Динамика и структура магнитного хвоста Земли в зависимости от межпланетного магнитного поля тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.03.03, доктор физико-математических наук Петрукович, Анатолий Алексеевич

• Петрукович, Анатолий Алексеевич
• доктор физико-математических наук
• 2003

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Петрукович, Анатолий Алексеевич

Введение

1 Обзор состояния вопроса, источников данных и методик

1.1 Современные представления о динамике и крупномасштабной структуре хвоста магнитосферы.

1.2 Источники экспериментальных данных.

1.3 Методы исследований

2 Воздействие межпланетной среды на магнитосферу

2.1 Введение.

2.2 К достоверности измерений солнечного ветра удаленным от земли спутником.■.

2.3 Определение функции связи солнечного ветра и геомагнитной активности хвоста.

2.4 Выводы.

3 Конвекция плазмы в геомагнитном хвосте

3.1 Введение.

3.2 Вертикальные течения плазмы.

3.3 Баланс конвективных и продольных течений в приэкваториальном плазменном слое.

3.4 Выводы.

4 Динамика геомагнитного хвоста при северном ММП

4.1 Введение.:.

4.2 Методика определения толщины токового слоя.

4.3 Многоточечные наблюдения тонкой структуры плазменного слоя.

4.4 Макроструктура плазменного слоя.

4.5 Общая конфигурация плазменного слоя и происхождение вертикальных токовых слоев при северном ММП.

4.6 Выводы

5 Глобальные изменения в геомагнитном хвосте во время суббурь

5.1 Введение.

5.2 Динамика давления во время суббури.

5.3 Малые суббури.

5.4 Суббури во время магнитных бурь.

5.5 Выводы.

6 Динамика геомагнитного хвоста во время фазы накопления

6.1 Введение.

6.2 Представления о фазе накопления.

6.3 Статистические характеристики фазы накопления.

6.4 Проблема стабильности плазменного слоя.

6.5 Конвекционная модель фазы накопления.

6.6 Выводы.

7 Локализация зоны начала взрывной фазы суббури.

7.1 Введение.

7.2 Многоспутниковые измерения 28.11.95.

7.3 Суббуря 30.08.96.

7.4 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Динамика и структура магнитного хвоста Земли в зависимости от межпланетного магнитного поля»

Диссертация содержит результаты экспериментальных исследований структуры и динамики геомагнитного хвоста Земли, проведенных на основе наблюдений высокоапогейных спутников, сопутствующих наземных измерений и данных мониторинга солнечного ветра.

Актуальность проблемы

Проблематика физики солнечно-земных связей привлекает в последнее время пристальный интерес исследователей. С развитием космической техники и космического эксперимента количество и качество наблюдений, выполненных непосредственно в околоземной плазме, значительно возросли, создав надежную основу для углубления нашего понимания ге-лиосферы и магнитосферы Земли.

Как известно, при высокой стабильности общего потока солнечной энергии, корпускулярное излучение Солнца - солнечный ветер, а также коротковолновое ультрафиолетовое и рентгеновское излучение, значительно варьируют как в среднем, в ходе 11-летнего цикла солнечной активности, так и на более малых масштабах времени в зависимости от структуры и динамики солнечного магнитного поля.

Солнечный ветер взаимодействует с магнитным полем Земли, образуя земную магнитосферу. В целом магнитосфера сохраняет форму искаженного диполя с вытянутым в антисолнечном направлении магнитным хвостом, а ее размер и очертания в первом приближении определяются балансом давлений солнечного ветра и геомагнитного поля. Однако, наиболее заметные по энергетике явления в магнитосфере, такие как магнитные суббури и бури, связаны с воздействием на нее межпланетного магнитного поля (ММП), энергия которого составляет всего лишь около 2% динамической энергии солнечного ветра.

В частности, когда ММП антипараллельно геомагнитному полю в приэкваториальной части магнитосферы (т.н. "южное" ММП) происходит пересоединение (аннигиляция) силовых линий ММП и геомагнитного поля вблизи подсолнечной части магнитопаузы. Это приводит к эрозии магнитосферы на дневной стороне и накоплению магнитного потока в геомагнитном хвосте. При описании крупномасштабных процессов здесь можно использовать понятие о силовых линиях магнитного поля и о потоках плазмы, так как в бесстолкновительной плазме в целом справедливо приближение Магнитогидродинамики [44, 120, 176].

Процесс пересоединения в хвосте магнитосферы, где также образуется конфигурация с противоположно направленными магнитными полями, протекает спорадически, проходя через периодические интервалы накопления и сброса магнитного потока — геомагнитные суббури. Периодичность суббурь определяется, в первую очередь, случайной вариабельностью направления ММП. Альтернативным суббурям режимом динамики геомагнитного хвоста при южном ММП, является постоянная диссипация энергии - усиленная конвекция, которая не будет рассматриваться в данной диссертации. При южном ММП внешняя магнитосфера вовлекается в процесс конвекции, транспортирующий пересоединенный поток сначала в хвост, а затем возвращающий его к Земле и на дневную сторону магнитосферы. Магнитные бури — катастрофические явления в магнитосфере, вызываются аномальными усилениями солнечного ветра и ММП. При северном ММП структура пересоединения в магнитосфере изменяется, сдвигаясь на более высокие широты, а динамика геомагнитного хвоста становится более спокойной.

В динамической открытой магнитосфере Земли, геомагнитный хвост играет центральную роль в процессах накопления, преобразования и диссипации энергии Солнца. Поэтому структура хвоста и его динамика, в частности, во время суббурь, вызывают значительный интерес в рамках гелио-геофизических исследований.

Околоземная и межпланетная среда являются единственной природной лабораторией, в которой возможно непосредственное изучение бес-столкновительной плазмы, в условиях, которые недостижимы на Земле, но характерны для многих астрофизических объектов. На основе локальных измерений, выполняемых на космических аппаратах, возможно изучение физических механизмов ускорения и нагрева частиц, конверсии магнитной энергии, а также самоорганизации сложных систем, включающих плазму и магнитное поле.

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

Цель работы состоит в экспериментальном изучении (по данным измерений на космических аппаратах) физики и динамики процессов в хвосте магнитосферы Земли (на расстояниях 70 000-250 000 км от Земли). При этом основное внимание уделено выработке количественного подхода к описанию событий, и, в частности, изучению:

1) динамики геомагнитного хвоста во время геомагнитных суббурь;

2) зависимости геомагнитной активности от параметров солнечного ветра и ММП;

3) проблемы расположения зоны внезапного начала суббури;

4) структуры конвекции в геомагнитном хвосте.

Новизна работы

В диссертации приведены результаты, полученные автором в период с 1995 по 2002 год. Большая часть их до сих пор отвечает критерию новизны.

К ним относятся выводы о:

1) сходстве динамики и характеристик суббурь на сжатом овале с обычными суббурями и их связи с ММП азимутальной ориентации;

2) различиях в длительности фазы накопления суббурь в широком диапазоне их амплитуд, в частности, постоянстве времени накопления у очень больших суббурь, и возможных объяснениях наблюдаемых закономерностей;

3) форме зависимости геомагнитного индекса ЛЬ от электрического поля и динамического давления солнечного ветра;

4) степени применимости измерений солнечного ветра в удаленной от Земли точке для количественного анализа суббурь;

5) пространственно-временной локализации внезапного начала суббури в ближнем хвосте магнитосферы за 1-2 минуты до его наземных проявлений;

6) Различиях во временном ходе полного давления, измеренного в долях хвоста и в плазменном слое во время суббурь.

Также, впервые были экспериментально обнаружены и изучены:

1) вертикальная стационарная конвекция плазмы в плазменном слое;

2) тонкие вертикальные токовые слои в плазменном слое при северном ММП;

3) Эффект нагрева плазменного слоя в ходе фазы накопления суббури.

Практическая и научная ценность работы

Введенные в общедоступный научный оборот сведения о характеристиках суббурь, процессах и структурах в плазменном слое геомагнитного хвоста позволяют уточнить роль различных физических механизмов, определяющих динамику плазмы магнитосферы Земли. Выработанный комплексный подход к анализу этой динамики делает возможным переход к построению количественных моделей индивидуальных суббурь и проведению сравнительного анализа.

Выявленная картина самоорганизации магнитного поля и плазмы в сложной системе магнитосферы может быть использована для уточнения представлений о строении астрофизических объектов, наблюдаемых только дистанционными методами.

К практическим важным результатам относятся выводы о степени достоверности измерений ММП удаленным от Земли спутником, а также уточнение вида функции связи солнечного ветра и состояния магнитосферы. Они могут быть непосредственно применены для увеличения надежности краткосрочного прогноза космической погоды. Частично эти наработки уже реализованы в системе прогноза космической погоды ИКИ РАН (адрес в Интернете: http://www.iki.rssi.ru/forecast).

Апробация работы

Результаты, вошедшие в диссертацию, были представлены в более чем 60 докладах на различных научных конференциях и семинарах внутри страны и за рубежом:

• на ассамблеях СОБРАЯ (32-й в Нагое, Япония, 1998; 33-й в Варшаве, Польша, 2000; 34-й в Хьюстоне, США, 2002);

• на ассамблеях ЕОЭ (23-й в Ницце, Франция, 1998; 24-й в Гааге, Нидерланды, 1999; 26-й в Ницце, Франция, 2001; 27-й в Ницце, Франция, 2002; 28-й в Ницце, Франция, 2003);

• на конференции Геокосмос (С.Петербург, 1998);

• на конференциях проекта Интербол (в Тулузе, Франция, 1997; в Хельсинки, Финляндия, 1998; в Кошице, Словакия, 1998; в Звенигороде, Россия, 1999; в Киеве, Украина, 2000; в Варшаве, Польша, 2001);

• на конференциях Американского геофизического союза (в Канадза-ве, Япония, 1996; в Лонавале, Индия, 2001);

• на международных конференциях по суббурям (4-ой в Хамана-ко, Япония, 1998; 5-ой в Санкт-Петербурге, Россия, 2000);

• на ежегодных конференциях Американского геофизического союза 1996, 1998, 1999 года;

• на всероссийской конференции по физике солнечно-земных связей, Иркутск, 2001;

• на третьей российско-китайской конференции по космической погоде, Иркутск, 2003; а также на некоторых других и на семинарах ИКИ РАН, СПбГУ, UCLA (США), IWF (Австрия), МРЕ (Германия), FMI (Финляндия), ISAS (Япония).

Личный вклад автора

Космические проекты проводятся большими, часто международными, коллективами. Отдавая должное вкладу большого количества специалистов в подготовку и проведение проектов, необходимо отметить, что автор принимал непосредственное участие в создании наземного математического обеспечения для обработки информационного потока экспериментов. Практически во всех исследованиях, представленных в диссертации, ему принадлежат постановка научной задачи и метода исследований, проведение обработки данных, анализ результатов, их обобщение и интерпретация.

Краткое содержание работы

Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения и списка литературы, содержит 180 страниц (включая 52 рисунка, 7 таблиц и библиографию из 217 наименований).

Заключение диссертации по теме «Физика Солнца», Петрукович, Анатолий Алексеевич

Основные результаты экспериментальных исследований, представленные в данной главе, можно суммировать следующим образом:

1. Вытянутая конфигурация магнитного поля (в отличие от диполь-ной) наблюдается не только в среднем, но и в ближнем хвосте (11-16 Яе)

2. Проявления начала суббури в хвосте магнитосферы имеют вид всплеска пересоединения и приходятся на зону вытянутой магнитной конфигурации на растоянии 11-16 Яе

3. Авроральные (наземные и ионосферные) проявления запаздывают на 1-2 минуты относительно пересоединения мит в хвосте.

Данные результаты находятся в видимом противоречии с популярной точкой зрения о наиболее вероятном расположении зоны пересоединения в среднем хвосте ~25 Яе• Действительно, по данным КА Оео1аП было установлено, что среднее расположение точки наблюдения течений плазмы, направленных от Земли, находится на расстоянии 25 Яе [147]. Однако, при более точном анализе необходимо учитывать задержку между временем начала суббури и наблюдением потоков. На основе суперпозиционного анализа 66 суббурь показано |5, 6, 7], что течения, направленные в хвост, регистрируются одновременно с началом суббури на удалении от Земли около -20 Яе-, а па больших удалениях — с некоторой задержкой. Зона пересоединения (определяемая как смена знака скорости течения) быстро смещается от Земли, но на расстояниях 25-30 Яе это движение замедляется. Такая пространственно-временная динамика и является причиной того, что усредненные данные указывают на 25 Яе как наиболее вероятное место пересоединения. Ближе 15 Яе, течения с отрицательными скоростями на КА Geotail наблюдались лишь эпизодически и имели малую амплитуду, что практически не позволило провести достоверные статистические исследования. Источником [6] движения нейтральной линии и всплеска пересоединения является накопление пересоединенного магнитного потока (диполяризация) на ближайшей к Земле стороне X-линии, смещающее границу между более дипольной и более вытянутой (имеющей дефицит магнитного потока относительно диполя) магнитными конфигурациями хвоста в сторону от Земли. Так как Х-линия может существовать только в вытянутой конфигурации магнитного поля, она (при сохранении других условий на продолжение пересоединения) также смещается от Земли.

Однако, отсутствие прямых наблюдений может быть вызвано не только отсутствием (крайне малой вероятностью) в ближнем хвосте самого явления в принципе, но и некоторыми методическими причинами. Необходимо учитывать, например, вероятность нахождения спутника в различных точках хвоста. В частности, орбита К А Geotail была выбрана таким образом, чтобы спутник максимальное время находился вблизи внутренней части плазменного слоя хвоста в апогее своей орбиты, то есть, абсолютное большинство данных получено на удалении от Земли более 20 Яе-На расстояниях ближе 15 Яе спутник находится значительно меньшее время, причем здесь наклонение его орбиты неоптимально для проведения наблюдений. В результате спутник проводит в пределах ±1 Яе от центра слоя на расстояниях больше 20 Яе от Земли около 2000 часов в год, а па расстояниях менее 15 Не всего около 05 часов 15 год. Волео того, в первые моменты зона активности существенно ограничена и своем протяжении по У и г координатам, быстро смещается от Земли, а интенсивность пересоедипения низка, так как па начальном этапе в этот процесс вовлечены только замкнутые магнитные силовые линии, заполненные плазмой.

Сочетание этих факторов приводит к резкому понижению вероятности нахождения К А Geotail в зоне вероятного пересоединения в ближнем хвосте (<15 Яе)- Аиализ обширной базы данных Оео1,аП за 1995-1997 годы позволил выявить лишь 5 случаев наблюдения событий в зоне ближнего хвоста Земли, подобных описаниому во втором параграфе.

В такой ситуации важное значение приобретают косвенные методы определения исходного расположения зоны начала активности в геомагнитном хвосте. Ее положение вблизи 15 Яе, определенное в первом параграфе главы, по-видимому является достаточно характерным. На основе сопоставления динамики отдельных плазмоидов в магнитном хвосте (по данным одного спутника) с авроральными проявлениями начала суббури [216], место рождения плазмоидов было оценено как ~15 Яе от Земли. Учитывая, что при всплеске пересоединения плазмоид образуется дальше от Земли, чем собственно зона пересоединения^и его размеры составляют не менее нескольких Яе, зона активности в хвосте вероятно формируется ближе к Земле, чем оценка, выполненная по движению плазмоидов.

Таким образом, более тщательный анализ данных показывает, что основным элементом начала суббури в хвосте является всплеск пересоединения в ближней зоне хвоста, который затем быстро смещается от Земли. Как известно, две основные теории суббурь в хвосте предлагают прямо противоположные пространственные сценарии:

Модель околоземной нейтральной линии [79] предполагает, что первичным процессом является магнитное пересоединение, начинающееся на 25 Де, и вызывающее позже [202] магнитную диполяризацию в ближнем хвосте, образование токового клина и прочие явления. Модель разрыва тока [145] отдает приоритет информации о том, что начало суббури согласно наземным и авроральным наблюдениям находится явно ближе к Земле, чем средний хвост и предполагает', что первичным процессом является развитие токовой неустойчивости на внутренней границе токового слоя хвоста (8-12 Яе), в то время как магнитное исресоедииспие считается следствием, которое инициируется позже и дальше от Земли через волну разрежения. Очевидно, в попытке совместить экспериментальные свидетельства о начальной вспышке на самой близкой к экватору дуге полярных сияний, проецирующейся по магнитным линиям в ближний хвост с одной стороны и наблюдения пересоединения в среднем хвосте с другой стороны, обе модели вынуждены использовать представление о двух активных зонах. Динамика в одной из зон считается первичной, а в другой вызывается специальным агентом-переносчиком (потоком плазмы), необходимым так как обе зоны пространственно разнесены на 10-15 Яе- В настоящее время, однако, нет прямых экспериментальных доказательств существования одновременно именно двух зон активности, а также какого-либо процесса, связывающего их.

Если же, как показано в данной главе, всплеск пересоединения является самым ранним проявлением суббури в хвосте и находится значительно ближе к Земле, чем следует из выводов общего статистического анализа, то проблема двух центров активности фактически снимается, а все проявления можно считать исходящими из единственного центра (всплеска). Действительно, учитывая некоторую неопределенность понятия всплеска пересоединения и неточность техники проектирования силовых линий в ионосферу в условиях вытянутой конфигурации хвоста, зона начала суббури по наземным данным (8-12 Яе) близка к зоне ожидаемого начала всплеска пересоединения 11-16 Яе- Сразу же после инициации всплеска, он начинает смещается от Земли, оставляя после себя диполяризованную конфигурацию и становясь более заметным для спутниковых наблюдений. Такая схема проще, чем две вышеупомянутые модели, и удовлетворяет всем имеющимся наблюдательным данным.

Заключение

Значительное увеличение объема и улучшение качества имеющихся экспериментальных данных о магнитосфере Земли, достигнутое в ходе реализации новых космических проектов Интербол, Geotail, Cluster (1995-2001), создало основу для значительного улучшения наших знаний о динамике и структуре геомагнитного хвоста Земли. В результате исследований, включенных в диссертацию, разработан комплексный количественный подход к анализу суббурь, получены существенные новые данные о конвекции плазмы в геомагнитном хвосте, о динамике и механизмах геомагнитных суббурь, о закономерностях влияния солнечного ветра и межпланетного магнитного поля на динамику и структуру хвоста. В частности, выполнены:

1. Анализ структуры конвекции плазмы в геомагнитном хвосте: a) Впервые экспериментально обнаружена и изучена возникающая при южном ММП вертикальная конвекция плазмы, направленная к экваториальной плоскости. При северном ММП эта конвекция исчезает. Исследование сделано по 600 часам измерений на спутнике Интербол-1. b) Обнаружено дополнительное среднее вертикальное медленное течение ~8 км/с, направленное к зениту в зимний сезон. Оно может быть объяснено сдвигом плазменного слоя относительно Земли, характерным для этого сезона. с) По результатам измерений па спутнике Ссо1,аП (3000 часов) показано, что направленные к Земле быстрые потоки плазмы являются эффективными переносчиками магнитного потока во внутреннем плазменном слое (средний угол между векторами скорости и магнитного поля составляет 40-50°). В периферийном плазменном слое потоки направлены почти вдоль местного магнитного поля (средний угол 10-20°). с1) При северном ММП, структура конвекции изменяется, доли хвоста эродируют, пламенный слой расширяется в вертикальном направлении, заполняясь холодной и плотной плазмой. е) В такой конфигурации плазменного слоя (при северном ММП) отдельные магнитные трубки с плазмой сдвинуты вертикально относительно своих соседей, формируя тонкие вертикальные токовые слои на границах сдвига.

2. Исследования солнечного ветра, ориентированные на создание количественных основ анализа динамики геомагнитного хвоста: a) Установлено, что различия между измеряемой на удаленном от Земли спутнике геомагнитной эффективностью (функцией связи) солнечного ветра, и ее величиной около Земли, определяемые естественной изменчивостью и/или неоднородностью ветра, в среднем заметно уменьшаются с ростом значения функции связи. Во время магнитных бурь все различия находятся в пределах 15%, а во время суббурь доля больших, чем 15%, различий составляет 30%. Измерения, сделанные во время малых суббурь, могут значительно отличаться от реальных характеристик межпланетной среды в подсолнечной точке магнитосферы. Исследование выполнено по 5200 часам измерений спутниками Интербол и Оео1аП. b) Функция связи, оптимизированная для описания геомагнитной активности хвоста (геомагнитного индекса АЬ), может быть выражена как функция (полином) от величины, имеющей размерность электрического поля, и управляемой направлением и величиной ММП. Величина и вариации плотности солнечного ветра создают лишь незначительный вклад в геомагнитную активность. Исследование выполнено по 20 годам наблюдений солнечного ветра и АЬ. с) Показано, что малым суббурям, известным также как суббури на сжатом овале и суббури при северном ММП, соответствует азимутальная (а не северная) ориентация ММП (|Ву\ > В2)) при которой конвекция в магнитосфере в целом аналогична конвекции при южном ММП.

3. Исследования глобальной динамики суббурь: a) Подготовлена статистика 110 индивидуальных суббурь различной амплитуды, выделенных по данным спутниковых и наземных наблюдений. b) Установлено, что все суббури имеют сходную временную структуру, связанную с набором и сбросом магнитного потока (магнитного давления в хвосте), утоньшением плазменного слоя перед началом суббури. c) Показано, что магнитное (равное полному) давление в долях хвоста является достоверным универсальным параметром, описывающим глобальные изменения (набор и сброс магнитного потока) в геомагнитном хвосте в ходе суббурь любой амплитуды. с!) В ходе суббури полное давление в плазменном слое может отличаться от давления в долях хвоста, формируя локальные максимумы и минимумы, связанные с отклонением конфигурации плазменного слоя от плоской. е) Фаза накопления суббурь может быть выделена по нарастанию величины магнитного потока (давления в хвосте). Статистика ее длины в зависимости от функции связи солнечного ветра показывает, что накопление некоторого предельного значения магнитного потока (то есть, обратная пропорциональность между длительностью фазы и интенсивностью накопления (функцией связи)) характерна только для средних суббурь. Перед малыми суббурями накопление магнитного потока незначительно, а у больших суббурь (во время магнитных бурь) длительность фазы стабилизируется вблизи 1 часа. Подобная зависимость длительности фазы накопления может быть объяснена простой моделью, определяющей константу времени геомагнитного хвоста как время конвекции силовой линии.

Отсутствие универсального порога по накоплению магнитного потока делает маловероятной применимость моделей суббурь, опирающихся на пороговые микронеустойчивости как основную причину разрушения тока хвоста.

Восстановление детальной пространственно-временной структуры отдельных суббурь: a) Определено, что внезапному началу суббури соответствует всплеск пересоединения, происходящий на расстояниях от Земли 70000-100000 км (11-16 Яе), и приводящий позднее к дипо-ляризации в ближнем хвосте Земли, формированию плазмоида и всплеску полярных сияний в ионосфере. b) Такая схема развития суббури позволяет устранить противоречия между некоторыми современными моделями суббурь, располагающими зону зарождения суббуревого возмущения в геомагнитном хвосте либо ближе к Земле (<70000 км — модель разрушения тока), либо, в среднем хвосте (150000-200000 км — модель околоземной нейтральной линии). с) Установлено, что во время фазы накопления, плазменный слой в среднем геомагнитном хвосте (100000-250000 км от Земли) под действием увеличивающегося давления в хвосте сначала сжимается со снижением величины нормальной компоненты магнитного поля, а затем, по достижении некоторого продела сжатия, соответствующего величине нормальной компоненты порядка 1 нТл, увеличение давления компенсируется увеличением температуры ионов с сохранением геометрии слоя. Подобный механизм реакции плазменного слоя на внешнее воздействие создает ресурс динамической стабильности слоя во время больших суббурь. а, защиту выносятся следующие положения:

Установлено, что различия между измеряемой на удаленном от Земли спутнике геомагнитной эффективностью (функцией связи) солнечного ветра, и ее величиной около Земли, определяемые естественной изменчивостью и/или неоднородностью ветра, в среднем заметно уменьшаются с ростом значения функции связи. Во время магнитных бурь все различия находятся в пределах 15%, а во время суббурь доля больших, чем 15%, различий составляет 30%. Достаточная достоверность удаленных наблюдений солнечного ветра создает основу для количественного изучения динамики геомагнитного хвоста и надежного прогноза космической погоды.

Статистически оптимальное выражение для функции связи солнечного ветра с индексом геомагнитной активности АЬ определяется формулой: У^ВЩ+Щёт4 (9/2) 4- 4.4-10-6У2эш0"5 (9/2) с доминирующим влиянием электрического поля солнечного ветра.

Малые суббури (часто называющиеся суббуря мм на ежа,том овале) связаны со слабым азимутальным ММП (\Ву\ > а их динамика схожа с динамикой обычных суббурь. Таким образом, не обнаружено проявлений каких-либо альтернативных механизмов динамики суббурь, не связанных с процессом пересоединения ММП и геомагнитного поля.

Впервые экспериментально обнаружена вертикальная конвекция в плазменном слое, направленная к экваториальной плоскости при южном ММП. Вторая компонента вертикальной конвекции, направленная к зениту, является следствием смещения силовых линий плазменного слоя относительно Земли в зимний сезон. Вблизи экваториальной плоскости ход конвекции замыкается быстрыми спорадическими потоками плазмы, ответственными за большую часть переноса плазмы и магнитного потока к Земле.

Показано, что давление в долях геомагнитного хвоста является надежным и универсальным параметром, пригодным для описания глобальной динамики во время суббурь. Полное давление в плазменном слое может сильно отличаться от давления в долях при отклонения конфигурации слоя от плоскостной.

Сравнение характеристик суббурь в широком диапазоне их амплитуд выявило принципиальное сходство глобальной динамики, а также отсутствие какого-либо порога накопления магнитного потока в геомагнитном хвосте при превышении которого инициируется внезапное начало суббури. Во время больших суббурь более значительный рост магнитного давления в хвосте не приводит к прогрессирующему сжатию плазменного слоя, а компенсируется ростом температуры ионов.

На основе многоточечных наблюдений с высоким временным разрешением проведена пространственная и временная локализация внезанпого начала суббури в ближнем хвосте магнитосферы за 1-2 минуты до его проявления в ионосфере. Предложенная схема развития суббури с началом пересоединения в ближнем хвосте позволяет устранить противоречия в некоторых современных моделях суббурь.

8. Показано, что при северном ММП плазменный слой геомагнитного хвоста па удалениях 100-200 тысяч километров от Земли однородно (без выраженного градиента, направленного к Земле) заполнен холодной плотной плазмой и магнитным полем с большой нормальной компонентой. Из-за неоднородности процесса высокоширотного пересоединения отдельные магнитные трубки плазменного слоя могут быть смещены в вертикальной плоскости, образуя па границах смещения топкие вертикальные токовые слои.

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Петрукович, Анатолий Алексеевич, 2003 год

1. Ю.И. Ермолаев, A.A. Петрукович, J1.. Зеленый, Е.Е. Антонова, И.Л. Овчинников, В.А. Сергеев, Исследование структуры и динамики плазменного слоя в эксперименте КОРАЛЛ проекта Интербол, Космич. Исслед., 38(1), 16-22, 2000.

2. A.A. Петрукович, С.И. Климов, Использование измерений солнечного ветра для анализа и прогноза геомагнитной активности, Космич. исслед., 38, 5, 463-468, 2000.

3. A.A. Петрукович, ДИНАМИКА МАГНИТОСФЕРЫ ВО ВРЕМЯ СУББУРЬ РАЗЛИЧНОЙ АМПЛИТУДЫ Труды конференции по физике солнечно-земных связей, Иркутск, 24-29 сентября 2001г., "Солнечно-земная физика", Вып. 2 (115), Иркутск 2002, 173-175, 2002.

4. М.И. Шевченко, И.Э. Белова, М.Н. Боярский, P.P. Назиров, A.A. Петрукович, Архив данных проекта Интербол, Космич. Исслед., 37, 563-568, 1999.

5. W. Baumjohann, M. Hesse, S. Kokubun, T. Nagai, T. Mukai,152

6. A.A. Petrukovich, Substorm dipolarization and recovery, J. Geophys. Res., 104, 24995, 1999.

7. W. Baumjohann, T. Nagai, A.A. Petrukovich, T. Mukai, T. Yamamoto, S. Kokubun, Substorm signatures between 11 and 30 Earth radii, Adv. Space Res., 25, 1663-1666, 2000.

8. E.Marsch, V.Vasyliunas, Kluwer Acadcmic Publishers, Dordrecht, 687 692, 1999.

9. V. Peroomian, M. Ashour-Abdalla, L.M. Zelenyi, A.A. Petrukovich, Intrinsic self-adjustment and variability of the magnetotail, Proceedings of the Fifth International Conference on Substorms, ESA SP-443, 121— 126, 2000.

10. A.A. Petrukovich, J. Wanliss, T. Mukai, T. Yamamoto, S. Kokubun, Small-amplitude bipolar flows in the near-earth tail, In International Conference on Substorms-4, edited by S.Kokubun and Y.Kamide, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 207-210, 1998.

11. A.A. Pctrukovich, T. Mukai, S. Kokubun, S.A. Romanov, Y. Saito, T. Yamamoto, L.M. Zelenyi, Substorm-associated pressure variations in the magnetotail plasma sheet and lobe, J. Geophys. R,es., 104, 4501 4514, 1999.

12. A.A. Petrukovich, J. Wanliss, T. Mukai, S. Kokubun, T. Yamamoto, Small-amplitude bipolar flows in the near-Earth tail, Geophys. Res. Lett, 26, 2909-2912, 1999.

13. A.A. Petrukovich, W. Baumjohann, R. Nakamura, T. Mukai, O.A. Troshichev, Small substorms: solar wind input and magnetotail dynamics, J. Geophys. Res., 105, 21109-21118, 2000.

14. A.A. Petrukovich, The growth phase: comparison of small and large substorms, Proceedings of the Fifth International Conference on Substorms, ESA SP-443, 9-14, 2000.

15. A.A. Petrukovich, E.I. Kallio, T.I. Pulkkinen, H.E.J. Koskinen, Solar wind energy input and magnetospheric substorm activity compared, Proceedings of the Fifth International Conference on Substorms, ESA SP-443, 67-70, 2000.

16. A.A. Petrukovich, A. Lazarus, R.P. Lepping, S.I. Klimov, Comparison of the solar wind energy input to the magnetosphere measured by Wind and Interball-1, J. Atmosph. Solar-Terr. Phys., 63/15, 1643-1647, 2001.

17. A.A. Petrukovich, W. Baumjohann, R. Nakamura, R. Schoedel,

18. T. Mukai, Are earthward bursty bulk flows convective or field-aligned?, J. Geophys. Res., 106, 21211-21216, 2001.

19. A.A. Petrukovich Yu.I. Yermolaev, Vertical Ion flows in the plasma sheet:INTERBALL-Tail observations, Ann. Geophys., 20, 321-327, 2002.

20. A.A. Petrukovich, The magnetotail heating and convection before a substorm, Adv. Space Res., 30, 1801-1804, 2002.

21. Petrukovich A.A. Comparison of AL and AU auroral indices dependence on the solar wind input 34th COSPAR Scientific Assembly, Houston, TX, USA, 10-19 October 2002, Abstract COSPAR02-A-02384, 2002.

22. Petrukovich A.A., W. Baumjohann, R. Nakamura, A. Balogh, K.-H. Glassmeier,Vertical current sheets in the magnetotail under northward IMF, EGS-AGU-EUG Joint Assembly, Nice, France, 06-11 April 2003, Abstract ST4-1M040-008, 2003.

23. Yu.I. Yermolaev, V.A. Sergeev, L.M. Zelenyi, A.A. Petrukovich, J.-A. Sauvaud, T. Mukai, S. Kokubun, Two spacecraft observation of plasma sheet convection jet during continuous external driving, Geophys. Res. Lett., 26, 177-180, 1999.

24. Yu.I. Yermolaev, A.A. Petrukovich, L.M. Zelenyi, Interball statistical study of ion flow fluctuations in the plasma sheet, Adv. Space Res., 30, 2695-2700, 2002.

25. G.N. Zastenker, P.A. Dalin, A.A. Petrukovich, M.N. Nozdrachev, S.A. Romanov, K.I. Paularena, J.D. Richardson, A.J. Lazarus, R.P. Lepping, A. Szabo, Solar wind structure dynamics by multipoint observations, Phys. Chem. Earth (C), 25, 137-140, 2000.

26. L.M. Zelenyi, P. Triska, A.A. Petrukovich, INTERBALL Dual Probe and Dual Mission, Adv. Space Res., 20, 549-557, 1997.

27. L.M. Zelenyi, A.A. Petrukovich, E.Y. Budnick, S.A. Romanov, V.A. Sergeev, T. Mukai, T. Yamamoto, S. Kokubun, K. Shiokawa,

28. C.S. Deehr, J. Buchner, I. Sandahl, Substorm onset models and observations, In International Conference on Substorms-4, edited by S.Kokubun and Y.Kamide, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 327-330, 1998.

29. Акасофу С.-И. Полярные и магнитосферные суббури. М., Мир, 1971.

30. Акасофу С.-И. Чепмен С. Солнечно-земная физика 4.1., М., Мир,1974.

31. Акасофу С.-И. Чепмен С. Солнечно-земная физика 4.2., М., Мир,1975.

32. Альвен Г., Фельтхаммар К.Г. Космическая электродинамика, М., Мир, 1967.

33. Антонова Е.Е., Тверской Б.А., Формирование спектра магнитосфер-ной турбулентности и теория магнитосферной суббури. Препринт НИИЯФ МГУ 90-14/160, 1990.

34. Арыков A.A., Мальцев Ю.П., Головчанская И.В., Статистическое исследование поведения параметров солнечного ветра во время суббурь, Геомагнетизм и аэрономия, 42: (2) 153-158, 2002.

35. Бюхнер Й, Зеленый JI.M., Волновые процессы в хвосте магнитосферы. Исследования космического пространства, ВИНИТИ, 28, 3-128, 1986.

36. Галеев A.A., Зеленый Л.М., Нелинейная теория неустойчивости диффузного нейтрального слоя, ЖЭТФ, 69, 882-895, 1975.

37. Галеев A.A., Зеленый JIM., Разрывная неустойчивость в плазменных конфигурациях, ЖЭТФ, 70, 2133-2151, 1976.

38. Дмитриева Н.П., Сергеев В.А., Длительность предварительной фазы суббурь со спонтанным началом взрыва, Геомагнетизм и Аэрономия, 25, 3, 425-427, 1985.

39. Дубинин Э.М., Подгорный И.М., Потанин E.H. Экспериментальное доказательство существования открытой и закрытой моделей магнитосферы. Космич. Исслед., 15, 866-872, 1977.

40. Застенкер Г.Н., Далин П.А., Лазарус А.Дж., Пауларена К.И. Сопоставление параметров солнечного ветра, измеренных одновременно на нескольких космических аппаратах. Космич. Исслед., 36, 228240, 1998.

41. Зеленый Л.М. Динамика плазмы и магнитных полей в хвосте магнитосферы земли4 Исследования космического пространства, ВИНИТИ, 24, 58-186, 1986.

42. Зеленый Л.М., Бюхнер Й., Стохастический механизм срыва процесса накопления энергии в магнитосферном хвосте, Физика Плазмы, 13, 109-114, 1987

43. Кропоткин А.П., Домрип D.E. Динамика ионом и вынужденное по-рееоедипение в топком плазменном слое. Геомагнетизм и аэрономия, 35, 2, 1-17, 1995.

44. Кузнецов Б.М., Сергеев В.А. Количественные данные о влиянии межпланетных параметров на электрическое поле в полярной шапке, полученные из анализа магнитных вариаций. Геомагнетизм и Аэрономия, 19, 1979

45. Ляцкий В.Б. Мальцев Ю.П. магнитосферно-ионосферное взаимодействие М., Наука, 1983.

46. Пономарев Е.А., Механизмы магнитосферных суббурь. М: Наука, 1985.

47. Пономарев Е.А. , МАГНИТОСФЕРНЫЕ ПРОЦЕССЫ, Солнечно-земная физика. Вып. 2. (2002) 156-159, 2002.

48. Пудовкин М.И., Козелов В.П., лазутин JI.J1. и др., Физические основы прогнозирования магнитосферных возмущений JL, Наука, 1977.

49. Пудовкин М.И. Семенов B.C. теория пересоединения в взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой Земли М., Наука, 1985.

50. Садовский A.M., Галеев A.A. Квазилинейная теория ионной вей-белевской неустойчивости в хвосте магнитосферы Земли. Физика плазмы, 27, 519-525, 2001.

51. Сергеев В.А., Цыганенко H.A., Магнитосфера земли, М.: Наука, 1980.

52. Спрайтер Дж.Р., Алксне А.И., Обтекание магнитосферы потоком солнечной плазмы — В кн.: Физика магнитосферы. М.: Мир, 19-65, 1972.

53. Старков Г.В., Фельдштейн Ю.И., Геомагнетизм и аэрономия, И, 478, 1971.

54. Фельдштейн Ю.И., Морфология авроральных и магнитных возмущений в высоких широтах, Геомагнетизм и аэрономия, 3, 227-239, 1963.

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

56. Akasofu, S.-I., P.D. Perreault, F. Yasuhara, and C.-I. Meng, Auroral substorms and the interplanetary magnetic field, J. Geophys. Res., 78, 7490-7508, 1973.

57. Angelopoulos, V., W. Baumjohann, C. F. Kennel, F. V. Coroniti, M. G. Kivelson, R. Pellat, R. J. Walker, H. Liihr, and G. Paschmann, Bursty bulk flows in the inner plasma sheet, J. Geophys. Res., 97, 4027-4039,1992.

58. Angelopoulos, V., C.F. Kennel, F.V. Coroniti, R. Pellat, M.G. Kivelson, R.J. Walker, C.T. Russell, W. Baumjohann, W.C. Feldman, and J.T. Gosling, Statistical characteristics of bursty bulk flow events, J. Geophys. Res., 99, 21257-21280, 1994.

59. Angelopoulos, V., et al., Magnetotail flow bursts: Association to global magnetospheric circulation, relationship to ionospheric activity and direct evidence for localization, Geophys. Res. Lett., 24, 2271-2274, 1997.

60. Angelopoulos, V., T. Mukai, and S. Kokubun, Evidence for intermittency in Earth's plasma sheet and implications for self-organized criticality, Phys. Plasmas, 6, 4161-4168, 1999.

61. Antonova, E.E., and I.L. Ovchinnikov, Magnetostatically equilibrated plasma sheet with developed medium-scale turbulence: Structure and implications for substorm dynamics, J. Geophys. Res., 104, 1728917298, 1999.

62. Arnoldy, R.L., Signature in the interplanetary medium for substorms, J. Geophys. Res., 76, 5189, 1971.

63. Ashour-Abdalla, M., L.M. Zelenyi, V. Peroomian, R.L. Richard, and J.M. Bosqued, The mosaic structure of plasma bulk flows in the Earth's magnetotail, J. Geophys. Res., 100, 19191-19210,1995.

64. Baker, D. N., T. I. Pulkkinen, E. W. Hones Jr., R. D. Belian, R. L. McPherron, and V. Angelopoulos, Signatures of the substorm recovery phase at high-altitude spacecraft, J. Geophys. Res., 99, 10967-10979, 1994.

65. Baker, D. N., T. I. Pulkkinen, V. Angelopoulos, W. Baumjohann, and R. L. McPherron, Neutral line model of substorms: Past results and present view, J. Geophys. Res., 101, 12975-13010, 1996.

66. Balogh, A., et al., The Cluster magnetic field investigation: overview of in-flight performance and initial results, Ann. Geophys., 19, 1207, 2001.

67. Bame, S.J., J.R. Asbridge, H.E. Felthauser, J.R Glore, G. Paschmann, P. Hemmerich, K. Lehmann, and H. Rosenbauer, ISEE-1 and ISEE-2 fast plasma experiment and the ISEE-1 solar wind experiment, IEEE Trans. Geosci. Electr., 16, 216-220, 1978.

68. Bargatze, L.F., D.N. Baker, R.L. McPherron, and E.W. Hones, Jr., Magnetospheric impulse response for many levels of geomagnetic activity, J. Geophys. Res., 90, 6387, 1985.

69. Bargatze, L.F., T. Ogino, R.L. McPherron, and R.J. Walker, Solar wind magnetic field control of magnetospheric response delay and expansion onset timing, J. Geophys. Res., 104, 14583-14599, 1999.

70. Baumjohann, W., G. Paschmann, and H. Lühr, Characteristics of highspeed ion flows in the plasma sheet, J. Geophys. Res., 95, 3801-3809, 1990.

71. Baumjohann, W., G. Paschmann, and H. Lühr, Pressure balance between lobe and plasma sheet, Geophys. Res. Lett., 17, 45-48, 1990.

72. Baumjohann, W., The near Earth plasma sheet: An AMPTE IRM perspective, Space Sei. Rev., 64, 141-163, 1993.

73. Birn, J., Magnetotail equilibrium theory: The general three-dimensional solution, J. Geophys. Res., 92, 11101-11108, 1987.

74. Borovsky, J.E., R.C. Elphic, H.O. Funsten, and M.F. Thomsen, The Earth's plasma sheet as a laboratory for flow turbulence in high ß MHD, J. Plasma Phys., 57, 1-34, 1997.

75. Boyle, C.B. P.H. Reiff, and M.R. Hairston, Empirical polar cap potentials, J. Geophys. Res., 102, 111, 1997.

76. Büchner, J., and L. M. Zelenyi, Chaotization of the electron motion as the cause of an internal magnetotail instability and substorm onset, J. Geophys. Res., 92, 13456-13466, 1987.

77. Burke, W.J., D.R. Weimer, and N.C. Maynard, Geoeffective interplanetary scale sizes derived from regression analysis of polar cap potentials, J. Geophys. Res., 104, 9989-9994, 1999.

78. Burlaga, L.F., Interplanetary Magiietoliydrodynamics. Oxford University Press, NY, 1995.

79. Caan, M., R.L. McPherron, and C.T. Russell, Substorm and interplanetary magnetic field effects on the geomagnetic tail lobes, J. Geophys. Res., 80, 191-194, 1975.

80. Caan, M. N., R. L. McPherron, and C. T. Russell, Characteristics of the association between the interplanetary magnetic field and substorms, J. Geophys. Res., 82, 4837, 1977.

81. Chen, L.J., G.K. Parks, M. McCarthy, D. Larson, and R.P. Lin, Kinetic properties of bursty bulk flow events, Geophys. Res. Lett., 27, 18471850, 2000.

82. Collier, M.R., Slavin, J.A., Lepping, R.P., Szabo, A., Ogilvie, K., Timing accuracy for the simple planar propagation of magnetic field structures in the solar wind. Geophysical Research Letters 25, 2509-2512, 1998.

83. Coroniti F.V., McPherron R. L., Parks, G.K., J. Geophys. Res., 73, 1715, 1968.

84. Coroniti F.V., Kennell C.F., Changes in magnetospheric configuration during substorm growth phase, J. Geophys. Res., 77, 3361-3370, 1972.

85. Coroniti, F. V., Explosive tail reconnection: The growth and expansion phase of magnetospheric substorms, J. Geophys. Res., 90, 7427, 1985.

86. Crooker, N.U., Siscoe, G.L., Russell, C.T., Smith, E.J., Factors controlling degree of correlation between ISEE 1 and ISEE 3 interplanetary magnetic field measurements. J. Geophys. Res., 87, 22242230, 1982.

87. Crooker, N.U., Reverse convection, J. Geophys. Res., 97, 19363-19372, 1992.

88. Cumnock, J.A., R.A. Heelis, and M.R. Hairston, High-latitude ionospheric convection pattern during steady northward interplanetary magnetic field, J. Geophys. Res., 100, 14537-14555, 1995.

89. Dungey, J.W., Interplanetary magnetic field and the auroral zones, Phys. Rev. Lett., 6, 47-48, 1961.

90. Fairfield, D.H., Average and unusual locations of the Earth's magnetopause and bow shock. J. Geophys. Res., 76, 6700-6716, 1971.

91. Fairfield, D.H., A statistical determination of the shape and position of the geomagnetic neutral sheet, J. Geophys. Res., 85, 775-780, 1980.

92. Fairfield, D.H., Solar wind control of the distant magnetotail: ISEE-3, J. Geophys. Res., 98, 21265, 1993.

93. Fairfield, D.H. et al., Geotail observations of an unusual magnetotail under very northward IMF conditions, J. Geomag. Geoelectr., 48, 473487, 1996.

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

95. Fedder, J.A., and J.G. Lyon, The Earth's magnetosphere is 165 Re long: Self-consistent currents, convection, magnetospheric structure, and processes for northward interplanetary magnetic field, J. Geophys. Res., 100, 3623-3635, 1995.

96. Fillingim, M.O., G.K. Parks, L.J. Chen, M. Brittnacher, G.A. Germany, J.F. Spann, D. Larson, and R.P. Lin, Coincident POLAR/UVI and Wind observations of pseudobreakups, Geophys. Res. Lett., 27, 13791382, 2000.

97. Freeman, M.P. and C.J. Farrugia, Solar wind input between substorm onsets during and after the October 18-20, 1995, magnetic cloud, J. Geophys. Res., 104, 22, 729-22, 744, 1999.

98. Galeev, A.A., M.M. Kuznetsova, and L.M. Zelenyi, Magnetopause stability threshold for patchy reconnection, Space Sei. Rev., 44, 1, 1986.

99. Galperin Y.I, J.M. Bosqued, Stationary magnetospheric convection on November 24, 1981. 1. A case study of "pressure gradient/minimum-B11 auroral arc generation, Ann. Geophys., 17, 358-374, 1999.

100. Gleisner, H., and H. Lundstedt, Response of the auroral electrojets to the solar wind modeled with neural networks, J. Geophys. Res., 102, 14269-14278, 1997.

101. Gleisner, H., and H. Lundstedt, Auroral electrojet predictions with dynamic neural networks, J. Geophys. Res., 106, 24541-24549, 2001.

102. Gonzalez, W.D., Joselyn, J.A., Kamide, Y., Kroehl, H.W., Rostoker, G., Tsurutani, B.T., Vasyliunas, V.M., What is a geomagnetic storm? Journal of Geophysical Research 99, 5771-5792, 1994.

103. Gusev, M.G., and O.A. Troshichev, Relation of sun-aligned arcs to polar cap convection and magnetic disturbances, Planet. Space Sei., 38, 1-11, 1990.

104. Heikkila, W. J., Comment on "The atlernative paradigm for magnetospheric physicsMby E. N. Parker J. Goophys. Res., 102, 96519656, 1997.

105. Hones, E. W., Jr., Plasma sheet behavior during substorms, in Magnetic Reconnection in Space and Laboratory Plasmas, Geophys. Monogr. Ser., vol. 30, edited by E.W. Hones Jr., pp. 178-184, AGU, Washington, D. C., 1984.

106. Huang, C.-S., D.A. Andre, G.J. Sofko, and A.V. Kustov, Super dual auroral radar network observations of ionospheric multicell convection during northward interplanetary magnetic field, J. Geophys. Res., 105, 7419-7428, 2000.

107. Ieda, A., S. Machida, T. Mukai, Y. Saito, T. Yamamoto, A. Nishida, T. Terasawa, and S. Kokubun, Statistical analysis of the plasmoid evolution with Geotail observations, J. Geophys. Res., 103, 4453-4465, 1998.

108. Iyemori, T., Time delay of the substorm onset from the IMF southward turning, J. Geomag. Geoelectr., 32, 267-273, 1980.

109. Kallio, E.I., Pulkkinen, T.I., Koskinen, H.E.J., Viljanen, A., Slavin, J.A., Ogilvie, K., Loading-unloading processes in the nightside ionosphere. Geophys. Res. Lett., 27, 1627-1630, 2000.

110. Kamide, Y., and S.-I. Akasofu, Latitudinal cross section of the auroral electrojet and its relation to the interplanetary magnetic field polarity, J. Geophys. Res., 79, 3755-3771, 1974.

111. Kamide, Y., P.D. Perreault, S.-I. Akasofu, and J.D. Winningham, Dependence of substorm occurrence probability, on the interplanetary magnetic field and on the size of the auroral oval, J. Geophys. Res., 82, 5521-5528, 1977.

112. Kamide, Y., and S. Kokubun, Two-component auroral electrojot: Importance for substorm studies, J. Geophys. Res., 101, 13027-13046, 1996.

113. Kamide, Y., W. Baumjohann, I.A. Daglis, W.D. Gonzalez, M. Grande, J.A. Joselyn, R.L. McPherron, J.L. Phillips, E.G.D. Reeves,

114. G. Rostoker, A.S. Sharma, H.J. Singer, B.T. Tsurutani, V.M. Vasyliunas, Current understanding of magnetic storms: Storm-substorm relationships, J. Geophys. Res., 103, 17705-17728, 1998.

115. Kan, J. R., A global magnetosphere-ionosphere coupling model of substorms, J. Geophys. Res., 98, 17263-17276, 1993.

116. Kistler, L.M., E. Möbius, W. Baumjohann, G. Paschmann, and D.C. Hamilton, Pressure changes in the plasma sheet during substorm injections, J. Geophys. Res., 97, 2973-2983, 1992.

117. Koskinen, H. E. J., R. E. Lopez, R. J. Pellinen, T. I. Pulkkinen, D. N. Baker, and T. Bosinger, Pseudobreakup and substorm growth phase in the ionosphere and magnetosphere, J. Geophys. Res., 98, 5801-5813, 1993.

118. Kokubun, S., T. Yamamoto, M. Acuna, K. Hayashi, K. Shiokawa, and

119. H. Kawano, The GEOTAIL magnetic field experiment, J. Geomagn. Geoelectr., 46, 7-21, 1994.

120. Kropotkin A.P. On the physical mechanism of the magnetospheric substorm development, Planetary and Space Sei., 20, 1245-1254, 1972.

121. Kropotkin A.P., Lui A.T.Y. Quasi-static evolution of the magnetosphere: the substorm growth phase, J. Geophys. Res., 100, 17231-17240, 1995.

122. Kropotkin, A. P.; Trubachev, 0. 0.; Lui, A. T. Y., Nonlinear instability of the geomagnetotail current sheet combining the features of tearing and cross-field current instabilities, J. Geophys. Res., 104, 371-382, 1999.

123. Kuznetsova, M.M., J. Biichner, and L.M. Zelenyi, Onset of collisionless magnetic reconnection in sheared field reversals, J. Geophys. Res., 101, 161-178, 1996.

124. Lakhina, G.S., E. Hameiri, M. Mond, Ballooning instability of the Earth's plasma sheet region in the presence of parallel flow, J. Geophys. Res., 95, 10441-10448, 1990.

125. Le, G., C.T. Russell, J.T. Gosling, and M.F. Thomsen, ISEE observations of the low-latitude boundary layer for northward interplanetary magnetic field: Implications for cusp reconnection, J. Geophys. Res., 101, 27,239-27,249, 1996.

126. Lopez R., M.Wilterger, J. Lyon, Direct-driving of the magnetosphere in MHD simulations 34th COSPAR Scientific Assembly, Houston, TX, USA, 10-19 October 2002, Abstract COSPAR02-A-02887, 2002.

127. Lui, A.T.Y., C.D. Anger, and S.-I. Akasofu, The equatorward boundary of the diffuse aurora and auroral substorms as seen by the Isis 2 auroral scanning photometer, J. Geophys. Res., 80, 3603-3614, 1975.

128. Lui, A.T.Y., S.-I. Akasofu, E.W. Hones Jr., S.J. Bame, and C.E. Mcllwain, Observation of the plasma sheet during a contracted oval substorm in a prolonged quiet period, J. Geophys. Res., 81, 1415-1419, 1976.

129. Lui, A. T. Y., Current disruption in the Earth's magnetosphere: Observations and models, J. Geophys. Res., 101, 13067, 1996.

130. Lyons, L.R., Substorms: Fundamental observational features, distinction from other disturbances, and external triggering, J. Geophys. Res., 101, 13011, 1996.

131. Maezawa, K., Magnetic Convection Induced by the Positive and Negative z Components of the Interplanetary Magnetic Field: Quantitative Analysis Using Polar Cap Magnetic Records, J. Geophys. Res., 81, 2289-2303, 1976.

132. McPherron, R.L. Growth Phase of Magnetospheric Substorms, J. Geophys. Res., 75(28), 5592, 1970.

133. McPherron, R.L., Substorm related changes in the geomagnetic tail: The growth phase, Planet. Space Sci., 20, 1521-1539, 1972.

134. McPherron, R.L., C.T. Russell, M.G. Kivelson, and P.J. Coleman Jr., Substorms in space: The correlation between ground and satellite observations of the magnetic field, Radio Sci., 8, 1059-1076, 1973.

135. McPherron, R.L., C.T. Russell, and M.P. Aubry, Satellite studies ofmagnetospheric substorms on August 15, 1968, J. Geophys. Res., 78, 3131, 1973.

136. McPherron R.L., Substorm growth phase, Int. Conf. on Substorms-2, University of Alaska, Fairbanks, 213, 1994.

137. McPherron A.V., L.M. Zelenyi, P. Veltri, G. Zimbardo, A.L. Taktakishvili, Geometric description of the magnetic field and plasma coupling in the near-Earth stretched tail prior to a substorm, J. Atmos. Sol. Terr. Phys., 63, 705-721, 2001.

138. Mobarry, C.M., J.A. Fedder, J.G. Lyon, Equatorial plasma convection from global simulations of the Earth's magnetosphere, J. Geophys. Res., 101, 7859-7874, 1996.

139. Mukai, T., S. Machida, Y. Saito, M. Hirahara, T. Terasawa, N. Kaya, T. Obara, M. Ejiri, and A. Nishida, The low energy particle (LEP) experiment onboard the Geotail satellite, J. Geomagn. Geoelectr., 46, 669-692, 1994.

140. Mukai, T., M. Fujimoto, M. Hoshino, S. Kokubun, S. Machida, K. Maezawa, A. Nishida, Y. Saito, T. Terasawa, and T. Yamamoto, Structure and kinetic properties of plasmoids and their boundary regions, J. Geomagn. Geoelectr., 48, 541-560, 1996.

141. Murayama, T., and K. Hakamada, Effects of soalr wind parameters on the development of magnetospheric substorms, Planet. Space Sci., 23, 75, 1975.

142. Nagai, T., H.J. Singer, T. Mukai, T. Yamamoto, and S. Kokubun, Development of substorms in the near-Earth tail, Adv. Space Res., 25, 1651-1662, 2000.

143. Nakamura, M., G. Paschmann, W. Baumjohann, and N. Sckopke, Ion distributions and flows near the neutral sheet, J. Geophys. Res., 96, 5631-5649, 1991.

144. Nakamura, M., W. Baumjohann, G. Paschmann, and N. Sckopke, Ion distributions and flows in and near the plasma sheet boundary layer, J. Geophys. Res., 97, 1449-1460, 1992.

145. Nakamura, R., D. N. Baker, R. D. Belian, and E. A. Bering III, Particle and field signatures during pseudobreakup and major expansion onset of substorms, J. Geophys. Res., 99, 207-222, 1994.

146. Nakamura, R., W. Baumjohann, M. Brittnacher, V.A. Sergeev, M. Kubyshkina, T. Mukai, and K. Liou, Flow bursts and auroral activations: Onset timing and foot point location, J. Geophys. Res., 106, 10777-10789, 2001.

147. Nakamura, R., W. Baumjohann, R. Schodel, M. Brittnacher, V.A. Sergeev, M. Kubyshkina, T. Mukai, and K. Liou, Earthward flow bursts, auroral streamers, and small expansions, J. Geophys. Res., 106, 10791-10802, 2001.

148. Newell, P. T., Y. I. Feldstein, Y. I. Galperin, and C.-I. Meng, Morphology of nightside precipitation, J. Geophys. Res., 101, 10737, 1996.

149. Nishida, A., Interplanetary origin of electric fields in the magnetosphere, Cosmic Electrodyn., 2, 350, 1971.

150. Nishida, A. T. Mukai, T. Yamamoto, S. Kokubun, K. Maezawa, Aunified model of the magnetotail convection in geomagnetically quiet and active times, J. Geophys. Res., 103, 4409-4418, 1998.

151. Nishida, A., The Earth's dynamic magnetotail, Space Sci. Rev., 91, 507577, 2000.

152. Nishino, M.N., T. Terasawa, and M. Hoshino, Increase of the tail plasma content during the northward interplanetary magnetic field intervals: Case studies, J. Geophys. Res., 107, 1261, doi: 10.1029/2002JA009268, 2002.

153. Ohtani, S., T. Higuchi, A. T. Y. Lui, and K. Takahashi, Magnetic fluctuations associated with tail current disruption: Fractal analysis, J. Geophys. Res., 100, 19135-19145, 1995.

154. Opgenoorth, H.J., et al., A new family of geomagnetic disturbance indices, in Satellite-Ground Based Coordination Sourcebook, edited by M. Lockwood, M.N. Wild, and H.J. Opgenoorth, Eur. Space Agency Spec. Publ., ESA SP-1198, 49-62, 1997.

155. Panasyuk M.I., Empirical models of terrestrial trapped radiation, Adv. Space. Res., 17, 137-145, 1995.

156. Paschmann, G., H. Loidl, P. Obermayer, M. Ertl, R. Laborenz, N. Sckopke, W. Baumjohann, C.W. Carlson, and D.W. Curtis, The plasma instrument for AMPTE/IRM, IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., 23, 262-266, 1985.

157. Parker, E. N., The alternative paradigm for magnetospheric physics J. Geophys. Res., 101, 10587-10626, 1996.

158. Paterson, W. R., L.A. Frank, S. Kokubun, and T. Yamamoto, Geotail survey of ion flow in the plasma sheet: Observations between 10 and 50 Re, J. Geophys. Res., 103, 11811-11826, 1998.

159. Paterson, W. R,, L.A. Frank, S. Kokubun, and T. Yamamoto, Reply, J. Geophys. Res., 104, 17527, 1999.

160. Peredo, M., D. P. Stern, and N. A. Tsyganenko, Are existing magnetospheric models excessively stretched?, J. Geophys. Res., 98, 15343-15354, 1993.

161. Perreault, P.D., Kamide, Y., A dusk-dawn asymmetry in the response of the magnetosphere to the IMF Bz component. Journal of Geophysical Research, 81, 4773, 1976.

162. Perreault, P., Akasofu, S.-L, A study of geomagnetic storms. Geophysical Journal of Royal Astronomical Society 54, 547, 1978.

163. Pontius, D.H., Jr., and R.A. Wolf, Transient flux tubes in the terrestrial magnetosphere, Geophys. Res. Lett., 17, 49-52, 1990.

164. Potapov A.S., T.N.Polyushkina, A phenomenological study of the Dst storm variation, Planet. Space Sei., 40, 731-739, 1992

165. Pulkkinen, T. I., D. N. Baker, P. K. Toivanen, R. J. Pellinen, R. H. W. Friedel, and A. Korth, Magnetospheric field and current distributions during the substorm recovery phase, J. Geophys. Res., 99, 10955-10966, 1994.

166. Pulkkinen, T. I., Pseudobreakup or substorm?, in Proceedings of Third International Conference on Substorms (ICS3), Eur. Space Agency Spec. Publ., ESA SP-389, 285-294, 1996.

167. Reiff, P.H. and Burch, J.L., IMF By-Dependent Plasma Flow and Birkeland Currents in the Dayside Magnetosphere, 2. A Global Model for Northward and Southward IMF, J. Geophys. Res., 90, 1595-1609, 1985.

168. Reme, H., et al., First multispacecraft ion measurements in and near the Earth's magnetosphere with the identical Cluster ion spectrometry (CIS) experiment, Ann. Geophys., 19, 1303, 2001.

169. Romick, C. J., The detection and study of the visible spectrum of the aurora and airglow, Meth. Atmos. Radiometry, 91, 63, 1976.

170. Russell, C.T., Siscoe, G.L., Smith, E.J., Comparison of ISEE-1 and -3 interplanetary magnetic field observations, Geophys. Res. Lett. 7, 381— 384, 1980.

171. Sandahl, I., et al., Interball substorm observations — Christmas for space scientists, in Proceedings of Third International Conference on Substorms (ICS3), Eur. Space Agency Spec. Publ., ESA SP-389, 497506, 1996.

172. Sandahl, I., et al., First results from the plasma composition spectrometer PROMICS-3 in the Interball project, Ann. Geophys., 15, 542-552, 1997.

173. Schodel, R., W. Baumjohann, R. Nakamura, V.A. Sergeev, T. Mukai, Rapid Flux Transport in the Central Plasma Sheet, J. Geophys. Res., 106, 301-313, 2001.

174. Scholer, M., A review of the ISEE-3 geotail suprathermal ion and electron results, Planet. Space Sci., 34, 915-930, 1986.

175. Sergeev, V.A., and W. Lennartsson, Plasma sheet at X & 20Re during steady magnetospheric convection, Planet. Space Sci., 36, 353-370,1988.

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

177. Sergeev, V. A., V. Angelopoulos, D. G. Mitchell, and C. T. Russell, In situ observations of magnetotail reconnection prior to the onset of small substorm, J. Geophys. Res., 100, 19121-19129, 1995.

178. Sergeev, V.A., T.I. Pulkkinen, and R.J. Pellinen, Coupled-mode scenario for the magnetospheric dynamics, J. Geophys. Res., 101, 13047-13065, 1996.

179. Sergeev, V.A., V. Angelopoulos, C. Carlson, and P. Sutcliffe, Current sheet measurements within a flapping plasma sheet, J. Geophys. Res., 103, 9177-9187, 1998.

180. Sergeev, V.A., M.V. Kubyshkina, K. Liou, P.T. Newell, G. Parks, R. Nakamura, and T. Mukai, Substorm and convection bay compared: Auroral and magnetotail dynamics during convection bay, J. Geophys. Res., 106, 18843, 2001.

181. Shiokawa, K., et al., Auroral obsrevations using automatic optical instruments: Relations with multiple Pi2 magnetic pulsations, J. Geomagn. Geoelectr., 48, 39-57, 1996.

182. Shiokawa, K., W. Baumjohann, and G. Haerendel, Braking of high-speed flows in the near-Earth tail, Geophys. Res. Lett. 24, 1179-1182, 1997.

183. Slavin, J.A., E.J. Smith, D.G. Sibeck, D.N. Baker, R.D. Zwickl, and S.-I. Akasofu, An ISEE-3 study of average and substorm conditions in the distant magnetotail, J. Geophys. Res., 90, 10875-10895, 1985.

184. Song, P., D.L. DeZeeuw, T.I. Gombosi, C.P.T. Groth, and K.G. Powell, A numerical study of solar wind-magnetosphere interaction for northward interplanetary magnetic field, J. Geophys. Res., 104, 2836128378, 1999.

185. Stenuit, H., et al., Multispacecraft study on the dynamics of the dusk-flank magnetosphere under northward IMF: 10-11 January 1997, J. Geophys. Res., 107, 1333, doi:10.1029/2002JA009246, 2002.

186. Taguchi, S. and R.A. Hoffman, Ionospheric plasma convection in the midnight sector for northward interplanetary magnetic field, J. Geomag. Geoelectr., 48, 925, 1996.

187. Tanaka, T., Configuration of the magnetosphere-ionosphere convection system under northward IMF conditions with nonzero IMF By, J. Geophys. Res., 104, 14683-14690, 1999.

188. Treumann, R. A., and W. Baumjohann, Basic Space Plasma Physics, 144-145, Imperial College Press, London, 1996.

189. Troshichev, O.A., V.G. Andresen, S. Vennerstroem, and E. Friis-Christensen, Magnetic activity in the polar cap: A new index, Planet. Space Sei., 36, 1095, 1988.

190. Troshichev, O.A., Global dynamics of the magnetosphere for northward IMF conditions, J. Atmosph. Terr. Phys., 52, 1135-1154, 1990.

191. Troshichev, O.A., S. Kokubun, Y. Kamide, T. Mukai, and T. Yamamoto, Fast earthward plasma flows observed in the middistant tail under quietconditions: Relation to substorms, Geophys. Res. Lett. 26, 643-646, 1999.

192. Viljanen, A., and L. Häkkinen, IMAGE magnetometer network, in Satellite-Ground Based Coordination Sourcebook, edited by M. Lockwood, M.N. Wild, and H.J. Opgenoorth, 111-117, Eur. Space Agency Spec. Publ., ESA SP-1198, 1997.

193. Walker RJ, Richard RL, Ogino T, Ashour-Abdalla M The response of the magnetotail to changes in the IMF orientation: The magnetotail's long memory, Phys. Chem. Earth, C, Sol.-Terr. Planet. Sei., 24 221-227, 1999.

194. Williams, D. J., R. W. McEntire, C. Schlemm II, A. T. Y. Lui, G. Gloeckler, S. P. Christon, and F. Glien, Geotail energetic particles and ion composition experiment, J. Geomagn. Geoelectr., 46, 39-57, 1994.

195. Yahnin A.G., Observational constraints on the plasma sheet process related to auroral breakup, Proceedings of the Fifth International Conference on Substorms, ESA SP-443, 263-268, 2000.