Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Энергетические аспекты магнитосферных возмущений

ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Седых, Павел Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СООТНОШЕНИЯ В МАГНИТОСФЕРЕ.

1.1. Введение.

1.2. О трансформации энергии солнечного ветра в энергию магнитосферных процессов.

1.3. Формирование конвекции в магнитосфере.

ГЛАВА 2. МАГНИТОСФЕРНО-ИОНОСФЕРНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ В ОБЛАСТИ АВРОРАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОДЖЕТОВ.

2.1. Введение.

2.2. Постановка задачи.

2.3. Модель вторичного магнитосферного МГД-генератора.

2.4. Параметры магнитосферного МГД - генератора, питающего ионосферную токовую систему.—

2.5. Обсуждение результатов.

ГЛАВА 3. ПРЕДЕЛЫ ПРИМЕНИМОСТИ. СОПОСТАВЛЕНИЕ С ДАННЫМИ НАБЛЮДЕНИЙ.

3.1. Введение.

3.2. Пределы применимости основных уравнений.

3.3. Распределение плазменного давления в экваториальной плоскости магнитосферы.

3.4. Численные оценки параметров магнитосферного источника энергии.

ВЫВОДЫ.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Энергетические аспекты магнитосферных возмущений"

Наблюдательные данные, полученные как наземными методами, так и на ракетах и спутниках, а также их интерпретация значительно расширили объем наших знаний о явлениях в околоземном космическом пространстве. Основным рабочим инструментом описания сложных природных систем (магнитосфера имеет сложную структуру) являются модели. Выбор типа модели зависит от поставленной задачи. Если задача состоит в описании поведения системы в рамках часто встречающихся входных параметров, то используются эмпирические модели. Наличие большого количества экспериментального материала позволяет проводить разделение изучаемого многообразия объектов исследования по каким-либо четким выраженным и легко выделяемым признакам, т.е. проводить классификацию и создавать модель описания поведения системы. В общем, этот тип моделей представляет собой оператор, формально построенный на обучающей выборке и переводящий множество значений входных параметров в выходные. Такие модели хорошо решают задачи диагностики и прогноза поведения системы в простых ситуациях и, в большинстве случаев, удовлетворяют запросы практики. Поскольку такие модели призваны адекватно описывать функции системы, их называют функционально-адекватными моделями (ФАМ). Другой тип моделей -структурно-адекватные модели (САМ) представляют собой обычно систему уравнений физики, описывающую последовательность физических процессов, которые должны иметь место в системе в рамках концепции, которой придерживаются ее создатели. Такие модели могут не только решать задачи описания и прогноза поведения системы в практически любых ситуациях, но также служат и для проверки, корректировки ФАМ. Существует и промежуточный тип моделей - смешанные или гибридные - в которых, наряду со структурно-адекватными блоками, включены эмпирические. Описание сложных природных систем в терминах физики может быть неоднозначным, т.е. две модели, различающиеся заложенными в них доктринами, обе могут показать хорошее соответствие реальности. Проблема выяснения механизмов магнитосферных суббурь - чрезвычайно сложна и многогранна.

В резюме двух международных конференций по суббурям [76,84] и во многих недавних публикациях [49,71-74,107] явственно прозвучали нотки неудовлетворенности отсутствием прогресса в понимании физической сущности магнитосферных процессов, прежде всего, магнитосферной суббури.

В [76] автор прямо обращается к исследователям с важным, ключевым в исследовании суббурь, вопросом: " .Как энергия, импульс и вещество проникают из солнечного ветра в магнитосферу и как они обращаются в наблюдаемые процессы?"

А теперь приведем некоторые цитаты из [107]: ".Первостепенной целью программы Национального Научного Фонда является развитие одной или нескольких исчерпывающих фундаментальных моделей из первых принципов для околоземной космической среды. Существует множество потребностей в таких моделях.Суббуря представляет собой намного более сложное явление, и большинство исследователей, конечно, согласились бы, что ключевые аспекты динамики суббури до сих пор не разрешены, несмотря на несколько десятилетий исследований".

Построение функционально-адекватных моделей не приблизило нас к пониманию физической природы магнитосферных явлений. Четыре десятилетия назад были сформулированы две концепции взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой: концепция квазивязкого взаимодействия [41] и концепция "пересоединения" магнитных силовых линий [56].

Предполагалось, что солнечный ветер мог бы за счет квазивязкого трения увлекать плазму в пограничном слое магнитосферы, приводя к передаче энергии, импульса и вещества, и формировать в магнитосфере двухвихревую конвекцию. Природа квазивязкого трения до настоящего времени не установлена[15]. Высказывалось лишь предположение, что оно может быть связано с неустойчивостью Кельвина-Гельмголыда на флангах магнитосферы.

Первые идеи о возможности "перезамыкания" силовых линий были высказаны Данжи в применении к магнитосферным физическим явлениям[56]. Кратко поясним термин "перезамыкание". При движении плазмы с очень высокой электропроводностью имеет место свойство "вмороженности" магнитных силовых линий: при движении плазмы силовые линии следуют за ней, будучи как бы "приклеенными" к плазме. В самом упрощенном виде процесс "перезамыкания" ("пересоединения") силовых линий магнитного поля представляют следующим образом. При сложном движении плазмы силовые линии с различными направлениями могут подходить очень близко друг к другу, почти соприкасаясь. При дальнейшем движении плазмы силовые линии могут разойтись в прежней топологии, а могут и "перезамкнуться". При наличии конечной, хотя и очень большой, электропроводности такое "перезамыкание" может произойти без касания линий, а всего лишь при тесном их сближении. Сам факт сближения силовых линий с сильно различающимся направлением магнитного поля означает, что вблизи точки сближения имеется достаточно высокая плотность электрического тока. При "перезамыкании" конечная электропроводность "срабатывает" только в малых областях с высокой плотностью тока, но при этом может происходить существенное изменение топологии силовых линий, которое может сказаться на движении всей плазмы.

Перезамыкание" силовых линий представляет собой фундаментальный физический процесс в плазме, ответственный за многие явления плазменной активности. Однако, далеко не бесспорно, что этот процесс имеет фундаментальное значение для магнитосферных суббурь. Совершенно другой круг явлений, связанный с процессом "пересоединения" в неидеальной плазме, относится к солнечным вспышкам, во время которых происходит достаточно быстрая перестройка магнитного поля с превращением части магнитной энергии в другие виды энергии (напр. в энергию ускоренных частиц).

При описании процессов "перезамыкания", согласно [7], различают два типа "перезамыкания" - вынужденное и спонтанное. При вынужденном "перезамыкании" перестройка магнитной конфигурации происходит под действием задаваемой извне силы, которая связана с существованием приложенного к плазме внешнего магнитного поля. Вынужденное "перезамыкание" более удобно для теоретического описания и численного моделирования, поскольку ряд параметров задается извне. То, что происходит в лабораторной и космической плазмах, обычно ближе к спонтанному "перезамыканию". Перед началом "перезамыкания" в такой плазме имеется определенный запас магнитной энергии, затем в ней начинается развиваться некая неустойчивость, которая и приводит к "перезамыканию" силовых линий и переходу избыточной энергии магнитного поля в кинетическую и тепловую энергию плазмы, а иногда и в энергию ускоренных частиц. В реальных условиях "перезамыкание" развивается, как правило, в виде спонтанного процесса из-за перехода из квазиустойчивого состояния в неустойчивое. Однако для более ясного понимания самого процесса "перезамыкания" часто пользуются идеализированной моделью вынужденного "перезамыкания". При вынужденном "перезамыкании" перестройка магнитного поля происходит вблизи нулевых линий или точек вследствие медленного изменения внешних параметров равновесного состояния.

В основе двух основных концепций передачи энергии из солнечного ветра в магнитосферу [41,56], упомянутых выше, лежит предположение о существовании в области взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой значимых коэффициентов переноса - некоторой эффективной вязкости в первом случае и эффективной электропроводности - во втором. Оба этих коэффициента пропорциональны некоторой длине, имеющей смысл длины свободного пробега частиц в случае парных столкновений. Поскольку длина свободного пробега частиц в магнитосфере при парных столкновениях с кулоновским взаимодействием намного превосходит размеры магнитосферы, магнитосферную плазму принято считать бесстолкновительной. Однако в плазме могут существовать коллективные процессы, приводящие к обмену импульсом и энергией между частицами. Обмен идет через волны, которые должны иметь достаточную спектральную плотность энергии, чтобы обеспечить достаточную скорость обмена (квазистолкновительный режим). Таким образом, состоятельность обоих концепций сводится к проблеме отыскания плазменных неустойчивостей, способных обеспечить квазистолкновительный режим. Проблема эта не решена до сих пор, а следовательно, под обеими концепциями передачи энергии из солнечного ветра в магнитосферу отсутствует фундамент.

Существующие концепции, основанные на предположении, что магнитосферная плазма может приходить в сильно турбулизированное состояние в областях с большой плотностью тока, не подтверждается ламинарным характером магнитопаузы и сравнительно малой ее толщиной. Тем более маловероятно возникновение сильной турбулентности, необходимой для перехода в квазистолкновительный режим, в ночной стороне магнитосферы.

Действительно, при некотором критическом значении тока плазма может становиться неустойчивой. Возникающая турбулентность приводит к увеличению эффективной частоты соударений частиц и к уменьшению проводимости плазмы. В этом случае появляются области с аномальным сопротивлением. Ток становится близким к критическому, когда токовая скорость приближается к альвеновской. Типичная величина альвеновской

7 3 скорости У а в интересующей нас области составляет Va«10 см/с, при п»20 см" и В«410^ Гс (при напряженности ММП Bsw=10"4 Гс). В пространстве между головной ударной волной и магнитопаузой (переходной слой) магнитное поле сильно флуктуирует и в среднем оно равно 4BSW вблизи ударной волны. Тогда критическая величина тока при концентрации плазмы п«20 см" равна jKp~neVA~0,18 CGSE, что более чем на несколько порядков превышает наблюдаемые величины. Конечно, в магнитосфере имеются области с аномальным сопротивлением, но они имеют небольшие размеры и 7 недостаточны для обеспечения наблюдаемой большой мощности магнитосферных возмущений. Критическая величина поперечного тока в хвосте магнитосферы при концентрации плазмы п«1 см"3 и величине о Л альвеновской скорости VA~10 см/с равна ^«пеУА«4,8-10" CGSE, что тоже более чем на несколько порядков превышает наблюдаемые величины[12].

Думается, что это все же не главная причина кризиса. Нужные неустойчивости могут отыскаться. Более того, недавно авторам [11,18] удалось показать, что при сверхзвуковом обтекании магнитопаузы потоком плазмы переходного слоя, в сдвиговом течении генерируются косые магнитозвуковые волны, проникающие в магнитосферу и приносящие туда свой импульс. Процесс этот оказался достаточно эффективным и должен учитываться в энергетическом балансе магнитосферы. Главная же причина в том, что обе концепции оказались неподходящим фундаментом для построения последовательности физических механизмов, приводящих нас от процессов в головной ударной волне к процессам формирования авроральных электро джетов.

Принципиальная неприменимость к геомагнитосфере представлений, развиваемых Данжи, была признана немногими. Поэтому существовало множество попыток применить эти представления для объяснения магнитосферных явлений. Оказалось, что даже в этом случае возникают некоторые противоречия[6]:

1. Согласно модели Данжи, во время магнитосферных возмущений силовые линии геомагнитного поля, пересекающие поверхность Земли на широтах, больших широты овала сияний, пересоединяются с силовыми линиями межпланетного магнитного поля и погружены в плазму солнечного ветра, в связи с чем вся полярная шапка открыта для корпускулярных вторжений. Однако экспериментальные данные показывают, что во время возмущений сияния и, следовательно, корпускулярные вторжения наблюдаются лишь в относительно узкой полосе вдоль аврорального овала. Более того, даже те сияния, которые наблюдаются в полярной шапке в спокойные периоды, во время магнитосферных возмущений исчезают[33,53]. 2. В случае стационарной конвекции плазмы в магнитосфере Земли силовые линии геомагнитного поля, вновь замыкающиеся в хвосте магнитосферы, должны перемещаться на ее дневную сторону так, чтобы их основания в ионосфере Земли скользили вдоль аврорального овала. Следовательно, восточный электроджет, обусловленный этим скольжением силовых линий магнитного поля, также должен течь вдоль аврорального овала (в его вечернем секторе), что явно противоречит экспериментальным данным. Необходимо отметить, что в самих положениях концепции Данжи встречаются противоречия. Оказалось, что в рамках этой модели нет ответа на важный вопрос - почему в магнитосферу проникает лишь примерно 1/7 часть электрического поля солнечного ветра[15]. Согласно модели Данжи[56], в солнечном ветре имеется электрическое поле Е=(-1/с)[УВ] (V- скорость солнечного ветра, В - межпланетное магнитное поле), и из-за высокой проводимости вдоль магнитных силовых линий электрический потенциал, связанный с этим полем, передается в ионосферу полярной шапки. В шапке должна была бы возникнуть конвекция от Солнца, и для того, чтобы конвекция была замкнутой, необходимы возвратные движения (к Солнцу) на замкнутых силовых линиях внутренней магнитосферы. В [15] приводятся оценки разности потенциалов между утренней и вечерней сторонами магнитосферы, используя модель Данжи, и полученные значения сравниваются с тем, что дает экспериментальная формула Doyle, Burke[55]:

5ф(кВ)=-11 В2(нТл)

Умножая Е=(-1/с)[УВ] на характерный размер магнитосферы в направлении утро-вечер 30 Re и полагая V=400 км/с, получаем разность потенциалов между утренней и вечерней сторонами магнитосферы 5ф(кВ)«-80В2(нТл), т.е. в 7 раз меньше, чем при расчете по экспериментальной формуле [55].

Простейшие модели, основанные на идее "перезамыкании" в нейтральном слое геомагнитного хвоста были предложены Паркером[93], Свитом[121],

Петчеком[96]. В этих моделях существенную роль играет сопротивление плазмы, обеспечивающее перенос силовых линий через, так называемую, X-точку, т.е. точку пересечения встречных полей. Для условий магнитосферы Земли было бы более адекватно кинетическое описание плазмы в отсутствие столкновений. Роль диссипации, обеспечивающей перевод части магнитной энергии в плазму и перенос силовых линий через Х-точку, выполнялся бы в этом случае частицами, ускоряющимися в процессе "перезамыкания". А сам процесс "перезамыкания" начинался бы как результат неустойчивости нейтрального слоя, по которому течет ток также в виде плоского слоя, по отношению к стягиванию этого тока в отдельные токовые нити. Эта неустойчивость имеет название тиринг-неустойчивости. Коппи, Лаваль и Пелла[51] предложили тиринг-неустойчивость как механизм инициирования процесса "перезамыкания" силовых линий и суббури. Позднее Шиндлер[111] показал, что малая поперечная к слою компонента магнитного поля полностью подавляет электронную тиринг-моду, т.е. исключает электроны из процесса диссипации. Галеев и Зеленый[4] высказали предположение, почему суббуря имеет характер внезапного взрыва, опираясь на линейный анализ и показав, что тиринг-неустойчивость возможна только в определенном интервале значений поперечного магнитного поля. Отметим, что разрывная неустойчивость (тиринг-мода) развивается в нейтральном слое между двумя областями с антипараллельными направлениями магнитного поля, и необходимым условием является наличие электрического сопротивления плазмы. В результате неустойчивости ток в нейтральном слое разрывается на отдельные волокна. Магнитные силовые линии "пересоединяются", образуя магнитные острова, которые затем постепенно исчезают благодаря конечной электропроводности, после чего формируются новые острова и т.д. Вопрос о природе конечной электропроводности в нейтральном слое в хвосте магнитосферы неясен[15].

Рассмотрим теперь серию работ, содержащие серьезную критику применения идеи "пересоединения" магнитных силовых линий к описанию процессов в околоземном космическом пространстве.

Некоторые критические высказывания приведены в обзоре Б.Б. Кадомцева "Перезамыкание магнитных силовых линий"[7]. В [7] была изложена общая картина "перезамыкания" силовых линий, приводился ряд конкретных проявлений этого процесса и подчеркнуты общие черты в различных процессах "перезамыкания". В заключении автор приводит следующие интересные замечания. По мнению автора, идея "перезамыкания" силовых линий оказалась очень плодотворной. Эта идея стала ключевой в объяснении целого ряда явлений в лабораторной и космической плазмах, имеющих характер взрывной трансформации энергии магнитного поля в тепловую и кинетическую энергию частиц. Говорится о том, что идея "перезамыкания" позволяет найти общий подход к объяснению широкого круга явлений. Согласно [7], эта идея позволяет найти общие черты в процессах, отличающихся многими порядками величин по геометрическим и энергетическим масштабам явлений. Поэтому качественная роль идей "перезамыкания" неоценима. Что же касается количественной стороны, то она, по мнению автора этой работы, пока еще не может считаться достигшей совершенства. Дело в том, что процессы "перезамыкания" довольно сложны даже в лабораторных, а тем более в естественных условиях. Теоретические модели, как правило, ухватывают лишь качественные, в основном двумерные, черты явления "перезамыкания". Между тем реально развивающееся "перезамыкание" быстро принимает трехмерный, т.е. хаотически сложный характер, вместе с тем напоминающий взрывообразный или, по крайней мере, релаксационно развивающийся процесс. Как подчеркнуто в [7], соответствующие теоретические модели самого процесса "перезамыкания" являются либо сильно упрощенными, либо достаточно сложными.

В цикле работ Heikkila[71 -74] приведен критический анализ моделей пересоединения" и указаны многочисленные грубые ошибки такого подхода.

В статье "Миф о пересоединении" [73] автор делает очень правильное, на наш взгляд, общее замечание для большинства моделей "пересоединения" магнитных силовых линий: ". Существуют различные положения теории "пересоединения" и "словесные" дополнения к ним, "словесные" корректировки этих моделей, но правильней было бы выразить все это в математической форме, с корректными приближениями и правильными граничными условиями". Действительно, основные положения существующих моделей "пересоединения", в основном, устно задекларированы, и на основе этого делаются очень важные фундаментальные выводы. Heikkila в [72-74] сам в математической форме пытается показать ошибки, свойственные моделям "пересоединения". Он использует теорему Пойнтинга для того, чтобы разъяснить процесс обмена энергией между электромагнитным полем и кинетической энергией частиц:

1)

1 Mo ,/ v dt Mo dt J где E - электрическое поле, В - магнитное поле; U, S - означают соответственно интегрирование по объему и по поверхности; So, Цо ~ соответственно диэлектрическая и магнитная проницаемость, J - плотность тока. В теории стационарного "пересоединения" должен рассматриваться только первый член, который соответствует потоку энергии от внешнего источника. Любой внутренний магнитосферный источник должен описываться интегралом по объему, а в случае, когда электромагнитное поле не меняется со временем, оба члена под интегралом в правой части (1) исчезают. В стационарном случае можно использовать электростатический потенциал Ф, для описания электрического поля. Тогда, согласно [74], выражение (1) примет следующий вид:

- §EBdS = §УФхBdS = £fVx 0BdS -x BdS = fffv ■ V xfPBdT - juo$0JdS s s s s и s

Так как справа первый интеграл по объему обращается в нуль, то:

ШТ = (2). и S

Из (2), кстати, следует, что если магнитопауза эквипотенциальна, то Ф можно вынести за знак интеграла, и так как: S то

Дршг=0и = о, и М) т.е. магнитосфера не может снабжаться энергией из солнечного ветра. Уравнение (1) указывает на то, что для снабжения энергией диссипативных процессов требуется, чтобы рассматриваемый объем был связан с внешним генератором энергии. В своих работах Heikkila[72,73] подчеркивает, что лучше оперировать с электрическим полем Е и плотностью тока J для описания энергетических аспектов магнитосферных процессов, вместо предложенной Паркером в [94] {В, V}-парадигмы, которая не вносит ясности в рассматриваемую задачу. Знак произведения E-J>0 (E-J<0) ясно показывает, где располагается потребитель энергии (генератор энергии). В работах этого автора [72,73] подчеркнуто, что в моделях "перезамыкания" силовых линий магнитного поля источник энергии не определен, кроме того, данные наблюдений [74,97] показывают, что на основе моделей "перезамыкания" нельзя сконструировать реальную электрическую цепь, состоящую из источника и потребителя энергии, которая бы действительно существовала в области взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой.

Из теоремы Пойнтинга видно, что в нестационарном случае возможны источники энергии, связанные с членами во втором интеграле по объему в правой части уравнения (1). Запасенная электрическая энергия: и и Ul ш и

Запасенная магнитная энергия:

ГГГ KJdT = - fff A dAdT=.L rrr^L dT

JlJModt Л "J 2Mo

Наблюдения в области магнитопаузы показывают изменчивость как во времени, так и в пространстве. В нестационарном случае становится важна максимальная скорость переноса энергии: она должна быть ниже альвеновской скорости. При альвеновских скоростях 100-200 км/с максимальное расстояние между генератором энергии и потребителем должно быть менее чем ~1 Re (нереальное значение для магнитосферной цепи), для события продолжительностью 30 сек [73]. Неясным также остается механизм, который мог бы триггерировать освобождение запасенной энергии для питания диссипативных процессов.

Следует отметить, что в [72] автор указывает на недопустимость применения системы уравнений идеальной магнитогидродинамики для описания диссипативных процессов "пересоединения", к тому же используемые системы МГД-уравнений не являются полными и не могут всецело описать весь происходящий процесс.

В [73] приводится и интерпретация спутниковых данных (АМРТЕ) в области магнитопаузы, и на основе анализа отвергается механизм "пересоединения" магнитных силовых линий в качестве источника, снабжающего энергией магнитосферные процессы. С одной стороны, такое явление, как эрозия магнитопаузы, может и согласуется с идеями "пересоединения" геомагнитного поля с ММП. С другой стороны, при нахождении входной энергии в открытую магнитосферу в нестационарном случае должны использоваться члены в правой части уравнения (1). Тогда, уже необходимо рассматривать поляризационные и индукционные электрические поля с определенными источниками в пределах рассматриваемой области. Без этих источников, как отмечено в [73], идея магнитного "пересоединения" является некорректно сформулированной.

Таким образом, как с теоретической точки зрения, так и по данным спутниковых наблюдений Heikkila отвергает идеи снабжения энергией магнитосферы процессами "пересоединения" и отдает предпочтение квазивязкому взаимодействию солнечного ветра с магнитосферой. По нашему мнению, Heikkila в данном случае допускает неточность, так как давний спор в отношении того, каким образом энергия из солнечного ветра проникает в магнитосферу, напрямую с помощью "пересоединения" или через квазивязкое взаимодействие - в принципе лишен смысла, так как все эти явления есть просто различные стороны более общего - нарушения идеальности плазмы. Если бы выполнялись условия для квазивязкого взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой, то плазма солнечного ветра начала бы проникать в геомагнитосферу, а магнитное поле магнитосферы диффундировать в солнечный ветер (в переходную область), т.е. по существу, говоря на языке Фарадея, начался бы процесс "пересоединения".

Данжи предсказал, что силовые линии геомагнитного поля и направленного к югу ММП "пересоединяются" на дневной магнитопаузе и переносятся на ночную сторону магнитосферы. Существуют работы, в которых говорится, что если бы такое "пересоединение" действительно происходило, то оно оказалось бы не всегда непрерывным, а чаще импульсным или "пятнистым" [110]. По данным наблюдений было сделано предположение, что "пересоединяются" отдельные трубки диаметром 1-2 Re, в то время как соседние трубки либо полностью замкнуты на земной диполь, либо полностью уходят в солнечный ветер. Эти отдельные "пересоединенные" трубки и уносятся с дневной стороны в хвост магнитосферы. Данный гипотетический процесс получил название "события с переносом магнитного потока"[110], или сокращенно FTE (flux transfer events). Внутри "пересоединенных" трубок наблюдаются ионы как магнитосферного, так и солнечного происхождения, причем магнитосферные ионы уходят в солнечный ветер[52]. В "пересоединенных" трубках тангенциальная к магнитопаузе компонента магнитного поля может сильно отличаться от магнитного поля, как в магнитосфере, так и в переходном слое. Нормальная компонента Вп обычно обнаруживает, так называемую, биполярную структуру. Когда трубка проходит мимо спутника, Вп оказывается сначала направлена наружу, а затем внутрь магнитосферы (в северном полушарии). Согласно работе [108], в среднем спутник в периоды южного ММП встречает 5 "пересоединяющихся" трубок каждые 8 мин в переходном слое и 4 трубки каждые 7 мин внутри магнитосферы. При Bz>0 такие трубки практически не встречаются во время пересечения дневной магнитопаузы. Этот особый вид импульсного взаимодействия Heikkila[71,74] связывает не с переносом магнитного потока, а с переносом плазмы. Он называет его "событие с переносом плазмы"(РТЕ - в его терминологии).

Простейшая модель двумерного "перезамыкания" была предложена Паркером [93] и Свитом[121]. Оценки скорости "перезамыкания" в такой модели были довольно низкими. Для объяснения более быстрого "перезамыкания" Петчеком [96] была предложена более сложная модель со стационарными альвеновскими волнами. Она характеризуется наличием двух пар медленных ударных волн, "стоящих спиной друг к другу". Эти волны резко искривляют и ускоряют течение плазмы, так что она с большой скоростью выбрасывается из области "перезамыкания", чем это было в модели Паркера-Свита. Скорость "перезамыкания" можно характеризовать величиной М=и/СА, где и - скорость вещества перед разрывом, а Сд - альвеновская скорость перед разрывом. В модели Петчека, на первый взгляд, эта величина М<1, т.е. она, казалось бы, допускает очень большие скорости "перезамыкания".

В работе [49] представлены следующие критические замечания моделей "пересоединения", в том числе и модели Петчека:

1. "Разрыв", "перезамыкание", "пересоединение" силовых линий магнитного поля В непосредственно запрещается законом divB=0, который говорит об отсутствии магнитных зарядов. "Перезамыкание" электрических токов возможно вследствие существования электрических зарядов. Таким образом, термин "пересоединение" является, по крайней мере, неточным. Любая концепция, основанная на рассмотрении обособленной силовой линии, может быть некорректной.

2. Магнитное поле В в пространстве - есть следствие электрических токов j, которые определяют вектор этого поля. Токи являются причиной магнитного поля В. Перераспределение токов сопровождается изменениями в направлении вектора магнитного поля. Задача нахождения изменений в токах, "знающих" перераспределение магнитного поля, является, в общем случае, некорректно поставленной обратной задачей. Такой обратный переход невозможен из-за отсутствия однозначно-адекватной связи между перераспределением магнитного поля В и токов j. Попытки решить эту задачу без особых ограничений ведут к ошибкам.

3. Переход от полной системы уравнений диссипативной магнитогидродинамики к упрощенному индукционному уравнению в форме rot(VxB)=dB/dt, где V- скорость плазмы, а В- напряженность магнитного поля, в общем случае, является довольно сложным. Для корректного перехода необходимы особые оговорки. Как отмечает автор [49], "к сожалению, обычно такие переходы сделаны с серьезными ошибками, без каких-либо обсуждений пределов их справедливости".

4. Характерная для "стиля пересоединения" ошибка - нарушение причинно-следственной цепочки, рассматривается только "эффект", а не сама причина.

Проанализировав модель Петчека и последующие развития этой модели авторами [25,102], А.Д. Чертков делает следующие выводы. Во-первых, критерий Петчека имеет логарифмическую зависимость от параметров L и альвеновской скорости VA, а это "плохой знак". Это соответствует некорректности в граничных условий. Во-вторых, в решении Петчека присутствуют параметры неопределенного происхождения, например L, начальные и граничные условия не определены, пределы применимости не оговорены. В-третьих, используемая "вмороженная" система координат магнитное поле В, скорость плазмы V и их векторное произведение служат векторами, которые определяют направление координатных осей) не определена. Данная система координат использовалась авторами [96,102] якобы для упрощения решения задачи. Кроме того, медленные ударные волны в модели Петчека не могут управляться малым внутренним источником - эта схема некорректна, в его модели нарушена причинно-следственная цепочка. Фактически, Петчек решил задачу "наоборот" - энтропия системы убывает, что противоречит второму закону термодинамики. Автор [49] также отмечает, что существующие обобщения решения Петчека в [25,102] ситуации не меняют. Приведем цитату из [49]: " .Идея Петчека не может быть правильной, и ее воплощение обязательно приведет к фатальным ошибкам". Опять же из-за нарушения причинно-следственной цепочки, схема, представленная в [102] -некорректна.

Таким образом, автор [49] делает вывод, что модель "пересоединения" Петчека[96] встречает неразрешимые трудности, связанные с невозможностью корректно определить граничные и начальные условия. Показано в [49], что эта проблема некорректно сформулирована. Автор работы [49] делает заключение, что трудности в космической физике не могут быть разрешены привлечением модели "пересоединения"[96]. По его мнению, требуется новый подход в физике космической плазмы.

В [119] приведено точное стационарное решение для внешне управляемого процесса "пересоединения". В самом простом случае модель [119] состоит из четырех входящих и четырех уходящих ударных волн. Модель корректна в рамках идеальной МГД-теории. Все количественные характеристики конечны, все граничные условия удовлетворяются. Недостаток этой модели - малая вероятность столкновения четырех входящих ударных волн в представленной схеме[49]. Этот процесс не может быть спонтанным, развивающимся из-за внутренних причин. Предложенный подход, по мнению автора[49], не способствует разрешению имеющихся трудностей.

Несмотря на цикл работ, содержащих столь серьезную критику, довольно часто встречаются модели, развивающие идею "пересоединения". Среди множества известных сценариев развития типичной суббури, встречающихся в настоящее время в зарубежной литературе, можно выделить следующие основные типы. В модели с околоземной нейтральной линией NENL в качестве единственного фундаментального механизма суббури (по мнению создателей этой модели) рассматривается "пересоединение" открытого магнитного потока, которое начинается в среднем (~ 20-25 Re) хвосте и распространяется в ближний к Земле и дальний хвост[42-46,103-106]. В статье[90] авторы отмечают, что поддерживают утверждение Д. Бейкера, согласно которому "глобальная проблема магнитосферной суббури была решена в рамках модели NENL". По их мнению, в пользу концепции магнитного "пересоединения" говорит высокая корреляция между началом суббури и поворотом на юг Bz -компоненты межпланетного магнитного поля солнечного ветра. Однако, там же в [90] упоминается, что макроскопические процессы (или процесс), ответственные за магнитное "пересоединение" не были определены или теоретически объяснены.

Кроме того, по данным спутниковых наблюдений Лайнс в [87] отмечает, что некоторые суббури вообще могут происходить без образования, так называемой (согласно модели [43]), околоземной нейтральной линии, и, возможно, NENL не является необходимой частью активной фазы суббури. Другой подход развивается в работах [80-84]. В этих моделях основная роль отводится неустойчивостям в ближнем хвосте магнитосферы8-10 Re), включающим в себя процессы магнитосферно-ионосферной нелинейной связи, которые могли бы создавать мелкомасштабные разрывы тока хвоста, без участия "пересоединения" открытого магнитного потока. Неустойчивости CDIfCurrent Driven Instabilities), как сказано в этих работах, создают первый брейкап, за которым может последовать (но необязательно) начало фазы расширения. Существуют модели суббури, синтезирующие эти упомянутые подходы, но на основе процессов Токовых Разрывов (Current Disruptions)

80,109]. С одной стороны, согласно утверждениям сторонников модели NENL, фундаментальное значение имеет только "пересоединение" открытого хвоста, так как, по их мнению, именно открытая часть геомагнитного хвоста есть та область, где запасается энергия, питающая процессы суббури как в среднем, так и в ближнем хвосте[43,106]. С другой стороны, в работе [84] отмечается и делается ссылка на работу [39], что ближний хвост (область закрытых силовых линий) является обширным энергетическим резервуаром, и изменения в токовых системах этой области ведут к высвобождению огромного количества энергии, без какого-либо участия "пересоединения" открытого магнитного потока в энергетике суббури.

Таким образом, вопрос (поставленный создателями упомянутых выше двух типов моделей) о том, какой один основной процесс является фундаментальным - образование околоземной нейтральной линии NENL или же механизм CD, рассматривается достаточно продолжительное время и до сих пор не разрешен.

В статье [86] проводилось исследование основных наблюдательных свойств магнитосферных возмущений, и на основе этого была предложена следующая теория суббурь. Суббуря определяется как возмущение, состоящее из классической последовательности фаз. Необходимым и достаточным признаком фаз суббури, согласно этой статье, является образование и развитие токового клина (Current Wedge) - крупномасштабного разрыва тока хвоста. Разрыв токового слоя начинается во время expansion onset в околополуночном секторе на расстоянии ~6 R^ и расширяется в ходе фазы расширения в радиальном и азимутальном направлениях. Разрыв соединен с ионосферой парой продольных токов, замыкание которых создает западную авроральную электрострую. Согласно работе Лайнса, триггером фазы расширения служит поворот ММП на север или уменьшение модуля Ву-компоненты ММП, то есть уменьшение электрического поля солнечного ветра Esw, налагаемого на ионосферу. Уменьшение этого электрического поля, по его предположению, должно вести к такой перестройке пространственного распределения давления в плазменном слое, в результате которой обеспечивается формирование токового клина с соответствующим направлением продольных токов. Кроме того, автор[86] предлагает различать три типа магнитосферных возмущений:

1) суббури,

2) конвекционные бухты (Steady magnetospheric convection),

3) появление в околополуночном секторе овала конвекции ионосферной плазмы, направленной к экватору от его высокоширотной до низкоширотной границе.

Возмущения SMC и третьего типа автор [86] не относит к суббурям, так как они наблюдаются при стабильном Esw и не имеют признаков образования токового клина.

Отметим, что в теоретической части этой работы приводятся МГД-уравнения, связывающие процесс образования клина с наблюдаемым распределением давления и магнитным полем в плазменном слое, но в данных уравнениях параметр, характеризующий изменение электрического поля солнечного ветра, налагаемого на ионосферу, явно не участвует. Поэтому отсутствует явное доказательство связи динамики токового клина с уменьшением электрического поля солнечного ветра, налагаемого на ионосферу.

Как следует из приведенного выше обзора литературы, несмотря на наличие огромного экспериментального материала, общепринятая модель суббури до сих пор отсутствует. Таким образом, можно уверенно сказать, что в этой области исследования назрел концептуальный кризис.

В публикации Е.А. Пономарева [22] "Очерк развития представлений о механизмах суббурь в СибИЗМИРе " были проанализированы попытки создать модель суббури на основе "взрывной концепции". Отмечается в [22], что многолетние усилия в развитии подобной идеи не дали сколько-нибудь ощутимых результатов. Автор подчеркивает, что принципиально порочной является сама "центральная" идея возникновения истинной нестационарности магнитосферного субстрата (плазма+магнитное поле) в больших объемах пространства и, по мнению автора [22], уже тогда возникла необходимость менять концепцию. Альтернативой "взрывной концепции" в [21,22] предлагается концепция имитации истинной нестационарности движением вещества в пространственно-неоднородной системе. Выход из тупика заключается в принятии новой концепции, основой которой служит известная работа Кеннела [8,78]. Вкратце содержание этой концепции сводится к тому, что совместное действие конвекции и питч-угловой диффузии приводит к формированию в магнитосфере пространственного распределения газового давления, то есть - объемных токов. Дивергенция этих объемных токов дает пространственное распределение продольных токов - магнитосферных источников ионосферных токовых систем. Такой подход, ко всему прочему, дает объяснение (и адекватное описание в рамках модели!) суббуревого "взрыва" [19-24]. Подробнее концепции Кеннела мы коснемся во второй главе настоящей работы.

В работе[21] описаны предпосылки, способствующие решению проблемы магнитосферно-ионосферного взаимодействия в той ее части, которая касается их отношения как источника и потребителя электрического тока и энергии. Сложность проблемы магнитосферно-ионосферного взаимодействия заключается в том, что токи в ионосфере определяются электрическим полем (при проводимости, заданной как параметр), а в магнитосфере - градиентом газового давления. Связь между распределением давления и конвекцией существует, но достаточно сложная. Области с "пересоединением" или токовыми разрывами привлекают, как правило, для "ответвления" объемных токов магнитосферы в ионосферу, хотя для этого достаточно, чтобы изоповерхности газового и магнитного давлений в магнитосфере пересекались под определенным углом[21]. Главной трудностью сегодня является отсутствие разумных схем перехода от элементарных физических процессов к их геофизическим следствиям.

Актуальность темы.

Актуальность разрабатываемой в диссертации проблемы токового, энергетического баланса системы "солнечный ветер-магнитосфера-ионосфера" вытекает из той роли, которую играет магнитосфера в программе "Космическая погода", а также из того факта, что в ключевых вопросах упомянутой проблемы до сих пор не достигнуто понимание физического смысла многих явлений. Разумеется, мы вынуждены ограничиться разработкой только одного вопроса из многих нерешенных проблем. Однако понимание механизма магнитосферно-ионосферного взаимодействия, снабжения ионосферы электрическим током и энергией, а также понимание природы загрузочных и разгрузочных процессов стоит на одном из первых мест в очереди нерешенных проблем. В свете всего вышеизложенного, общая цель данной работы состоит в исследовании энергетики магнитосферно-ионосферных процессов и последующей физической интерпретации полученных результатов. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

- теоретическое исследование энергетического и токового баланса системы "магнитосфера-ионосфера", путем построения простой модели магнитосферно-ионосферного взаимодействия в части формирования авроральных электроджетов объемными токами, генерируемыми в магнитосфере соответствующим распределением плазменного давления;

- объяснение известных результатов эмпирического исследования энергетики магнитосферных суббурь; интерпретация данных наблюдений в свете теоретических результатов;

- комплексный анализ и обобщение всех результатов исследования. Научная новизна исследования.

1. Впервые решена самосогласованная задача для частного случая магнитосферно-ионосферного взаимодействия. Нам удалось решить задачу сопряжения "градиентного" тока магнитосферы (зависящего от градиента давления плазмы, но независящего от электрического поля) с "резистивным" током ионосферы, зависящим от электрического поля (но не зависящим от плазменного давления).

2. Впервые было показано, как механизмы магнитосферно-ионосферного взаимодействия производят перераспределение энергии и электрического тока, которые, для питания диссипативных процессов в ионосфере, поступают извне.

3. Впервые проведен анализ совместной работы магнитосферного МГД-компрессора и МГД-генератора. Получены выражения для основных параметров магнитосферного источника энергии, питающего ионосферную токовую систему.

4. В диссертационной работе впервые было показано аналитически, как происходит управление током хвоста магнитосферы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав текста, выводов, заключения и списка литературы.

Заключение Диссертация по теме "Физика атмосферы и гидросферы", Седых, Павел Александрович

Основные результаты и выводы, приведенные в диссертации, опубликованы в [14,26-31,88,100,113-117], докладывались и обсуждались на:

- Байкальской молодежной научной школе по фундаментальной физике БШФФ-99, Иркутск 1999 г.

- Байкальской молодежной научной школе по фундаментальной физике БШФФ-2001, Иркутск 2001 г.

- Всероссийской конференции по физике солнечно-земных связей, Иркутск

2001 г.

- Международной конференции "Проблемы геокосмоса", Санкт-Петербург

2002 г.

- Третьей Российско-Китайской конференции по космической погоде, Иркутск 2002 г.

- Всероссийской конференции "Проблемы физики космических лучей и солнечно-земных связей", Якутск 2002 г.

- Семинарах отдела исследования магнитосферы и межпланетной среды ИСЗФ СО РАН.

Полученные результаты можно уверенно рассматривать как обнадеживающие, стимулирующие продолжение исследования.

В заключении автор выражает глубокую признательность за постановку задачи, помощь и систематические обсуждения результатов научному руководителю, главному научному сотруднику лаборатории физики магнитосферы и магнитосферно-ионосферного взаимодействия, профессору Е.А. Пономареву, в соавторстве с которым получены основные результаты данной работы. Автор благодарен заведующему этой лаборатории, к.ф-м.н.

В.Д. Урбановичу, сотруднику этой лаборатории к.ф.-м.н. А.Г. Сорокину за внимание к работе, помощь и полезные советы при обсуждении работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На защиту выносятся следующие основные положения:

I. Показано, что электрическая цепь "ионосфера-магнитосфера" состоит из магнитосферного МГД-генератора, питающего токовую систему в ионосфере, части тока этого генератора ("невостребованного" ионосферной нагрузкой), который ответвляется на МГД-компрессор, и из внешнего тока, компенсирующего необратимые потери энергии в ионосфере.

II. Дан анализ совместной работы магнитосферного МГД-компрессора и МГД-генератора. Показано, как происходит управление током хвоста магнитосферы за счет изменения внешнего тока и за счет изменения тока ионосферной нагрузки. Когда внешний ток превышает ток ионосферной нагрузки, ток поперек хвоста растет, и наблюдается вытяжение магнитосферного магнитного поля в хвост. При обратном соотношении ток хвоста падает, и происходит "диполизация" магнитного поля.

III. Показано, как механизмы магнитосферно-ионосферного взаимодействия производят перераспределение энергии и электрического тока, которые, для питания диссипативных процессов в ионосфере, поступают извне.

IV. Приведена физическая интерпретация сущности загрузочных и разгрузочных стадий суббури. В результате таймирования цепочки суббурь CDAW9C, 3 мая 1986 г. все четыре суббури были разделены на фазы загрузки энергии и разгрузочные фазы. Разработанная модель магнитосферно-ионосферного взаимодействия позволяет не только состыковать магнитосферные и ионосферные токи, но и объяснить сущность загрузочной и разгрузочной стадии суббури.

Результаты диссертации представляют интерес, в основном, для физики суббурь, для дальнейшего исследования магнитосферно-ионосферного взаимодействия и для построения последовательности физических механизмов, приводящих нас от процессов в головной ударной волне, возникающей при взаимодействии солнечного ветра с магнитосферой Земли, к процессам формирования токовых систем в ионосфере, т.е. к построению физически полной модели. Большинство существующих в настоящее время эмпирических моделей достаточно хорошо описывают, что происходит и как происходит то или иное событие. Отличие этой физически модели, по нашему мнению, от многочисленных эмпирических моделей состоит в том, что она объясняет, почему так происходит.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Седых, Павел Александрович, Иркутск

1. Акасофу С.И., Чепмен С. Солнечно-земная физика. М.: Мир, 1975. С. 509.

2. Анистратенко А.А., Пономарев Е.А. Моделирование условий формирования зон корпускулярных высыпаний и электрических токов в ночной полярной магнитосфере.//Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М. Наука, 1981. Вып. 53. С.15-26.

3. Волков М.А., Намгаладзе А.А. Влияние электрического поля магнитосферной конвекции на формирование продольных токов взрывной фазы суббури.//Геомагнетизм и аэрономия, 2001. Т. 41. № 1. С.33-38.

4. Галеев А.А., Зеленый Л.М.// Письма ЖЭТФ, 1975. Т.22. С. 170.

5. Гефан Г.Д. Продольный ток в авроральной зоне как результат дисбаланса восходящего и нисходящего электронных потоков .//Геомагнетизм и аэрономия, 1999. Т.39. №6. С.20-25.

6. Исаев С.И., Пудовкин М.И. Полярные сияния и процессы в магнитосфере Земли. JL:Наука, 1972,- 152 с.

7. Кадомцев Б.Б. Перезамыкание магнитных силовых линий.//Успехи физических наук, 1987. Т.151. В.1.- С.1-29.

8. Кеннел Ч.Ф. Следствия существования магнитосферной плазмы. В кн.: Физика магнитосферы. М.:Мир, 1972,- С. 462-516.

9. Коротин А.Б., Пудовкин М.И. О возможном механизме возникновения геомагнитных возмущений,- В кн.: Спектральные, электрофотометрические и радиолокационные исследования полярных сияний и свечений ночного неба. М.: Изд.-во АН СССР, 1961.- С.37-42.

10. Леонович А.С., Мишин В.В. Поток энергии магнитозвуковых волн из солнечного ветра в магнитосферу.// Геомагнетизм и аэрономия. 1999. Т.39. № 2. С.52-55.

11. Ляцкий В.Б., Мальцев Ю.П. Магнитосферно-ионосферное взаимодействие. М.: Наука, 1983.- 192 с.

12. Магер О.В., Пономарев Е.А. Модель магнитосферы .//Солнечно-земная физика. Труды Всероссийской конференции по физике солнечно-земных связей, Иркутск, 2002. Вып. 2- С.228-229.

13. Магер О.В., Пономарев Е.А., Седых П.А. О трансформации энергии солнечного ветра в энергию магнитосферных процессов.// Сборник тезисов докладов Всероссийской конференции "Проблемы физики космических лучей и солнечно-земных связей", Якутск, 2002.-С.29.

14. Мальцев Ю.П. Лекции по магнитосферно-ионосферной физике. Апатиты, 1995,- 123 с.

15. Мальцев Ю.П. Нестационарные эффекты в хвосте магнитосферы при взаимодействии с северо-южной компонентой ММП. // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. СПБ.:Наука, 1990. В.89,- С. 109118.

16. Мальцев Ю.П. и др. Физика околоземного космического пространства. Апатиты: изд. Кольского научного центра РАН, 2000. 706 с.

17. Мишин В.В. Динамика и устойчивость сдвиговых течений на границах магнитосферы, плазмосферы и Солнечного ветра. Автореф. дис. докт. ф,-м.н. Иркутск, 2001. - 22 с.

18. Пономарев Е.А. Модель ночной магнитосферы.//Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: Наука, 1981. Вып. 53,- С.З -14.

19. Пономарев Е.А. Энергетические соотношения в магнитосфере.// Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: Наука, 1981. Вып. 53.-С. 27-38.

20. Пономарев Е.А. Механизмы магнитосферных суббурь. М.: Наука., 1985.159 с.

21. Пономарев Е.А. Очерк развития представлений о механизмах суббурь в СибИЗМИРе.//Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М. Наука, 1986. Вып. 76. С.88-99.

22. Пономарев Е.А. Урбанович В.Д., Немцова Э.И. К вопросу о передаче энергии из солнечного ветра в магнитосферу Земли.//Исследование по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца., Изд.-во СО РАН, 2001. Вып. 112. С.66-78.

23. Пономарев Е.А. Механизмы магнитосферных суббурь. Тезисы докладов Всероссийской конференции по солнечно-земным связям. Иркутск, 2001.-С.89.

24. Пудовкин М.И., Семенов B.C. Теория пересоединения и взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой Земли. М.Наука, 1985. С. 128.

25. Седых П.А., Миненко Л.В. Анализ временного изменения мощности магнитосферных суббурь.//Сборник трудов Байкальской Научной Школы по Фундаментальной Физике (БШФФ), Иркутск, 1999. Т. 2. С. 557-562.

26. Седых П.А., Миненко Л.В. Исследование суббурь по международной программе CDAW9C.//C6opranc трудов Байкальской Научной Школы по Фундаментальной Физике (БШФФ), Иркутск, 1999. Т. 2. С. 562-570.

27. Седых П. А., Пономарев Е.А. О магнитосферно-ионосферном взаимодействии в области авроральных электроджетов.//Электронный журнал "Исследовано в России", 094/010731, http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2001/094.pdf, 2001. С.1038-1047.

28. Седых П.А., Пономарев Е.А. О магнитосферно-ионосферном взаимодействии в области авроральных электроджетов. Программа и тезисы докладов Байкальской Школы по Фундаментальной Физике, Иркутск, 2001.-С.35.

29. Седых П. А., Пономарев Е.А. О магнитосферно-ионосферном взаимодействии в области авроральных электроджетов.//Солнечно-земнаяфизика. Труды Всероссийской конференции по физике солнечно-земных связей, Иркутск, 2002. Вып.2,- С.254-257.

30. Седых П. А., Пономарев Е.А. Магнитосферно-ионосферное взаимодействие в области авроральных электроджетов.//Геомагнетизм и аэрономия, 2002. Т. 42. №5.-С. 613-618.

31. Тверской Б.А. О продольных токах в магнитосфере.//Геомагнетизм и аэрономия, М.: Наука, 1982. Т.22. №5. С.991.

32. Фельдштейн Я.И. Морфология полярных сияний и строение магнитосферы. Диссертация, JL: ААНИИ, 1969.

33. Шабанский В.П. Явления в околоземном пространстве. М.: Наука, 1972,271 с.

34. Шеломенцев В.В. Об оценке потока электромагнитной энергии из солнечного ветра внутрь открытой магнитосферы.//Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. Изд.-во СО РАН, 2001. В.112,-С.276-287.

35. Aim В.Н., Kroehl H.W., Kamide H.W., Gorney D.J. Estimation of ionospheric electrodynamic parameters using ionospheric conductance deduced from Bremsstrahlung X-ray image data.//J. Geophys.Res., 1989. V.94. P.2565.

36. Akasofu S.-I. Working group report on geomagnetic storms.// Solar-Terrestrial Predictions Proceedings. Boulder, Colorado, 1980. V.4.-P.A98.

37. Akasofu S.-I. Energy coupling between the solar wind and the magnetosphere.// Space Sci. Rev., 1981. V.28. P.121-190.

38. AlfVen H. Electrical currents in cosmic plasmas./ZRev.Geophys., 1977, 15. P. 271.

39. Angelopoulos V., Kennel C.F., Coroniti F.V. et al. Statistical characteristics of bursty bulk flow events .//J. Geophys. Res., 1994. V. 99. №11. P.21257.

40. Axford W.I., Hines C.O. A unified theory of high latitude geophysical phenomena and geomagnetic storms. // Can. J. Phys., 1961. V. 39. - P. 1433.

41. Baker D. N., Pulkkinen Т. I., McPherron R. L. et al. CDAW-9 analysis of magnetospheric events on May 3, 1986: Event C.//J. Geophys. Res., 1993. V.98. -P. 3815.

42. Baker D. N., Pulkkinen Т. I., Angelopoulas V. et al. Neutral line model of substorms: Past results and present view.//J. Geophys. Res., 1996. V. 101. -P.12975.

43. Baker D. N., Pulkkinen Т. I., Hess M., McPherron R. L. A quantitative assessment of energy storage and release in the Earth's magnetotail.// J.Geophys.Res., 1997. V.102. A4. P.7159-7168.

44. Baker D. N., Pulkkinen Т. I., Buchner J., Klimas A.J. Substorms: A global instability of the magnetosphere-ionosphere system. //J. Geophys.Res., 1999. Y.104. P.14601.

45. Baker D.N. The role of magnetospheric substorms in high-energy particle production within the Earth's magnetosphere.// Proc. 5-th International Conference on Substorms, ESA SP-443, 2000. P.421.

46. Berchem J., Russell C.T. Flux transfer events at the magnetopause: spatial distribution and controlling factors.// J. Geophys. Res., 1984. V.89. A8. P.6689-6703.

47. Bostrom R.A. A model of the auroral electrojets. //J. Geophys.Res., 1964. V.69. -P.4983.

48. Chertkov A.D. Magnetic field line "re-connection": incorrect terminology or incorrect concept.// Proceedings of an International Conference "Problems of Geocosmos", 1996,-P.187-198.

49. Cooper M.L., Clauer C.R., Emery B.A. et al. A storm time assimilative mapping of ionospheric electrodynamics analysis for the severe geomagnetic storm of November 8-9, 1991. //J. Geophys. Res., 1995. V.100. P.19329-19342.

50. Coppi В., Laval G., Pellat R.// Phys. Rev. Lett., 1966. V.16. P.1207.

51. Daly P.W., et. al. Particle signature of magnetic flux transfer events at the magnetopause.//J. Geophys. Res., 1981. V.86. P. 1628-1632.

52. Davis T.N. // J. Geophys. Res., 1963. V.68. P.4447.

53. Dessler A.J., Parker E.N. Hydromagnetic theory of geomagnetic storms.//J. Geophys. Res., 1959. V.64. №12. P.2239-2252.

54. Doyle M.A., Burke W.I. S 3-2 measurements of the polar cap potential.// J. Geophys. Res., 1983. V.88. All. P.9125-9133.

55. Dungey J.W. Interplanetary Magnetic Field and Auroral Zones./ZPhys.Rev. Lett., 1961. V.6. -P.47-48.

56. Elphinstone R.D., Murphree J.S., Cogger L.L. What is a global auroral substorm?//Rev.Geophys., 1996. V.34.-P. 169-232.

57. Fairfield D.H. Advances in magnetospheric storm and substorm research: 1989-1991. //J. Geophys. Res., 1992. V.97. A7. P.10865-10874.

58. Farrugia C. J., Freeman M.P., Burlaga L.F. // Substorms-1: Proceedings of First International Conference on Substorms, 1992. P.371.

59. Fedder J.A., Lyon J.G., The solar wind magnetosphere - ionosphere current - voltage relationship .//Geophys,Res, Lett., 1987,14. - P. 880.

60. Fedder J.A., C.M. Mobany, Lyon J.G., Reconnection voltage as a function of IMF clock angle.//Geophys.Res.Lett., 1991, 18. P. 1047.

61. Fedder J.A., J. G. Lyon, Slinker S.P., Mobarry С. M., Topological structure of the magnetotail as a function IMF and with magnetic shear.// J.Geophys.Res., 1995. V.100.-P. 3613.

62. Fedder J.A., Lyon J.G. The Earth's magnetosphere is 165 Re long: Self-consistent currents, convection, magnetospheric structure and processes for northward interplanetary magnetic field.//J. Geophys. Res., 1965.V. 100. P. 3623.

63. Fedder J.A., Slinker S.P., Lyon J.G., Elfmstone R.D., Global numerical simulation of the growth phase and the expansion onset for a substorm observed by Viking.// J.Geophys. Res., 1995. V. 100. P. 19083.

64. Feldstein Ya. I., Pisarskij V.Yu., Prigancova A., Ivanova P. The ring current injection function and its relation to interplanetary parameters.//Studia geoph. et geod., 1990, 34.-P. 129.

65. Galeev A.A., Coronity F.V., Ashour-Abdalla M.//Geophys. Res. Lett., 1978. V.5. -P.707.

66. Gonzalez W.D., Gonzalez A.L.C. Energy transfer by magnetopause reconnection and the substorm parameter e.//Planet. Space Sci., 1984. V.32. №8. -P.1007-1012.

67. Gonzalez W.D., Tsuratani B.T., Gonzalez A.L.C., Smith E.J., Tang F., Akasofu S.-I. Solar wind-magnetosphere coupling during intense magnetic storms. //J. Geophys.Res., 1989, 94. P.8835.

68. Harell M., Wolf R.A., Reif P.H. et al. Quantitative simulation of a magnetospheric substorm. 1. Model logic and overview. //J. Geophys. Res., 1981. V.86.-P.2217-2241.

69. Harell M., Wolf R.A., Spiro R.W. et al. Quantitative simulation of a magnetospheric substorm. 2. Comparison with observations. //J. Geophys. Res., 1981. V.86. -P.2242-2260.

70. Heikkila W.J., Jorgensen T.S., Lanzerotti L.J., Maclennan C.G. A transient auroral event on the dayside.//J.Geophys. Res., 1989. V.94.-P.15291-15305.

71. Heikkila W.J. Comment on "The alternative paradigm for magnetospheric physics" by E.N. Parker.//! Geophys.Res., 1997. V.102. A5. P.9651-9656.

72. Heikkila W.J. The Reconnection Myth.//EOS, Transactions, 1997. V.78. №15. P.153-155.

73. Heikkila W.J. Interpretation of recent AMPTE data at the magnetopause. //J. Geophys.Res., 1997. V.102. A2. -P.2115-2124.

74. Iijima Т., Potemra T.A. The Amplitude Distribution of Field-Aligned Currents at Northern High Latitudes Observed by TRIAD .//J. Geophys. Res., 1976. V.81. -P. 2165-2174.

75. Kamide Y. Substorm 4. Results from ICS -4 // International SCOSTEP Newsletters, 1998. V.4. №4. - P.4.

76. Kan J.R. A global magnetosphere-ionosphere coupling model of substorms.//J. Geophys.Res., 1993. V.98. A10. P.17263-17275.

77. Kennel C.F. Consequences of magnetospheric plasma. // Rev. Geophys., 1969. V.7. P. 379-419.

78. Kistler L.M., Mobius E., Baumjohann W., Paschmann G., Hamilton D.C. Pressure Changes in the Plasma Sheet During Substorm Injections.//J. Geophys. Res., 1992. V. 97. A3. P.2973-2983.

79. Lui A. T. Y. Extended consideration of a synthesis model for magnetospheric substorms//Geophys. Monogr., 1991. V.64. -P.43-60.

80. Lui A.T.Y. Role of cross-tail current instability in substorm onsets and intensification. // Proceeding of the First International Conference on Substorms, ESA SP-335,1992. -P.213-218.

81. Lui A.T.Y., Hamilton D.C. Radial profiles of quiet time magnetospheric parameters.//! Geophys. Res., 1992. V.97. A12. P.19325-19332.

82. Lui A. T. Y. Current disruption in the Earth's magnetosphere: Observations and models.//! Geophys. Res., 1996. V. 101. P. 13067.

83. Lui A.T.Y. Highlights on how to interpret auroral observations in terms of plasma sheet processes. // Proc. 5-th International Conference on Substorms, ESA SP-443, 2000. P.231.

84. Lyatsky W., Hamza A.M. MIC model for substorm generation. // Proc. 5-th International Conference on Substorms, ESA SP-443, 2000. P.311.

85. Lyons L.R. A new theory for magnetospheric substorms.//J. Geophys. Res., 1995. V.100. A10. P. 19069-19081.

86. Lyons L.R. Determinations of relative timing of near Earth substorm onset and tail reconnection. // Proc. 5-th International Conference on Substorms, ESA SP-443, 2000. P.255-262.

87. Mager O.V., Ponomarev E.A., Sedykh P.A. Some results of an investigation into the magnetospheric model. Book of Abstracts. VIth International Conference "Problems of Geocosmos". Saint-Petersburg. 2002.-P.74-75.

88. Maltsev Yu.P. Contact mechanism of a substorm. // Proceedings of the First International Conference on Substorms, ESA SP-335, 1992. P.593-595.

89. Mcpherron R.L., Fairfield D.H. Session I Summary: What are the major expansion phase actions as seen at various regions? // Proc. 4-th International Conference on Substorms, 1998. P.29-33.

90. Michelis P., Daglis I.A., Consolini G. Average terrestrial ring current derived from AMPTE/CCE-CHEM measurements.// J. Geophys. Res., 1997. V. 102. A7. -P.14103-14111.

91. Olson W.P., Pfitzer R.A. A quantitative model of the magnetospheric magnetic field.//! Geophys. Res., 1974. V.79. -P.3739-3748.

92. Parker E.N. Cosmical Magnetic Fields. Oxford, Clarendon Press., 1979. -P.1088.

93. Parker E.N. The alternative paradigm for magnetospheric physics.//J. Geophys. Res., 1996. V.101. P.10587.

94. Perreault P., Akasofu S.-I. A study of geomagnetic storms.//Geophys. J. Roy. Astr.Soc., 1978. V.54. -P.547.

95. Petschek H.E. Magnetic field annihilation. // AAS-NASA Symposium of the Physics of Solar Flares. NASA SP-50, 1964. P.425-439.

96. Phan T.D., Paschmann G., Sonnerup U.O. The low-latitude dayside magnetopause and boundary layer for high magnetic shear: 2. Occurrence of magnetic reconnection.// J. Geophys. Res., 1996. Y.101. P.7817.

97. Ponomarev E.A. On one plausible simple explanation for substorm break-up // Proc. 5-th International conference on Substorms, ESA SP-443, 2000. P. 549.

98. Ponomarev E.A., Urbanovich V.D., Nemtsova E.I. On the excitation mechanism of magnetospheric convection by the Solar Wind. // Proc. 5-th International conference on Substorms., ESA SP-443, 2000. P. 553.

99. Ponomarev E.A., Sedykh P.A., Mager O.V. From the solar wind to the magnetospheric substorm. Book of Abstracts. Ill-rd Russian-Chinese Space Weather Conference. Irkutsk. 2002,- P. 19.

100. Prigancova A., Feldstein Ya.I. Magnetospheric storm dynamics in terms of energy output rate.//Planet. Space Sci., 1992. V. 40. № 4. P.581-588.

101. Pudovkin M.I., Semenov V.S. Magnetic field reconnection theory and the solar wind-magnetosphere interaction: A review.//Space Sci. Rev., 1985. V.41. P.l-89.

102. Pulkkinen Т. I., Baker D. N., Fairfield D. H. et al. Modeling the growth phase of a substorm using the Tsyganenko model and multispacecraft observation: CDAW9, event C//Geophys. Res. Lett., 1991. V.18. P.1963.

103. Pulkkinen Т. I., Baker D. N., et al. Particle Scattering and Current Sheet Stability in the Geomagnetic Tail During the Substorm Growth Phase.// J. Geophys. Res., 1992. V.97. A12. P. 19283-19297.

104. Pulkkinen Т. I., Baker D. N., et al. Mapping of the auroral oval and individual arcs during substorms.// J. Geophys. Res., 1995. Y.100. All. P.21987-21994.

105. Pulkkinen Т. I., Baker D. N., et al. Two substorm intensifications compared: Onset, expansion, and global consequences. J/J. Geophys.Res., 1998. V.103. Al. -P. 15-27.

106. Raeder J., Maynard N.C. Foreword. //J.Geophys.Res., 2001. V.106. Al. -P.345-348.

107. Rijnbeck R.P. et. al. A survey of dayside flux transfer events observed by ISEE 1 and 2 magnetometers.// J. Geophys. Res., 1984. V.89. A2.

108. Rothwell P. L., Block L. P., Silevitch M. В., Falthammar C. G. A new model for substorms onsets: the pre-breakup and triggering regimes.//Geophys. Res. Lett., 1988. V.15. P.1279-1282.

109. Russell C.T., Elphic R.C. Initial ISEE magnetometer results: Magnetopause observation.//Space Sci.Rev., 1978. 22. -P.681.

110. Schindler K.// J. Geophys. Res., 1974. V.79. P.2803.

111. Sckopke N. A general relation between the energy of trapped particles and the disturbance field near the Earth.//J. Geophys. Res., 1966. V.71. 13. P.3125-3130.

112. Sedykh P.A., Ponomarev E.A. Magnetosphere-ionosphere coupling in the region of auroral electrojets. // LANL (Los Alamos National Laboratory) e-print archive http://arxiv.org/abs/physics/0110048 , 2001.

113. Sedykh P.A., Ponomarev E.A. Concerning the Magnetosphere-Ionosphere Coupling. Book of abstracts. International Conference on Substorms-6, 2002. -P.44.

114. Sedykh P.A., Ponomarev E.A. On the mechanism of the loading-unloading process in the Earth's magnetosphere. Book of abstracts. The annual seminar "Physics of Auroral Phenomena". Apatity. 2002. P. 38-39.

115. Sedykh P.A., Ponomarev E.A., Mager O.V. Concerning the Magnetosphere-Ionosphere Coupling. Proceedings of the VIth International Conference "Problems of Geocosmos". Saint-Petersburg. 2002.-P.158-164.

116. Sedykh P.A. On the mechanism of the loading-unloading process in the magnetosphere. Book of Abstracts. Ill-rd Russian-Chinese Space Weather Conference. Irkutsk. 2002,- P.25.

117. Sonnerup B.U.O. Magnetic field re-connexion in a highly conducting incompressible fiuid.//J. Plasma Phys., 1970.V.4. - P.161-174.

118. Spence H.E., Kivelson M.G.,Walker R., McComas D.J. Magnetospheric Plasma Pressures in the Midnight Meridian: Observations From 2.5 to 35 Re . //J. Geophys. Res., 1989. V.94. A5. P.5264-5272.

119. Sweet P.A. Electromagnetic Phenomena in Cosmic Physics. London. Cambridge Univ. Press., 1958. -P.123.

120. Turner N.E. et al. Evaluation of the tail current contributions to Dst.// J. Geophys .Res. 2000. V.105 P.5431-5439.

121. Volland H. Models of Global Electric fields within the magnetosphere.//Ann. Geophys., 1975. 31.-P.159.

122. Weiss L.A., Reiff P.H., Moses J.J. et al. Energy dissipation in substorms.// Proc. First Int. Conf. on Substorms, Kiruna, Sweden, March, 1992. P. 315.

123. Zwickl R.D., Bargatze L.F., Baker D.N. et al. An evaluation of the total magnetospheric energy output parameters, UT, in Magnetotail Physics.//ed. by Lui A.T.Y., Johns Hopkins Univ. Press, 1987. P.155.