hernandez, and J.G.Lyon, Solar wind density control ofenergy transfer to the magnetosphere, J. Geophys. Res., 31, L08804, doi: 10.1029/2003GL018780, 2004.

60. Lui, A.T.Y., T.Hori, S.Ohtani, Y.Zhang, X.Y.Zhou, M.G.Henderson, T.Mukai,

61. H.Hayakawa, and S.B.Mende, Magnetotail behaviour during storm time "sawtooth events", J. Geophys. Res., 109, A10215, doi:10.1029/2004JA010543, 2004

62. Lukianova, R., О. Troshichev, and G. Lu, The polar cap magnetic activity indices in thesouthern (PCS) and northern (PCN) polar caps: Consistency and discrepancy, Geophys. --Res.-Lett.,-29(18), 1879, doi:10.1029/2002GL015179, 2002.

63. Lukianova, R.Yu., Magnetospheric response to sudden changes in solar wind dynamicpressure inferred from polar cap index, J. Geophys. Res., 108, A12, 428, doi: 10.1029/2002JA009790, 2003.

64. Maezawa K. Magnetospheric convection induced by the positive and negative Zcomponents of the interplanetary magnetic field: quantitative analysis using polar cap magnetic records, J. Geophys. Res., 81, 2289-2303, 1976.

65. Matsushita S. and H. Maeda, On the geomagnetic solar quiet daily variation field during the

66. Y, J. Geophys. Res., 70, 2535, 1965.

67. Meurant, M., J.-C.Gerard, C.Blockx, B.Hubert, and V.Coumans, Propagation of electronand proton shock-induced aurora and the role of the interplanetary magnetic field and solar wind, J. Geophys. Res., 109, A10210, doi:10.1029/2004JA010453, 2004.

68. Moretto, Т., A.J.Ridley, M.J.Engebretson, and O.Rasmussen, High-latitude ionosphericresponse to a sudden impulse events during northward IMF conditions, J. Geophys. Res., 105, NA2, 2521-2531,2000.

69. Motoba, Т., T.Kikuchi, T.Okuzawa, and K.Yumoto, Dynamical response of themagnetosphere-ionosphere system to a solar wind dynamic pressure oscillation, J. Geophys. Res., 108, N. A5, 1206, doi:10.1029/2002JA009696, 2003.

70. Nagatsuma, Т., Saturation of polar cap potential by intense solar wind electric fields,

71. Geophys.Res.Lett., 29(10), 1422, doi:10.1029/ 2001GL014202, 2002.

72. Newell, P.T., and C.-I.Meng, Ionospheric projections of magnetospheric regions under lowand high solar wind pressure conditions, J. Geophys. Res., 99, N Al, 273-286, 1994.

73. Ohtani, S., G. Ueno, and T.Higuchi, Comparison of large-scale field-aligned currents undersunlit and dark ionospheric conditions, J. Geophys. Res., 110, A09230, doi: 10.1029/2005JA011057, 2005.

74. Palmroth, M., T.I.Pulkkinen, P.Janhunen, D.J.McComas, C.W.Smith, and H.E.J.Koskinen,

75. Role of solar wind dynamic pressure in driving ionospheric Joule heating, J. Geophys. Res., 109, A11302, doi: 10.1029/2004JA010529, 2004.

76. Petrukovich, A.A. and A.A.Rusanov, AL index dependence on the solar wind input revisited, Adv. Space Res., 36, 2440-2444, 2005.

77. Ramsay, J.O., Functional Data Analysis, Springer, 2005.

78. Ridley, A. J., and E. A. Kihn, Polar cap index comparisons with AMIE cross polar cappotential, electric field, and polar cap area, Geophys. Res. Lett., 31, L07801, doi:10.1029/2003GL019113, 2004.

79. Rostoker, G., S.I.Akasofu, W.Baumjohann, Y.Kamide, R.L.MaPherron, The roles of directinput of energy from the solar wind and inloading of stored magnetotail energy in driving magnetospheric substorms, Space Sci. Rev.,46, 93, 1987.

80. Sergeev V.A. and B.M.Kuznetsov, Quntitative dependence of the polar cap electric field on the IMF Bz component and solar wind velocity, Planet. Space Sci. 29, 205-213, 1981.

81. Sibeck, D.G., and D.J.Croley, Solar wind dynamic pressure variations and possible groundsignatures of fluxes transfer events, J. Geophys. Res., 96, A2, 1669-1683, 1991.

82. Stauning, P., O. Troshichev, and A. Janzhura, Polar Cap (PC) index. Unified PC-N (North)index procedures and quality, DMI Scientific Report, SR-06-04, Danish Meteorological Institute, Copenhagen, Denmark, 2006.

83. Stauning P. and O.A. Troshichev, Polar cap convection and PC index during suddenchanges in solar wind dynamic pressure, J. Geophys. Res., 113, A08227, doi:10.1029/2007JA012783, 2008

84. Stauning, P., O. A. Troshichev, and A. S. Janzhura, The polar cap (PC) index. Relations tosolar wind parameters and global magnetic activity level, J. Atm. Solar-Terr. Phys Volume 70, Issue 18, p. 2246-2261, 2008.

85. Takalo, J. and J. Timonen, On the relation of the AE and PC indices, J. Geophys. Res., 103,29393, 1998.

86. Troshichev, O. A., N. P. Dmitrieva, and В. M. Kuznetsov, Polar cap magnetic activity as asignature of substorm development, Planet. Space Sci., 27, 217, 1979.

87. Troshichev, O.A., Polar magnetic disturbances and field-aligned currents, Space Sci. Rev.,32, 275-360, 1982.

88. Troshichev, O. A., and V. G. Andrezen , The relationship between interplanetary quantitiesand magnetic activity in the southern polar cap, Planet. Space Sci., 33, 415,1985.

89. Troshichev, O. A., R. Yu. Lukianova, V. O. Papitashvili, F. J. Rich, and O. Rasmussen2000), Polar cap index (PC) as a proxy for ionospheric electric field in the near-pole region, Geophys. Res. Lett., 27, 3809.

90. Troshichev, О. A., V. G. Andrezen, S. Vennerstram, and E. Friis-Christensen, Magneticactivity in the polar cap A new index, Planet. Space Sci., 36, 1095, 1988.

91. Troshichev, O., A. Janzhura, and P.Stauning, Unified PCN and PCS indices: method ofcalculation, physical sense and dependence on the IMF azimuthal and northward components, J. Geophys. Res., 111, A05208, doi: 10.1029/2005JA011402, 2006.

92. Troshichev, О., A. Janzhura, and P.Stauning, Magnetic activity in the polar caps: Relationto sudden changes in the solar wind dynamic pressure, J. Geophys. Res., 112, doiil0a029/2007JA012369, 2007

93. Troshichev, O., A. Janzhura, and P. Stauning, Reply to Comment of R.Lukianova on paper

94. The unified PCN and PCS indices: method of calculation, physical sense, dependence on the IMF azimuthal and northward components" by O.Troshichev, A Janzhura Geophys. Res., 112, 2007.

95. Troshichev, О., H. Hayakawa, A. Matsuoka, T. Mukai, and K. Tsuruda (1996), Cross polar cap diameter and voltage as a function of PC index and interplanetary quantities, J. Geophys. Res., 101, 13,429.

96. Troshichev, O.A., and R.Lukianova, Relation of the PC index to the solar wind parametersand substorm activity in time of magnetic storm, J. Atmos. Solar.Terr. Phys., 64, 585, 2002.

97. Troshichev, O.A., B.M.Kuznetsov, and M.I.Pudovkin, The current systems of the magneticsubstorm growth and explosive phases, Planet. Space Sci., 22, 1403, 1974.

98. Vassiliadis, D., Angelopoulos, V., Baker, D.N., Klimas, A. J., The relation between thenorthern polar cap and auroral electrojet geomagnetic indices in the wintertime, Geophys. Res. Lett., 23,2781, 1996.

99. Vennerstroem, S., E. Friis-Christensen, O. A. Troshichev, and V. G. Andrezen,

100. Geomagnetic Polar Cap (PC) index 1975 1993, Rep. UAG-103, World Data Cent. A for Sol.-Terr. Phys., Natl. Geophys. Data Cent., Boulder, Colo, 1994.

101. Vennerstram, S., Friis-Christensen, E., Troshichev, O.A., Andrezen, V.G., Comparisonbetween the polar cap index PC and the auroral electrojet indices AE, AL and AU, J. Geophys. Res., 96, 101, 1991.

102. Wing S. and P.T.Newell, Quiet time plasma sheet ion pressure condition, J. Geophys. Res.105,7793-7802, 2000.

103. Yang Y.S., R.W.Spiro, and R. A. Wolf. Generation of Region 1 current by magnetosphericpressure gradients, J. Geophys. Res., 99, 223-234, 1994.

104. Zhou, X.-Y., R.J.Strangeway, P.G.Anderson, D.G.Sibeck, B.T.Tsurutani, G.Haerendel, H.U.Frey, and J.K.Arballo, Shock aurora: FAST and DMSP observations, J. Geophys. Res., 108, N A4, 8019, doi: 10.1029/2002JAA009701, 2003.