Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Крупномасштабные геомагнитные вариации, контролируемые межпланетным магнитным полем, и связанные с ними электрические поля и токи в Арктике и Антарктике

ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Крупномасштабные геомагнитные вариации, контролируемые межпланетным магнитным полем, и связанные с ними электрические поля и токи в Арктике и Антарктике"

На правах рукописи

Громова Людмила Ивановна

КРУПНОМАСШТАБНЫЕ ГЕОМАГНИТНЫЕ

ВАРИАЦИИ, КОНТРОЛИРУЕМЫЕ ^ МЕЖПЛАНЕТНЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ, И СВЯЗАННЫЕ С НИМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОЛЯ И ТОК1р$ АРКТИКЕ И АНТАРКТИКЕ.

/

25.00.29 - физика атмосферы и гидросферы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Троицк-2007

Работа выполнена в Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн-им. Н.В. Пушкова Российской академии наук.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук

Левитин Анатолий Ефимович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор,

Деминов Марат Гарунович (ИЗМИР АН)

кандидат физико-математических наук Ягодкина Оксана Ивановна (ПГИ, г. Апатиты)

Ведущая организация:

Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва

Защита диссертации состоится 30 октября 2007 г. в 11 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 002.237.01 в Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова Российской академии наук по адресу: 142190, г. Троицк, Московской области (проезд автобусом 398 от станции метро «Тёплый стан» до остановки «ИЗМИРАН»).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЗМИРАН. Автореферат разослан 28 сентября 2007 г. Ученый секретарь

диссертационного совета Д 002.237.01

Михайлов Ю.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В диссертации рассматривается задача модельного представления крупномасштабных геомагнитных вариаций, контролируемых параметрами межпланетной среды, в околоземном пространстве и использование такого представления для модельного описания электрического поля и конвекции плазмы в высокоширотной ионосфере, а также трехмерных токовых систем в ней Проводится сопоставление модельных расчетов электромагнитного поля и конвекции ионосферной плазмы с данными радарных и спутниковых измерений и предлагаются способы использования моделей полей и токов в научных и прикладных задачах Актуальность проблемы

Исследование геомагнитных вариаций, которые генерируются в околоземной среде крупномасштабными магнитосферными и магнитосферно-ионосферными токовыми системами, является не только содержанием науки о переменном магнитном поле Земли, но одним из современных источников наших знаний о физике процессов, происходящих в системе Солнце - солнечный ветер - магнитосфера — ионосфера Геомагнитные вариации на уровне земной поверхности регистрируются достаточно длительное время на широкой международной сети магнитных обсерваторий и специальных пунктов наблюдений Это позволило получить большой статистический материал, содержащий информацию о роли сезонов года, времени суток, уровня солнечной активности, параметров солнечного ветра и межпланетного магнитного поля (ММП) в формировании пространственно-временной структуры магнитного поля Земли Развитие вычислительной техники сделало возможным осуществление математических расчетов по восстановлению пространственной структуры распределения электрического поля и электрических токов в высокоширотной ионосфере на основе пространственной картины распределения магнитного возмущения на уровне земной поверхности Это

позволило также проводить сложные математические расчеты магнитосферных токовых систем и магнитных полей от них Так появилась возможность на основе модельных количественных расчетов проверять гипотезы о природе экспериментально наблюдаемых особенностях пространственно-временного поведения трехмерных токовых систем и предсказывать их новые свойства, требующие проверки с помощью новых космических экспериментов

В каждый исторический период изучения околоземного космического пространства новые методы исследования, используемые коллективами ученых, определяли какие конкретные свойства и параметры магнитосферы и ионосферы могут быть наблюдаемы Новые способы анализа магнитосферных процессов на основе геомагнитных данных позволяют вести проверку предполагаемых свойств изучаемого объекта, выявленных во время проведения отдельных локальных экспериментов и при разработке теоретических схем, и, одновременно с этим, ставят перед исследователями новые вопросы Последовательное решение новых вопросов, новая интерпретация старых экспериментов, приводят, в конце концов, к достаточно глубокому пониманию наблюдаемых явлений, хотя отдельные проблемы предстоит исследовать и решать еще в течение ряда лет

Создание количественных моделей крупномасштабных геомагнитных вариаций и разработка на их основе, моделей ионосферного электрического поля, магнитосферных и магнитосферно-ионосферных токовых систем, джоулева нагрева ионосферы позволило перейти на новую ступень описания магнитосферных явлений. Во-первых, появился количественный, а не качественный критерий оценки любой создаваемой модели Во-вторых, накопленный экспериментальный материал ракетных, спутниковых и радарных измерений, выполненных в различных районах ионосферы и магнитосферы в периоды разных ситуаций в межпланетной среде вблизи орбиты Земли, может анализироваться и на основе особенностей

пространственно-временного поведения магнитного и электрического поля и электрического тока, описываемых моделями В-третьих, новые наблюдения могут быть проведены, чтобы проверить конкретные выводы создаваемых моделей, которые не укладываются в рамки существующих теорий В-четвертых, реализуется все более и более точный контроль состояния космической погоды на основе поступления в реальном масштабе времени данных о параметрах межпланетной среды, которые служат входными параметрами создаваемых моделей, или сопоставления модельного магнитного поля в точках орбиты магнитосферного космического аппарата с данными магнитных измерений, ведущихся на его борту Цели и задачи работы

Целью диссертации является количественное описание структуры и динамики геомагнитного поля в околоземном пространстве, электрического поля и трехмерных токовых систем в высокоширотной ионосфере, конвекции плазмы и джоулева нагрева ионосферы в зависимости от параметров межпланетной среды, геомагнитной активности и сезонов года

При этом ставились следующие задачи 1. Исследовать структуру крупномасштабных геомагнитных вариаций в области высоких широт южного полушария в зависимости от условий в межпланетном пространстве и сопоставить ее с подобной структурой в высоких широтах северного полушария.

2 Восстановить электрическое поле и токовых систем в высокоширотной ионосфере южного полушария и сопоставить его с электрическим полем и токами в высокоширотной ионосфере северного полушария Земли

3 Обобщить модели ИЗМИР АН наземного магнитного поля, ионосферного электрического поля и ионосферных токов в высоких широтах на два полушария Земли

4. Провести сопоставления модельных расчетов на основе обобщенной модели ИЗМИРАН и Параболоидной модели НИИЯФ МГУ с

экспериментальными данными наземных, спутниковых и радарных измерений

5 Провести расчет силовых линий геомагнитного поля в околоземном пространстве с учетом полей, создаваемых магнитосферными токовыми системами, и на этой основе получить оценку временной динамики исправленных геомагнитных координат высокоширотных магнитных обсерваторий в зависимости от сезона года, мирового времени и состояния геомагнитной активности

6 Проверить возможность контроля геомагнитной активности в реальном масштабе времени на основе модели магнитного поля в околоземном пространстве

Научная новизна

Проведено обобщение модели ИЗМИР АН крупномасштабных наземных геомагнитных вариаций, электрического поля, токовых систем в высокоширотной ионосфере и конвекции ионосферной плазмы, в зависимости от ситуации в ММП вблизи магнитосферы, на оба полушария Земли Проведено сопоставление обобщенной модели ИЗМИРАН и Параболоидной модели магнитного поля в околоземном пространстве НИИЯФ МГУ, для которой разработан алгоритм расчета входных параметров, с данными радарных и спутниковых измерений На основе такого сопоставления продемонстрирована способность этих моделей описывать, на количественном уровне, состояние электромагнитной погоды в магнитосфере Земли Эта способность, по своей точности, не уступает современным моделям, разработанным за рубежом Научная и практическая ценность

Завершена и оформлена в качестве программного продукта модель геомагнитного поля, электрического поля и системы трехмерных токовых систем в высоких широтах северного и южного полушарий Земли в зависимости от ситуации в межпланетном магнитном поле Эта модель дает

количественное описание пространственной структуры крупномасштабных геомагнитных вариаций, ибйосферного электрического поля и его потенциала, поперечного и продольного электрических токов в области исправленных геомагнитных широт 1Ф'1 > 60 Модель может использоваться для анализа экспериментальных наблюдений (спутники, радары, наземные геофизические наблюдения), расчета конвекции ионосферной плазмы, джоулева нагрева ионосферы Кроме того, модель может быть использована в прикладных задачах для контроля геофизической обстановки в околоземном пространстве. На защиту выносятся следующие положения

1 Модели ИЗМИРАН (IZMEM model), распространенные на количественное описание пространственно-временных распределений электрического поля, токовых систем и конвекции плазмы в высокоширотных ионосферах двух полушарий, способны достоверно описывать их в согласии с данными спутниковых и радарных измерений

2 На основе сопоставления спутниковых измерений магнитного поля в магнитосфере с количественной моделью этого поля возможен контроль геомагнитной активности в реальном масштабе времени

3 Расчет исправленных геомагнитных координат высокоширотных магнитных обсерваторий позволил оценить их временную динамику в зависимости от сезона года, мирового времени и состояния геомагнитной активности

Личный вклад соискателя

Автор принимал непосредственное участие в обработке геомагнитных данных, полученных в результате магнитных измерений на территории Антарктики- выделение геомагнитных вариаций, контролируемых параметрами межпланетной среды, проведение расчетов электрического поля и токовых систем в высокоширотной ионосфере южного полушария. Им проводилось сопоставление модельных расчетов с данными спутниковых и

радарных измерений в северном и южном полушариях Им разработан алгоритм и составлена программа расчета входных параметров для Параболоидной модели магнитного поля в магнитосфере Земли, проведен расчет динамики исправленных геомагнитных координат в зависимости от геомагнитной активности, сезона года и мирового времени суток, реализован способ контроля геомагнитной активности в реальном масштабе времени на основе магнитных измерений на борту космического аппарата и сопоставления их с модельными расчетами поля в точках орбиты Представление результатов

Результаты диссертационной работы докладывались на Российских и Международных конференциях International conference on Substorms , 1996, 2003 General Assembly EGS, 1998 General Assembly of IAGA, 1989, 1997, 1999, 2005 First SWARM International Science Meeting, 3-5 May 2006, Nantes France. 36th COSPAR Scientific Assembly, Beijing, July 16-23, 2006 Международная конференция «Проблемы геокосмоса», Санкт-Петербург, 2000, 2002, 2006

Ежегодный апатитский семинар «Физика авроральных явлений», 2005, 2006, 2007

Публикации

По теме диссертации автором опубликовано 26 статьи в рецензируемых журналах, 5 статей в трудах конференций

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения, содержит страниц текста, таблиц и рисунков Список литературы включает названий

Во введении обосновываются актуальность работы, ее новизна, практическая значимость и основные задачи диссертации Отмечается, что создание количественных моделей крупномасштабных геомагнитных вариаций и разработка на их основе, моделей ионосферного электрического поля, магнитосферных и магнитосферно-ионосферных токовых систем, джоулева нагрева ионосферы позволило перейти на новую ступень описания магнитосферных явлений Во-первых, появился количественный, а не качественный критерий оценки любой создаваемой модели Во-вторых, накопленный экспериментальный материал ракетных, спутниковых и радарных измерений, выполненных в различных районах ионосферы и магнитосферы в периоды разных ситуаций в межпланетной среде вблизи орбиты Земли, может анализироваться и на основе особенностей пространственно-временного поведения магнитного и электрического поля и электрического тока, описываемых моделями В-третьих, новые наблюдения могут быть проведены, чтобы проверить конкретные выводы создаваемых моделей, которые не укладываются в рамки существующих теорий В-четвертых, реализуется все более и более точный контроль состояния космической погоды на основе поступления в реальном масштабе времени данных о параметрах межпланетной среды, которые служат входными параметрами создаваемых моделей, или сопоставления модельного магнитного поля в точках орбиты магнитосферного космического аппарата с данными магнитных измерений, ведущихся на его борту

В первой главе представлен обзор развития исследований с выделением геомагнитных вариаций, контролируемых параметрами межпланетной среды Изложены результаты модельного описания геомагнитного поля в области высоких широт, проводившихся российскими и зарубежными коллективами ученых Существование различных методов обработки исходных данных позволило исследователям ИЗМИР АН, СибИЗМИРа, Ленинградского университета, датским и японским

коллективам объективно оценить структуру крупномасштабных наземных геомагнитных вариаций в области высоких широт

Кратко описываются модели наземных высокоширотных геомагнитных вариаций и модели геомагнитных вариаций, которые создаются токовыми системами на границе и в хвостовой части магнитосферы, а также кольцевым током и магнитосферно-ионосферными токовыми системами Представлены алгоритмы расчета полей и токов в модели ИЗМИРАН, модели Мида-Файрфилда, модели Мида-Вильямса, модели Олсона-Пфитцера, модели Мальцева-Остапенко (ПГИ КНЦ РАН), модели Н А Цыганенко, Параболоидной модели НИИЯФ МГУ Они используются для восстановления электрического поля и токов в высокоширотной ионосфере, для расчета силовых линий геомагнитного поля, для расчета конвекции плазмы и движения заряженных частиц в околоземном пространстве

В конце главы сформулированы результаты, выполненных за последние десятилетия исследований, направленных на построение моделей геомагнитных вариаций и указаны конкретные задачи, которые решаются в диссертации

Во второй главе рассматривается модель ИЗМИРАН крупномасштабных геомагнитных вариаций, электрического поля и токов в высоких широтах северного и южного полушарий Модель ИЗМИРАН (IZMEM model) представляет собой набор моделей, включающий в себя модель крупномасштабных высокоширотных геомагнитных вариаций, контролируемых параметрам межпланетной среды, модель потенциала (р электрического поля Е в высокоширотной ионосфере, модель электрического поля Е и модель электрических токов в высокоширотной ионосфере Последние три модели были получены на основе модели геомагнитных вариаций и конкретной модели интегральной проводимости ионосферы В данной главе представлены используемые данные и метод расчета

магнитного поля, потенциала электрического поля и ионосферных токов в высокоширотной ионосфере северного и южного полушарий

Модель крупномасштабных геомагнитных вариаций получена на основе данных 15 магнитных обсерваторий северного полушария, расположенных в области исправленных геомагнитных широт 58° < Ф' < 86, и данных 21 точки наблюдения в южном полушарии (обсерваторий и автоматических станций в Антарктиде), расположенных в области широт -89° < Ф' < -57° Эти данные (три компоненты вектора измеряемого магнитного поля, среднечасовые значения) были использованы для корреляционного анализа их связи со среднечасовыми параметрами межпланетной среды скоростью V, концентрацией N плазмы солнечного ветра и компонентами вектора ММП В(Вх, Ву, Вг) При этом исходные данные были разделены на две части по признаку знака вертикальной Вг компоненты (Вг < 0 — возмущенное состояние магнитосферы, Вг > 0 - её спокойное состояние) Корреляционный анализ был проведен отдельно для трех сезонов года- зимний сезон - январь, февраль, ноябрь, декабрь для северного полушария, май -август для южного полушария Летний сезон -это май - август для северного полушария, январь, февраль, ноябрь, декабрь для южного полушария Сезон равноденствия - март, апрель, сентябрь, октябрь для двух полушарий При этом корреляция проводилась отдельно для каждого часа мирового времени суток Выделенные на основе корреляционного анализа крупномасштабные геомагнитные вариации, контролируемые компонентами вектора ММП, позволили определить структуру эквивалентных токовых систем в высокоширотной ионосфере северного и южного полушарий планеты

Эквивалентная токовая система геомагнитной вариации, контролируемой Ву компонентой вектора ММП БР(Ву) в северном полушарии, характеризуется зональным током, направленным против часовой стрелки при Ву > 0 и направленным по часовой стрелке при Ву<0

Эта токовая система локализована в области полярных шапок Земли. При этом в южном полушарии она имеет противоположное направление направлена против часовой стрелки при Ву < 0 и направлена по часовой стрелке при Ву> О

Эквивалентная токовая система высокоширотной геомагнитной вариации, контролируемой наиболее геоэффективной южной вертикальной компонентой (Bz < 0) вектора ММП, в м§етный летний сезон содержит два токовых вихря Один с направлением тока по часовой стрелке и фокусом на широтах /ф'/~ 72° в MLT » 03-04] второй - с током против часовой стрелки, и фокусом на тех же широтах MLT ~ 15 Ток через полярные шапки течет вдоль меридиана MLT = 21-09, а на широтах зоны полярных сияний присутствуют две классцчееки электроструи - западная (наибольшая интенсивность приходится на местное магнитное время MLT = 02-05) и восточная (наибольшая интенсивность в MLT = 15-17)

Эквивалентная токовая система геомагнитной вариации, контролируемой северной вертикальной компонентой (Bz > Q) вектора ММП, в местный летний сезон также образует два вихря, но только с обратными направлениями токов в них по сравнению с предыдущей токовой системой DP(Bz < 0) и с другими местоположениями фокусов вихрей

На широтах авроральных зон эквивалентный ток D,P(Bz >0) направлен также в другую сторону, по сравнению с током DP(ßz < 0), Таким образом, ситуация в ММП, когда вектор этого поля имеет компоненту Bz > 0, приводит к ослаблению западного и восточного электроджетов, то есть, к ослаблению геомагнитной активности в этих районах педнеты

Эквивалентный ток токовой системы, связанной с Вх компонентой вектора МММ, значительно уступает по своей инт§нсрвн<зсти токовым системам DP(By) и DP(Bz) Это связано с тем, что электрическое поле солнечного ветра Е = - [VxBx] значительно меньше по амплитуде чем

электрические поля Е = - [УхВу] Е = - [УхВг], что связано почти с параллельностью векторов скорости ветра У и Вх

Эквивалентный ток высокоширотных геомагнитных вариаций, очищенных от влияния компонент вектора ММП, контролируется скоростью и концентрацией плазмы солнечного ветра, что предполагает наличия квазивязкого взаимодействия солнечного ветра с плазмой магнитосферы. Этот ток состоит в местный летний сезон года из двух токовых вихрей, подобных вихрям токовой системы ОР(Вг < 0)

Набор параметров межпланетной среды, используемый для построения модели ИЗМИР АН геомагнитных вариаций, был в результате анализа сведен к параметрам Вх, Ву, Вг, V2, ЫУ2 Этот набор определяется тем, что каждому такому параметру может соответствовать определенный физический механизм (пересоединение магнитных полей - магнитного поля Земли и ММП, квазивязкое взаимодействие плазмы солнечного ветра с плазмой магнитосферы), а, кроме того, в результате выделения из анализируемых геомагнитных данных геомагнитных вариаций, контролируемых этими параметрами, остается остаточная вариация с амплитудой порядка 30 нТл, которая может быть интерпретирована, как среднеширотная Зд вариация, продолженная в высокие широты

Проверка этой модели на экспериментальных данных показала, что для количественной оценки временной динамики пространственного распределения вектора крупномасштабного квазистационарного геомагнитного возмущения, в зависимости от ситуации в межпланетной среде вблизи орбиты Земли, достаточно использовать упрощенную регрессионную связь геомагнитного поля Н (Ф\ МЬТ) с параметрами этой среды Корреляционное уравнение, в которой учитывается зависимость геоэффективности взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой от знака Вг компоненты вектора ММП, имеет вид

Н (Ф\ MLT) = 1?у(Ф\ MLТ)хВу(ФMLТ) + К*г(ФМЬТ)хВг(ФMLT) + Н*,, Здесь коэффициенты Кг и слагаемое различны в зависимости от знака Bz: Ki+ и Н*0 отвечают ситуации в ММП Bz >0, а КГ и Н~0 - ситуации Bz < О Такая корреляционная модели обеспечивает в случае отсутствия сильных магнитосферных возмущенвд (активные фазы суббурь и магнитных бурь) среднюю точность ~ 3,0 нТл в полярных шапках и ~ 50 нТл в авроральных зонах, что дает ошибки 20% от амплитуд наблюдаемых на практике крупномасштабных геомагнитных вариаций, которые исследователи характеризуют среднечасовыми значениями поля

На основе этой медали было проведено восстановление пространственных распределений электрического поля и трехмерных токовых систем в высокоширотны* ионосферах двух полушарий Земли. При решении задачи о восстановлении потенциала (р ионосферного электрического поля Е = - Vq> необходимо использовать модель интегральной проводимости высокоширотной ионосферы и конкретный алгоритм численного решения системы уравнений, связывающих пространственное распределение горизонтального вектора магнитного возмущения с потенциалом ср Такая математическая задача решалась различными исследовательскими коллективами в нашей стране И за рубежом В ИЗМИРАН использовался алгоритм, разработанной A.B. Гуревичем (ФИАН), А JI Крыловым и Д С Фаермарком (ИФЗ), который был использован для расчета потенциала по описанном выше эквивалентным токовым системам DP(By), DP(Bz), DP(MMII=0)

Рисунки, демонстрирующие пространогрещще распределения рассчитанных электромагнитных параметров, которые и являются моделью ИЗМИРАН, представлены в Приложении к диссертации Каждый из параметров модели Р(Ф', MLT) описывается суммой Р(Ф\ MLT) =К±у(Ф\ MLТ)хВу(Ф'MLТ) + К^Ф', МЬТ)хВг(Ф', MLT) + Р*0

Здесь коэффициенты Кг* и слагаемое Р*о различны в зависимости от знака Вг Кг* и Р\ отвечают ситуации в ММП Вг > 0, а КГ и Г0 - ситуации Вг < О Модель представляет собой совокупность наборов Кг* и Р*0 для трех сезонов года и двух полушарий Земли, позволяющих получить амплитуды любого из параметров <р,Е, Зм J||

В этой главе представлена и модель интегральной проводимости высокоширотной ионосферы, которая использовалась при расчете Она учитывает влияние ультрафиолетового излучения Солнца и высыпающихся заряженных частиц Влияние волнового излучения на холловскую и педерсеновскую части проводимости учитывается на основе конкретной зарубежной модели, основанной на радарных измерениях и представления проводимости в аналитической форме в зависимости от зенитного угла Солнца Изменение проводимости за счет высыпания частиц учитывается с помощью модели, основанной на спутниковых данных для спокойного и возмущенного состояний геомагнитного поля

В качестве примеров пространственных распределений этих параметров показаны, соответственно, распределения потенциала электрического поля и продольного тока в высокоширотной ионосфере в местный летний сезон года Далее в этой главе подробно описываются особенности модельных распределений потенциала электрического поля, электрического поля и токов 3_ь

Третья глава посвящена сопоставлению модельных расчетов полей и токов с экспериментальными данными. Все модели, которые упоминаются в диссертации, опираются на определенные постулаты, что связано как с ограниченностью используемых данных для их построения, так и с необходимостью упростить задачу сложного количественного описания пространственно-временного распределения полей и токов в околоземном пространстве. Соответственно, чтобы оценить приближенность модельных расчетов, за счет принятых допущений по отношению к реальному

поведению описываемых моделями физических величин, необходимо провести их сопоставление с экспериментальными данными Этими данными являются материалы спутниковых и радарных измерений В разделе 3 1 представлены сопоставления модельных расчетов электрического поля, и конвекции плазмы на основе модели ИЗМИР АН с данными спутниковых (VIKING, DE-2, FAST, DMSP F13, F14) и радарных наблюдений (SuperDARN) во время событий в разные сезоны года и при раличных условиях в ММП как для северного , так и для южного полушарий Ниже показаны примеры сравнения модельных расчетов электрического поля с данными измерения спутника VIKING (лето, северное полушарие) электростатический потенциал, вычисленный по данным спутника DE-2 модельные расчеты потенциала вдоль соответствующих пролетов спутника (лето, равноденствие, северное полушарие), электростатический потенциал, вычисленный по данным DMSP F13 и DMSP F14 и модельные расчеты потенциала вдоль соответствующих пролетов спутников над высокими широтами северного (левый столбец) и южного (правый) полушарий в

Рис 1 Компонента Е2 электрического поля,

вычисленная по данным спутника VIKING (пунктирная кривая), и проекция векторов модельного электрического поля на направление траектории спутника

(сплошная)

зимний сезон - рисунки 1, 2, 3 соответственно Все они демонстрируют хорошее согласие между модельными расчетами и спутниковыми измерениями

¡Ш8»

81!«

«и«

ее

*

§

§ 40

80

« ж О

и

I 9 -89

»40

*

1 8 -80

:Ву«-?.о ¡Вх»$ о —Г........ гб.{ол*81 з

ЛЕ-Й ! | I 3

Г I 1 "1* * -

: \ , / ' 1

Ц-/-

: ' ( «

Г 1 {

\

I , 1

* { *

( .....1............... .............1........................л

Рис 2 Электростатический

потенциал, вычисленный по данным (сплошная кривая) спутника ЭЕ-2 модельные расчеты потенциала (точечная кривая) вдоль

соответствующих пролетов спутника над северным полушарием

Любой способ описания крупномасштабной конвекции в высокоширотной ионосфере опирается на определенные предположения, что не позволяет однозначным образом разрешить спор о пространственной структуре конвекции при Вг > О ММП В разделе 3.1 представлены доказательства возможной некорректности выделения вихрей конвекции в приполюсной области на основе локальных

спутниковых измерений, когда за отдельный вихрь можно принять отдельный элемент сложной

конфигурации двух вихревой конвекционной системы или просто центральную часть одного из этих вихрей

тт

амъ

ЯМ*

Накопления данных спутниковых измерений электрического поля и конвекции в высокоширотной ионосфере, привело к тому, что были созданы различные статистические модели электрического поля и токов в высокоширотной ионосфере, основанные на таких измерениях. В разделе 3 1 представлено сопоставление модели ИЗМИР АН не только с непосредственными спутниковыми измерениями, но и с некоторыми моделями, а именно, потенциала электрического поля по моде по модели Хеппнера-Майнарда при значительной северной компоненте Вг, потенциала электрического поля по модели Фостера при северной и южной компоненте Вг, продольных токов по модели АМИЕ и по модели Глобального Моделирования для отдельных событий при северной, южной и значительной южной компоненте Вг над северным и южным полушариями

Северное полушарие Южное полушарие

Рис 3 Электростатический потенциал, вычисленный по данным (сплошная кривая) ОМЭР И13 и РМвР Р14 и модельные расчеты потенциала (точечная кривая) вдоль соответствующих пролетов спутников над северным (левый столбец) и южным (правый) полушариям

В разделе 3.2 представлены сопоставления модельных расчетов магнитного поля на основе Параболоидной модели с данными наземных и спутниковых магнитных измерений. Параболоидная модель (ПМ) магнитного поля, названная так потому, что в ней задается форма магнитосферы в форме параболоида, брла разработана в НИИЯФ МГУ В ПМ используется набор входных параметров, в число которых входят конкретные физические величины, определяющие состояние магнитосферы расстояний до подсолнечной точки магнитопаузы, расстояние до передней кромки плазменного слоя в хвосте магнитосферы, размер полярных шапок, определяющий магнитный поток, поступающий в хвостовую часть околоземного пространства Метод определение этих ключевых входных параметров на основе текущих данных о состоянии межпланетной среды (солнечный ветер, межпланетное магнитное поле) и индексов геомагнитной активности (А/, Dst) был разработан в ИЗМИР АН при нашей совместной работе с учеными НИИЯФ В этом разделе представлены результаты сопоставления расчетов, проведенных на основе ПМ, с измерениями магнитного ПОЛЯ в магнитосфере на спутниках GOES и магнитного поля на уровне з§мррй поверхности (Dst индекс) При этом ¿^/-вариация рассчитываете? как еумма трех слагаемых Dst = DCF + DR + DT, где к составляющим эту вариацию полям от тока на магнитопаузе DCF и кольцевого тока DR добавляется поле от токовой системы хвостовой части магнитосферы Щ,

На рие,4 и рис.5 представлены два примера таких сопоставлений На рис.4 показэвд сопоставление модельного расчета наземного геомагнитного поля р экспериментальными данными1 Lto-вариация в период 2-7 мая 1998 года и модельное ее расчеты и модельные составляющие поля Dst — поле и поле DT Пример сопоставления модельного расчета магнитного поля с данными спутника GOES-8 (24-26 сентября 1998 г), компоненты вектора геомагнитного поля в солнечно-магнитосферной системе координат,

экспериментальные данные - сплошная линия модельный расчет - точки Подобные сопоставления позволяют считать, что ПМ с использованием

. и» 11«» 1 «8

-да -ж»

Рис 4 Сопоставления модельного расчета наземного геомагнитного поля с экспериментальными данными Нижний график -О.??- вариация в период 2-7 мая 1998 года (сплошная линия) и модельные ее расчеты (точки), верхние графики- модельные составляющие поля £>5? -поле ОСТ и поле ОТ

и«»» »и я «о о чт Ми>Ю XV И *»#» Ш» ОТ !М»

Рис 5 Сопоставления модельного расчета магнитного поля с данными спутника ООЕ8-8 (24-26 сентября 1998 г ) компоненты вектора геомагнитного поля в солнечно-магнитосферной системе координат, экспериментальные данные - сплошная линия и модельный расчет - точки

т и з» и 5» хт |

»

№ ше

а

2«. «9 «>«

» 12 24 I ГГ и ММ |

алгоритма ИЗМИРАН расчета входных параметров достоверно отражает временную динамику геомагнитных возмущений в периоды магнитных бурь

В четвертой главе приводятся примеры использования моделей полей и tqkob в научных и прикладных задача*,

В разделе 4.1 приводится пример испрльзования модели ИЗМИР АН для анализа пространственно-временного распределения токовых систем в высокоширотной ионосфере в период проведения геофизических экспериментов.

Международный эксперимент BEAR по исследованию

магцитотеллурических токов (МТ) проводился на терретории Лапландии в ивдне-июле 1998 года. Обработка данных эксперимента показала, что станции наблюдений, расположенные в авроральной зоне, оказались против ожидания в так называемой дальней зоне от источника магнитных возмущений и рассчитанные МТ импендансы практически не искажаются высокоширотными токовыми системами Объяснить этот эффект помог анализ токовых систеад, смоделированных с помощью модели ИЗМИР АН Во время эсперимента электромагнитная обстановка сложилась так, что сумма числа часов, когда соет@янде магнитосферы было спокойным, превышало время , когда магнитосфера бьста возмущенной Модельное распределение ректоров электрического поля для средних значений компонент ММП, характерных для вр§^шни прдведения эксперимента, показало, что в большинстве случаер источник ь^гнитного поля располагался в полярной шапке, а не в авроральной зоне, где располагались станции наблюдений, что и привело к полученным результатам

В разделе 44 на основе моделей магнитного поля в околоземном пространстве проводится оценка динамики пространственного распределения силовых линий геомагнитного поля и соответствующей динамики исправленных геомагнитных координат высокоширотных магнитных обсерваторий

При используемом в настоящее время способе вычислений исправленных геомагнитных координат (так вычисленные координаты приводятся в известных таблицах, их можно рассчитать на соответствующкм сайте в режиме ON LINE) при проведении силовой линии из заданной точки на поверхности Земли до пересечения с экваториальной плоскостью внешнее магнитное поле принимается равным Главному магнитному полю Земли (модель IGRF для соответствующей эпохи) или сумма этого поля с полем от внешних источников для спокойного состояния геомагнитного поля.

В диссертации при подобных расчетах магнитное поле полагается равным сумме Главного магнитного поля и внешнего поля при различном состоянии геомагнитной активности Кроме того, предполагается , что магнитосфера имеет форму параболоида вращения В этих предположениях силовая линия становится зависимой от состояния магнитосферы (спокойное, слабо возмущенное, возмущенное), а так как движение по силовой линии магнитного поля рассчитывается в солнечно-магнитосферных координатах, то и от дата (т е сезона года) и часа UT В таких условиях силовая линия магнитного поля не всегда будет пересекать экваториальную плоскость, то есть может оказаться незамкнутой И исправленные геомагнитные координаты заданной точки просто не могут быть вычисленными В описанных условиях были рассчитаны координаты некоторых высокоширотных станций (Алерт, Хейс, Уеллен и др ) для лета, равноденствия и зимнего сезона для всех часов UT, для разных состояний магнитосферы Соответственно была выявлена временная динамика исправленных геомагнитных координат станций

В разделе 4 3 на основе моделей магнитного поля в околоземном пространстве предложен возможный метод контроля геомагнитной активности в реальном масштабе времени, основанный на сопоставлении модельного расчета компонент вектора магнитного поля Земли с данными

магнитных измерений, ведущихся на борту космического аппарата вдоль его траектории.

Идея такого контроля состоит в том, чтобы такие измерения компонент вектора геомагнитного поля или его модуля на каждом витке, или части витка, сопоставлять с набором ситуаций, которые описываются конкретной современной моделью этого поля Такие ситуации должны быть соответствовать определенным классам геомагнитной активности Класс активности (спокойное состояние, слабо возмущенное, возмущенное, сильно возмущенное) определяется входными параметрами модели, которыми являются параметры солнечного ветра и индексы геомагнитной активности Сопоставляя каждый из классов активности (распределение модельного поля для такого класса вдоль траектории спутника) с текущими реальными измерениями, бортовой компьютер выбирает тот модельный класс активности, который обеспечивает наилучшую сходимость экспериментальных данных и модельного их описания Представлен пример такого способа контроля класса геомагнитной активности на основе сопоставления данных измерений магнитного поля на низкоорбитальном спутнике CHAMP с Параболоидной моделью магнитного поля в магнитосфере Показано, что значения наименьшей невязки, которые определяют модельный класс геомагнитной активности, достоверно отражают ее реальное состяние, оцененное по индксу Кр

В заключении представлены основные результаты, полученные в диссертации

1 Завершено создание обобщенной модели ИЗМИРАН, дающей количественное описание в высоких широтах северного и южного полушарий Земли

а) крупномасштабных вариаций горизонтального вектора геомагнитного поля Н(Ф', MLT),

б) крупномасштабного ионосферного электрического поля Е(Ф\ МЬТ) и его потенциала ср(Ф', МЬТ),

в) крупномасштабных электрических токов - поперечного ионосферного тока }±(Ф', МЬТ) и его составляющих (холловского и педерсеновского токов) и продольного, текущего вдоль силовых линий геомагнитного поля, тока /// (Ф\ МЬТ).

2 В рамках такого количественного описания электрического поля и токов предложены

а) модель пространственно-временной структуры крупномасштабных продольных токов в отдельных областях высокоширотной ионосферы -дневного каспа, полярной шапки и в авроральной зоне, которая отражает основные закономерности в пространственно-временной динамике /// (Ф\ МЬТ), выделенные исследователями по спутниковым данным,

б) модель крупномасштабной конвекции плазмы в высокоширотной ионосфере;

в) модель джоулева нагрева высокоширотной ионосферы.

3 Проведено сопоставление модельных расчетов на основе обобщенной модели ИЗМИР АН в двух полушариях Земли с экспериментальными данными наземных, спутниковых и радарных измерений, что продемонстрировало способность этой модели описывать реально возникающие пространственно-временные распределения электромагнитного поля и токов в высоких широтах.

4 Разработан алгоритм и программа расчета входных параметров Параболоидной модели магнитного поля в магнитосфере Земли НИИЯФ МГУ, позволяющие проводить оценку компонент вектора магнитного возмущения в заданной точке околоземного пространства на основе параметров межпланетной среды и индексов геомагнитной активности, и проведено сопоставление модельного расчета с данными наземных и спутниковых магнитных измерений в период магнитных бурь,

демонстрирующее реальную способность модели описывать пространственно-временное распределение магнитного поля, создаваемого магнитосферными токовыми системами

5 На основе модели ИЗМИР АН проведен анализ пространственно-временной структуры ионосферных тока в период международного эксперимента BEAR, когда магнитометры, расположенные в овале полярных сияний, оказались в дальней зоне от источников магнитного возмущения Этот факт, согласно модели ИЗМИР АН, объясняется простым смещением максимума ионосферных токовых систем в период проведения эксперимента в полярную шапку, потому что этот период пришелся на ситуацию в межпланетной среде, когда межпланетное магнитное поле в основном имело северную вертикальную компоненту Bz > О

6 Выполнен модельный расчет силовых линий геомагнитного поля в околоземном пространстве с учетом полей, создаваемых магнитосферными токовыми системами, и на этой основе получена оценка временной динамики исправленных геомагнитных координат высокоширотных магнитных обсерваторий в зависимости от сезона года, мирового времени и состояния геомагнитной активности

7. Предложен способ контроля геомагнитной активности в реальном масштабе времени на основе магнитных измерений на борту космического аппарата и сопоставления их с модельными расчетами поля в точках орбиты В приложении собраны графические представления пространственно-временные распределения модельных коэффициентов геомагнитного поля, потенциала электрического поля, электрического поля, продольного тока, ионосферного тока, холловского тока, педерсеновского тока, джоулева разогрева ионосферы для спокойных и возмущенных условий в ММП для летнего, зимнего сезонов и равноденствия (64 рисунка)

Список работ по теме диссёртйции

1 Papitashih, V О, В A Belov, L I. Gromova, Field-aligned currents and convection patterns in the Southern polar cap during stable northward, southward and azimutaf IMF, Transaction on Plasma Science, vol 17, N2, 167-173 ,1989

2 Papitashvili V О, Levitin A E, Belov В A, Feldstein YI, Gromova L.I, Valchuk T E, Equivalent ionospheric currents above Antarctica during the austral summer Antarctic Science, vol. 2, N3,267-276, 1990

3 Papitashvili, V О , N E Papitashvili, G Gustafsson, К В Baker, A Rodger, and L. I. Gromova, A comparison between two corrected gfiofflagnetic coordinate systems at high-latitudes, J Geomagn Geoelectr, 44, N12, 1215-1224, 1992

4 Feldstem YI, Levitin A E , Gromova L.I, DreniUkhma L A, Blomberg L G , Lmdqvist P 'A, Marklund G T, Electromagnetic weather at 100 km altitude on 3 August 1986, Geophys Res Lett, 21, N19,2095-2098, 1994

5 Кустов A, Келлер Дж, Софко Г, Фельдштеий Я И, Громова Л.И, Левитин А Е Электродинамика верхней атмосферы и радиосиянйЯ в полярной шапке, Геом и Аэроном, 34, №2,38-48,1994

6 Papitashvili, V О, В A Belov, D S Faermark, Ya,1 Feldstein, S. A Golyshev, L. I. Gromova, and A E Levitin, Electric potential patterns m the Northern and Southern polar regions parameterized by the interplanetary magnetic field, J Geophys Res, 99, No A7, 13251-13262, 1994

7 Papitashvili, V О, В A Belov, D S Faermark, Ya I Feldstein, S A Golyshev, L. I. Gromova, and A E Levitm, Global modeling of high-latitude geomagnetic variations, m Solar-Terrestrial Energy Program The Initial Results from STEP Facilities and Theory Campaigns, edited by D N Baker, V О Papitashvili, and M J Teague, COSPAR Colloquia Series, Vol 5, pp 739-750, Pergamon Press, 1994

8 Фельдштейн Я И Левитин А Е, Громова Л.И., Марклунд Г Т Бломберг Л Г, Линквист П -А , Электромагнитная погода над высокоширотной ионосферой во время полярного сияния в полярной шапке, Косм Иссл ,33, №4 360-370, 1995

9 Голышев С А, Громова Л.И, Левитин А Е, Чиженков В А, Файермарк Д С, Исследование магнитосферно-ионосферных токовых систем, реализующих энергию солнечного ветра во время суббури, Известия Академии наук Серия физическая, N6,191-198, 1995

10 Y I Feldstein, L. I. Gromova, А Е Levitm, L G Blomberg, G Т Marklund, and Р-А Lmdqvist Electromagnetic characteristics of the high-latitude ionosphere during the various phases of magnetic substorms, J Geophys Res, Vol 101, A9,19921-19936,1996

11 А В Кустов, Г Дж Софко, Я И Фельдштейн, Л И Громова, А Е Левитин, Гринвальд, Дж М Руохониеми Первые результаты сопоставления дневной конвекции по данным радаров СуперДарн и моделью ИЗМЭМ, Геом и Аэрон, Т36, N5,26-34 1996

12 Ya I Feldstein, L.I. Gromova, А Е Levitin, and A Grafe, Conjugacy of geomagnetic disturbances and substorm current wedge, Geophys Res Lett, vol 25, N16, 3083-3086, 1997

13 V Kustov, V О Papitashvili, G J Sofko,A Schiffer, Yal Feldstein, L. I. Gromova, A E Levitm, В A Belov, R A Greenwald, and J Ruohomemi, Dayside ionospheric plasma convection, electric fields, and field-aligned currents derived from the SuperDarn radar observations and predicted by the IZMEM model, J Geophys Res, V 102, Al, 24057-24067, 1997.

14 В В Капегаев, И И Алексеев, Я И Фельдштейн, Л. И. Громова, А Графе, М Гринспен Магнитный поток в долях хвоста и динамика Dst вариации во время магнитных бурь, Геом и Аэрон, Т38, № 3,10-16,1998

15. Я И Фельдштейн, Л. И. Громова, А Е Левитин, В О Папиташвили,А В Кустов, Г Дж Софко, Р А Гринвальд, Дж М Руохониеми Конвекция в высокоширотной ионосфере в период нестабильной ориентации межпланетного магнитного поля, Геом и Аэрон, Т39, №4, 2937, 1998

16 Ya I Feldstain, L I Gromova, A Grafe, С -I Meng, V V Kalegaev, I I Alexeev, Yu P Sumaruk, Dynamics of the auroral electrojets and their mapping to the magnetosphere, Radiation Measurement, V 30,579-587, 1999

17 Ya I Feldstain, L I. Gromova, A Grafe, С-I Meng, V V Kalegaev, I I Alexeev, Y P Sumaruk, Auroral electrojet dynamics during magnetic storms, connection with plasma precipitation and large-scale structure of the magnetospheric magnetic field, Ann Geophys, VI, N4,497-507, 1999

18 ЛИ Громова, Я И Фельдштейн, А Е Левитин, А Графе Сопряженность геомагнитных возмущений в приполюсной части аврорального овала в фазу развития суббури, Геомагнетизм и Аэрономия, Т39, №1,27-34,1999

19 В Г Воробьев, Л. И. Громова, Б В Реженов, Г В Старков, Я И Фельдштейн, Вариации положения границ плазменных вторжений и аврорального свечения в ночном секторе //Геомагнетизм и Аэрономия, Т40, №3, 79-85,2000

20 Ya I Feldstein, LI Gromova, J Woch, I Sandahl, L Blomberg, G Markiund, С -I Meng, Structure of the auroral precipitation region in the dawn sector relationship to convection reversal boundaries and field-aligned currents, Ann Geophys, N5,495 - 519,2001

21 Alexeev, I I , Kalegaev, V V , Belenkaya, E S , Bobrovniko, S Y , Feldstein, Ya I , Gromova, L I Dynamic model of the magnetosphere Case study for January 9-12, 1997, J Geophys Res,Vol 106,All ,25,683,2001

22 Старков Г В , Реженов Б В , Воробьев В Г., Фельдштейн Я И , Громова Л.И Структура авроральных вторжений в дневном секторе, Геомагнетизм и аэрономия, Т 42, № 2,186-194,2002

23. Фельдштейн Я И, Л.И. Громова , И И Алексеев, В В Калегаев, Поля магнитосферных токовых систем на поверхности Земли в интервале машнитной бури по международной программе Солнечно-земной физики, КИ,, т 416, №46, 383-394, 2003

24 Y Feldstein, В Tsurutani, A Pngancova, W Gonzalez, Levitin, J Kozyra, L Alperovich, U Mall, L. Gromova, L Dremukhina, The magnetoshenc response to a two-stream soar wind interval during solar maximun a self-consistent magnetoshenc model, Proc ISCS 2003 Symposium, 'Solar Variability as an Input to the earthe's Environment', Tatraska lomnica, Slovakia, 23-28 June 2003 (ESA SP-535, September 2003), 2003

25 Feldstein, Y I, Levitin, A E , Kozyra, J U , Tsurutani, В T , Pngancova, A , Alperovich, L , Gonzalez, W D, Mall, U, Alexeev, I I, Gromova, L I, Dremukhina, L A, Self-consistent modeling of the large-scale distortions in the geomagnetic field during the 24-27 September 1998 major magnetic storm, J Geophys Res, Vol 110, No A11,A11214 10 1029/2004JA010584,2004

26 N Iucci, AE Levitin, A V Belov, E A Eroshenko, NG Ptitsyna, G Villoresi, GV Chizhenkov, LI Dorman, L I. Gromova, M Pansi, M I Tyasto, and V G Yanke, Space weather condition and spacecraft anomalies m different orbits, Space weather, 3, S01001, doi 10 1029/2003SW000056, 2005

27 Gromova L, L Dremukhina, A Levitin, V Pilipenko, N Yagova, E Avdeeva, and D Korzhan, Response of the northern and southern polar caps ground-based magnetic fields to IMF, in "Physics of auroral phenlmena" Proceedings of the 28th Annual Seminar, Apatity 1-4 March, 13-17, 2005

28 Levitin A, Y Feldstein, L. Dremukhina, L Gromova, E Avdeeva, and D Korzhan, Solar wind control of magnetospheric energetics during magnetic storms, in "Physics of auroral phenomena" Proc of the 28th Annual Seminar, Apatity 1-4 March, 37-41, 2005

29. H А Бархатов, Л И Громова, Л А Дремухина, А Е Левитин Учет энергетического бюджета магнитосферы в задаче классификации источников магнитосферной активности // Известия РАН, серия физическая,, т 70, № 10 , 1535-1537, 2006

30. SV Filippov, AE Levitin, LI Gromova, ТI Zvereva, MA Ivanova, Geomagnetic field real state descnbinfg by satalht nagnetic measurenemts, Proc of First International science meeting SWARM, 3-5 May, 2006, Nantes, France, 2006

31 А Е Левитин, Л И Громова, Л А Дремухина, Н А Пальшин, Анализ высокоширотных токовых систем в период эксперимента «BEAR» на основе модели IZMEM, Геомагнетизм и аэрономия, т 47, №3,351-356,2007

Благодарности

В заключении хочу выразить особую благодарность моему научному руководителю доктору физико-математических наук Анатолию Ефимовичу Левитину за внимательное руководство работой и доктору физико-математических наук, профессору, Якову Исааковичу Фельдштейну за длительное и плодотворное сотрудничество и настойчивое стимулирование моей научной деятельности и искреннюю благодарность всем своим коллегам, с которыми довелось работать, среди которых мои соаторы, В О Папиташвили и JI А. Дремухина

Подписано в печать 25 09 2007 г Формат 60x84/16 Печ л. 1,5 Тираж 100 экз Заказ 0575

Издательство «Тровант» ЛР 071961 от 01.09.1999 г.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии издательства «Тровант». 142191, г. Троицк Московской обл., м-н «В», д. 52 Тел (495) 334-09-67, (4967) 50-21-81 E-mail: trovant@ttk.ru. http //www trovant ru/

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Громова, Людмила Ивановна

ВВЕДЕНИЕ

Глава I. МОДЕЛИ ГЕОМАГНИТНЫХ ВАРИАЦИЙ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ 1.1 Модели наземных высокоширотных геомагнитных вариаций

1.1.1 Модели геомагнитных вариаций, создаваемых токовыми системами на границе и в хвостовой части магнитосферы, кольцевым током и магнитосферно-ионосферными токовыми системами

1.1.2 Использование моделей геомагнитных вариаций в высоких широтах и моделей магнитного поля в магнитосфере

Глава 2. МОДЕЛЬ ИЗМИРАН КРУПНОМАСШТАБНЫХ ГЕОМАГНИТНЫХ ВАРИАЦИЙ, ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ И ТОКОВ В ВЫСОКИХ ШИРОТАХ СЕВЕРНОГО И ЮЖНОГО ПОЛУШАРИЙ

2.1 Используемые данные и метод расчета магнитного поля и токов

2.1.1 Методика выделения геомагнитных вариаций

2.1.2 Методика расчета электрического поля и токовых систем в высокоширотной ионосфере

2.2 Модель ИЗМИРАН: пространственно-временное распределение крупномасштабных геомагнитных вариаций, контролируемых параметрами межпланетной среды

2.3 Модель ИЗМИРАН: пространственно-временное распределение ионосферного электрического поля и конвекции ионосферной плазмы в зависимости от ситуации в межпланетном магнитном поле вблизи магнитосферы Земли

2.4 Модель ИЗМИРАН: пространственно-временное распределение трехмерных токовых систем в высокоширотной ионосфере

2.4.1 Пространственно-временное распределение продольного тока в высокоширотной ионосфере

2.4.2 Пространственно-временное распределение ионосферного тока в высокоширотной ионосфере

Глава 3. СОПОСТАВЛЕНИЕ МОДЕЛЬНЫХ РАСЧЕТОВ ПОЛЕЙ И ТОКОВ С ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМИ ДАННЫМИ

3.1 Сопоставление модельных расчетов электрического поля и конвекции плазмы на основе модели ИЗМИРАН с данными спутниковых и радарных наблюдений

3.1.1 Сопоставление модельных расчетов электрического поля и конвекции плазмы с данными спутниковых измерений

3.1.1.1 Сопоставление модельных расчетов электрического поля с данными измерений спутника VIKING

3.1.1.2. Сопоставление данных спутниковых измерений конвекции DE-2 и FAST с моделью ИЗМИРАН

3.1.1.3 Моделирование пространственного распределения электрического потенциала в высокоширотной ионосфере при Bz » 0 во время конкретных пролетов спутников DMSP

3.1.2 Сопоставление модельных расчетов электрического поля и конвекции плазмы с данными радарных измерений

3.2 Сопоставление модельных расчетов магнитного поля на основе Параболоидной модели с данными наземных и спутниковых магнитных измерений

Глава 4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ ПОЛЕЙ И ТОКОВ В НАУЧНЫХ И ПРИКЛАДНЫХ ЗАДАЧАХ

4.1 Анализ высокоширотных токовых систем в период эксперимента BEAR на основе модели ИЗМИРАН

4.2 Оценка динамики пространственного распределения силовых линий геомагнитного поля и соответствующей динамики исправленных геомагнитных координат высокоширотных магнитных обсерваторий.

4.3 Метод контроля геомагнитной активности в реальном масштабе времени, основанный на сопоставлении модельных расчетов магнитного поля Земли и спутниковых измерений

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Крупномасштабные геомагнитные вариации, контролируемые межпланетным магнитным полем, и связанные с ними электрические поля и токи в Арктике и Антарктике"

В диссертации рассматривается задача модельного представления крупномасштабных геомагнитных вариаций, контролируемых параметрами межпланетной среды, в околоземном пространстве и использование такого представления для модельного описания электрического поля и конвекции плазмы в высокоширотной ионосфере, а также трехмерных токовых систем в ней. Проводится сопоставление модельных расчетов электромагнитного поля и конвекции ионосферной плазмы с данными радарных и спутниковых измерений.

Актуальность проблемы.

Исследование геомагнитных вариаций, которые генерируются в околоземной среде крупномасштабными магнитосферными и магнитосферно-ионосферными токовыми системами является не только содержанием науки о переменном магнитном поле Земли, но одним из современных источников наших знаний о физике процессов, происходящих в системе Солнце - солнечный ветер - магнитосфера - ионосфера. Геомагнитные вариации на уровне земной поверхности регистрируются достаточно длительное время на широкой международной сети магнитных обсерваторий и специальных пунктов наблюдений. Это позволило получить добротный статистический материал, содержащий информацию о роли сезонов года, времени суток, уровня солнечной активности, параметров солнечного ветра и межпланетного магнитного поля (ММП) в формировании пространственно-временной структуры магнитного поля Земли. А развитие вычислительной техники сделало возможным осуществление математических расчетов по восстановлению пространственной структуры распределения электрического поля и электрических токов в высокоширотной ионосфере на основе пространственной картины распределения магнитного возмущения на уровне земной поверхности. Это позволило также проводить сложные математические расчеты магнитосферных токовых систем и магнитных полей от них. Таким образом, появилась возможность на основе модельных количественных расчетов проверять гипотезы о природе экспериментально наблюдаемых конкретных особенностях пространственно-временного поведения трехмерных токовых систем и предсказывать их новые свойства, требующие проверки с помощью новых космических экспериментов.

В каждый исторический период изучения околоземного космического пространства новые методы исследования, используемые коллективами ученых, определяли какие конкретные свойства и параметры магнитосферы и ионосферы могут быть наблюдаемы. Новые способы анализа магнитосферных процессов на основе геомагнитных данных позволяют вести проверку предполагаемых свойств изучаемого объекта, выявленных во время проведения отдельных локальных экспериментов и при разработке теоретических схем, и, одновременно с этим, ставят перед исследователями новые вопросы. Последовательное решение новых вопросов, новая интерпретация старых экспериментов, приводят, в конце концов, к достаточно глубокому пониманию наблюдаемых явлений, хотя отдельные проблемы предстоит исследовать и решать еще в течение ряда лет.

Создание количественных моделей крупномасштабных геомагнитных вариаций и разработка на их основе, моделей ионосферного электрического поля, магнитосферных и магнитосферно-ионосферных токовых систем, джоулева нагрева ионосферы позволило перейти на новую ступень описания магнитосферных явлений. Во-первых, появился количественный, а не качественный критерий оценки любой создаваемой модели. Во-вторых, накопленный экспериментальный материал ракетных, спутниковых и радарных измерений, выполненных в различных районах ионосферы и магнитосферы в периоды разных ситуаций в межпланетной среде вблизи орбиты Земли, может анализироваться и на основе особенностей пространственно-временного поведения магнитного и электрического поля и электрического тока, описываемых моделями. В-третьих, новые наблюдения могут быть проведены, чтобы проверить конкретные выводы создаваемых моделей, которые не укладываются в рамки существующих теорий. В-четвертых, реализуется все более и более точный контроль состояния космической погоды на основе поступления в реальном масштабе времени данных о параметрах межпланетной среды, которые служат входными параметрами создаваемых моделей, или сопоставления модельного магнитного поля в точках орбиты магнитосферного космического аппарата с данными магнитных измерений, ведущихся на его борту.

Цель работы

1. Исследование структуры крупномасштабных геомагнитных вариаций в области высоких широт южного полушария в зависимости от условий в межпланетном пространстве и сопоставить ее с подобной структурой в высоких широтах северного полушария.

2. Восстановление электрического поля и токовых систем в высокоширотной ионосфере южного полушария и сопоставление этого поля и токов с электрическим полем и токами в высокоширотной ионосфере северного полушария.

3. Обобщение модели ИЗМИРАН наземного магнитного поля, ионосферного электрического поля и ионосферных токов в высоких широтах на два полушария Земли,

4. Проведение сопоставления модельных расчетов на основе обобщенной модели ИЗМИРАН и Параболоидной модели НИИЯФ МГУ с экспериментальными данными наземных, спутниковых и радарных измерений.

5. Проведение расчета силовых линий геомагнитного поля в околоземном пространстве с учетом полей, создаваемых магнитосферными токовыми системами, и на этой основе получить оценку временной динамики исправленных геомагнитных координат высокоширотных магнитных обсерваторий в зависимости от сезона года, мирового времени и состояния геомагнитной активности.

6. Проверка возможность контроля геомагнитной активности в реальном масштабе времени на основе модели магнитного поля в околоземном пространстве.

Научная новизна

Проведено обобщение модели ИЗМИРАН крупномасштабных наземных геомагнитных вариаций; электрического поля, токовых систем в высокоширотной ионосфере и конвекции ионосферной плазмы, в зависимости от ситуации в ММП вблизи магнитосферы, на оба полушария Земли. Проведено сопоставление обобщенной модели ИЗМИРАН и Параболоидной модели магнитного поля в околоземном пространстве НИИЯФ МГУ, для которой разработан алгоритм расчета входных параметров, с данными радарных и спутниковых измерений. Продемонстрирована способность этих моделей описывать, на количественном уровне, состояние электромагнитной погоды в магнитосфере Земли, и этим быть полезными при анализе физических процессов в околоземной среде в периоды магнитосферных возмущений. По своей точности они не уступают современным аналогичным моделям, разработанными за рубежом.

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Способность модели ИЗМИРАН (IZMEM model), распространенной на количественное описание пространственно-временных распределений электрического поля, токовых систем и конвекции плазмы в высокоширотных ионосферах двух полушарий, достоверно описывать их в согласии с данными спутниковых и радарных измерений.

2. Возможность проведения контроля геомагнитной активности в реальном масштабе времени на основе сопоставления спутниковых измерений магнитного поля в магнитосфере с количественной моделью этого поля.

3. Оценка временной динамики исправленных геомагнитных координат высокоширотных магнитных обсерваторий в зависимости от сезона года, мирового времени и состояния геомагнитной активности.

Практическая значимость результатов.

Обобщение модели ИЗМИРАН наземного магнитного поля, ионосферного электрического поля и ионосферных токов в высоких широтах на два полушария Земли и разработанный алгоритм расчета входных параметров для Параболоидной модели НИИЯФ МГУ магнитного поля в околоземном пространстве позволяют контролировать электромагнитную погоду в магнитосфере. Этот контроль включает в себя возможность оценивать на количественном уровне в реальном масштабе времени пространственно-временные распределения магнитного поля, магнитосферно-ионосферных токовых систем, конвекции плазмы ионосфере и ее джоулев нагрев по данным о параметрах межпланетной среды вблизи орбиты планеты.

Апробация работы.

Материалы диссертации докладывались на Российских и Международных конференциях:

International conference on Substorms., 1996,2003;

General Assembly EGS, 1998;

General Assemblyof IAGA,1989,1997,1999,2005;

First SWARM International Science Meeting, 3-5 May 2006, Nantes, France;

36th COSPAR Scientific Assembly, Beijing, July 16-23,2006;

Международная конференция «Проблемы геокосмоса», Санкт-Петербург, 2000, 2002, 2006;

Ежегодный апатитский семинар «Физика авроральных явлений», 2005,2006,2007.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. В первой обзорной главе рассматриваются модели наземных крупномасштабных геомагнитных вариаций, модели геомагнитных вариаций, создаваемых токовыми системами на границе и в хвостовой части магнитосферы, кольцевым током и магнитосферно-ионосферными токовыми системами и их использование для научных и прикладных исследований.

Заключение Диссертация по теме "Физика атмосферы и гидросферы", Громова, Людмила Ивановна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Громова, Людмила Ивановна, Троицк

1. Алексеев И. И., Шабанский В. П. Модель магнитосферного магнитного поля, Геомагп. м аэрон., 11, №4,571-579,1971.

2. Афонина Р. Г., Белов Б. А, Левитин А. Е., Фельдштейн Я. И., Анализ связи компонент межпланетного магнитного поля с вариациями геомагнитного ноля в северной полярной Q. Геомагн. и аэрон., 18, №4, 695-702,1978.

3. Афонина Р. Г., Белов Б. А, Левитин А. Е., Маркова М. Ю., Фельдштейн Я. И., Фискина М. В. Связь компонент вектора межпланетного магнитного поля с вариациями геомагнитного поля в высоких широтах северного полушария, Геомагн. и аэрон., 20, №6, 1073-1083,1980.

4. Базаржапов А. Д., Матвеев М. И., Мишин В. М., Геомагнитные вариации и бури. Наука, Новосибирск, 1979.

5. Бархатов Н. А., Громова Л. И., Дремухина Л. А., Левитин А. Е., Учет энергетического бюджета магнитосферы в задаче классификации источников магнитосферной активности. Известия РАН, серия физическая, 70, Ш 10,1535-1537, 2006.

6. Белов Б. А., Гальперин Ю. И., Зинин П. В., Афонина Р. Г., Левитин А. Е., Фельдштейн Я. И., Конвекция плазмы в полярной ионосфере: сравнение измерений со спутника "Космос-184" с моделью, зависящей от вектора ММП, Косм, исслед., 22, N2,201-212, 1984.

7. Бердичевский М. Н., Дмитриев В. И. Магнитотеллурическое зондирование горизонтально-однородных сред, М., Недра, 1992.

8. Ваньян Л. Л., Бутковская А. И., Магнитотеллурические зондирования слоистых сред, М., Недра, 1980.

9. Воробьев В. Г., Громова Л. И., Реженов Б. В., Старков Г. В., Фельдштейн Я. И., Вариации положения границ плазменных вторжений и аврорального свечения в ночном секторе, Геомагн. и Аэрон., 40, Ш 79-85,2000.

10. Голышев А., Громова Л. И., Левитин А. Е., Чиженков В. А., Файермарк Д. С, Исследование магнитосферно-ионосферных токовых систем, реализующих энергию солнечного ветра во время суббури. Известия Академии наук. Серия физическая, N6,191198,1995.

11. Громова Л. И., Фельдштейн Я. И., Левитин А. Е., Графе А., Сопряженность геомагнитных возмущений в приполюсной части аврорального овала в фазу развития суббури, Лголдгн. и Аэрон., 39, fel, 27-34,1999.

12. Калегаев В. В., И. И. Алексеев, Я. И. Фельдштейн, Л. И. Громова, А Графе, Р. А. Гринспен, Магнитный поток в долях хвоста и динамика Dst вариации во время магнитных буръ,Геом. и Аэрон., 38, .№3,10-16,1998.

13. Яновский Б. М., Земной магнетизм. Ленинград, 1

14. Издательство Ленинградского университета,

15. Alexeev, 1.1., Е. S. Belenkaya, V. V. Kalegaev, Y. I. Feldstein, and A. Grafe, Magnetic storms and magnetotail currents,, J. Geophys. Res., 101,1131-11 Al, 1996.

16. Alexeev, 1.1., and Y. I. Feldstein, Modeling of geomagnetic field during magnetic storms and comparison with observation, J. Atmos. Sol. Terr. Phys., 63,431-440,2001.

17. Alexeev, 1.1., Kalegaev, V. V., Belenkaya, E. S., Bobrovnikov, S. Y., Feldstein, Ya. I., Gromova, L. I., Dynamic model of the magnetosphere: Case study for January 9-12,1997, J. Geophys. Res.. 106, Al 1,25,683,2001.

18. Burke, W. J., M. C. Kelley, R. C. Sagalyn, M. Smiddy, and S. T. Lai, Polar cap electric field structures, Geophys. Res. Lett, 6,21,1979.

19. Choe J. Y., Beard D. В., The compressed geomagnetic field as a function of dipole tilt. Planet and Space Sci., 22,595-608,1974.

20. Codrescu, M. V., T. J. Fuller-Rowell, J. C. Foster, J. M. Holt, and S. J. Cariglia, Electric field variability associated with the Millstone Hill electric field model, J. Geophys. Res., 105, A3,5265-5274,2000.

21. Cumnock, J. A., and Blomberg, L. G., Transpolar arc evolution and associated potential patterns,уш. Geophys., 22,1213 -1231,2004.

22. Cumnock, J. A., Blomberg, L. G., Alexeev, 1.1., Belenkaya, E. S., Bobrovnikov, S. Yu., and Kalegaev, V. V., Simultaneous polar aurorae and modelled convection patterns in both hemisphsres, Adv.Space Res., 38,1685-1693,2006.

23. Dremukhina, L. A., A. E. Levitin, and V.

24. Papitashvili, Analytical representation of IZMEM model for near-real time prediction of electromagnetic weather, J. Atmos. Solar-Terr. 5., 60, N15,1517-1529,1998.

25. Dremukhina, L. A., Y. I. Feldstein 1.

26. Alexeev, V. V. Kalegaev, and M. E. Greenspan, Structure of the magnetospheric field during magnetic storms, J. Geophys. Res., 104,28,35128,360.

27. Eriksson, S., Bonnel, J. W., Blomberg, L. G., Ergun, R. E., Marklund, G. Т., and Carlson,C. W., Lobe cell convection andfield-allignedcurrents poleward of the region 1 current system, J. Geophys. Res., 107, N A8,1185,10.1029/2001JA005041,2002.

28. Feldstein, Ya. 1., and A. E. Levitin, Solar wind control of electric fields and currents in the ionosphere, J. Geomagn. Geoelectr., 38,1143,1986.

29. Feldstein Y. 1., Levitin A. E., Gromova L. I., Dremukhina L. A., Blomberg L. G., Lindqvist P.-A., Marklund G. Т., Electromagnetic weather at 100 km altitude on 3 August 1986., Geophys. Res. Lett., 21, N19,2095-2098,1994.

30. Feldstein Ya. I., L. I. Gromova, A. E. Levitin, and A. Grafe, Conjugacy of geomagnetic disturbances and substorm current wedge, Geophys. Res. Lett, 25, N16,3083-3086,1997.

31. Feldstain Y. I., L. I. Gromova, A. Grafe, C.-I. Meng, V. V. Kalegaev, 1.

32. Alexeev, Y. P. Sumaruk, Auroral electrojet dynamics during magnetic storms, connection with plasma precipitation and large-scale structure of the magnetospheric magnetic field, Ann. Geophys, 1, N4,497-507,1999a.

33. Feldstain Ya. I., L. I. Gromova, A. Grafe, C.-I. Meng, V. V. Kalegaev, 1.

34. Alexeev, Yu. P. Sumaruk, Dynamics of the auroral electrojets and their mapping to the magnetosphere. Radiation Measurement, 30,579-587,1999b.

35. Feldstein Ya. I., L. I. Gromova, J. Woch, I. Sandahl, L. Blomberg, G. Marklund, C.-I. Meng, Structure of the auroral precipitation region in the dawn sector: relationship to convection reversal boundaries and field-aligned currents, Ann. Geophys, N5,495 519,2001.

36. Feldstein Y., B. Tsurutani, A. Prigancova, W. Gonzalez,. Levitin, J. Kozyra, L. Alperovich, U. Mall, L. Gromova, L. Dremukhina, The magnetosheric response to a two-stream soar wind interval during solar maximun: a self-consistent magnetosheric model, Proc. ISCS 2003 Symposium, Solar Variability as an Input to the earthes Environment, Tatraska lomnica, Slovakia, 23-28 June 2003 (ESA SP-535, September 2003), 2003.

37. Feldstein, Y. I.; Levitin, A. E.; Kozyra, J. U.; Tsurutani, B. Т.; Prigancova, A.; Alperovich, L.; Gonzalez, W. D.; Mall, U.; Alexeev, 1.1.; Gromova, L. I.; Dremukhina, L. A., Selfconsistent modeling of the large-scale distortions in the geomagnetic field during the 24-27 September 1998 major magnetic storm., J. Geophys. Res., 110, Al 1, Al 1214 10.1029/2004JA010584,2004.

38. Filippov S. V., A. E. Levitin, L. I. Gromova, T. I. Zvereva, M. A. Ivanova, Geomagnetic field real state describing by satallite magnetic measurenemts, Proc. of First International science meeting SWARM, 3-5 May, 2006, Nantes, France, 2006.

39. Foster J. C, J. M. Holt, R. G. Musgrove, and D. S. Evans, Ionospheric Convection Associated with Discrete Levels of Particle Precipitation, Geophys. Res. Lett., 13,656,1986.

40. Friis-Christensen, E., Y. Kamide, A.D. Richmond, and S. Matsushita, Interplanetary magnetic field control of high-latitude electric field and currents determined from Greenland magnetometer data, J. Geophys. Res., 90,1325,1985.

41. Greenwald, R. A., and G. Aarons, et al., DARN/SuperDARN: A global view of high-latitude convection. Space Sci. Rev., 71,761,1995.

42. Gromova L., L. Dremukhina, A. Levitin, V. Pilipenko, N. Yagova, E. Avdeeva, and D. Korzhan, Response of the northern and southern polar caps ground-based magnetic fields to IMF, in "Physics of auroral phenlmena". Proceedings of the 28th Annual Seminar, Apatity 1-4 March, 13-17,2005.

43. Heppner J. P., Empirical models of high-latitude electricfields,J. Geophys. Res., 82,11151127,1977.

44. Heppner J. P., and N. С Maynard, Empirical High-Latitude Electric Field Models, J.Geophys. Res., 92,4467,1987.

45. Iijima Т., Potemra T.A., The amplitude distribution offield-alignedcurrents at northern high latitudes observed by Triad, J. Geophys. Res., 81,2165-2174,1976.

46. Iijima Т., Shibaji Y. Global characteristics of northward IMF associated (NBZ) fieldaligned currents, J. Geophys. Res., 92,2408,1987.

47. Iucci N., A.E. Levitin, A. V. Belov, E. A. Eroshenko, N.G. Ptitsyna, G. Villoresi, G.V. Chizhenkov, L.L Dorman, L.I. Gromova, M. Parisi, M. I. Tyasto, and V. G. Yanke, Space weather condition and spacecraft anomalies in different orbits. Space weather, 3, SOlOOl, doi:10.1029/2003SW000056,2005

48. Iwasaki N., Localized abnormal geomagnetic disturbance near the geomagnetic pole and simultaneous ionospheric variation. Rep. Ionos. Space Res. Jap., 25,163,1971

49. Kamide, Y., A. D. Richmond, and S. Matsushita, Estimation of ionospheric electric fields, ionospheric currents andfield-alignedcurrents from ground magnetic records, J. Geophys. Res., 86, 801,1981.

50. Kustov, A. V.,V. O. Papitashvili, G. J. Sofko, A. Schiffer, Ya.I. Feldstein, L. L Gromova, A. E. Levitin, B. A. Belov, R. A.Greenwald, and J. Ruohoniemi, Dayside ionospheric plasma convection, electric fields, andfield-alignedcurrents derived from the SuperDam radar observations and predicted by the IZMEM model, J. Geophys. Res., 102 Al, 24057-24067, 1997.

51. Levitin A., Y. Feldstein, L. Dremukhina, L. Gromova, E. Avdeeva, and D. Korzhan, Solar wind control of magnetospheric energetics during magnetic storms, in Physics of auroral phenomena". Proc. of the 28th Annual Seminar, Apatity 1-4 March, 37-41,2005.

52. Maezawa K., Magnetospheric convection induced by the positive and negative Z components of IMF: quantitative analysis using polar cap magnetic records, J. Geophys. Res., 81,2289,1976. 64. McDiarmid J .В., Budzinski E. E., Wilson M. D., Burrows J. R., Reverse polarity fieldaligned currents at high latitudes, J. Geophys. Res., 82,1513,1977.

53. Mead J.D., Fairfield D.H., A quantitative magnetospheric model derived from spacecraft magnetometer data, J. Geophys. Res., 80, p. 523-534,1975

54. Mishin, V. M., A. D. Bazarzhapov, and G. B. Shpynev, Electricfieldsand currents in the Earths magnetosphere, in Dynamics of the Magnetosphere, edited by. S.-I. Akasofu, D. Reidel, Norwell, Mass., 1980.

55. Olson W. P., Pgitser K. A. A quantitative model of the magnetospheric magnetic field, J. Geophys. Res., 79,3739-4745,1974

56. Papitashvili, V. 0., B.A. Belov, L. I. Gromova, Field-aligned currents and convection patterns in the Southern polar cap during stable northward, southward and azimutal IMF, Transaction on Plasma Science, vol.17, N2,167-173,1989.

57. Papitashvili V.O., Levitin A.E., Belov B.A., Feldstein Y.I., Gromova L.I., Valchuk Т.Е., Equivalent ionospheric currents above Antarctica during the austral summer, Antarctic Science, 2, N3,267-276,1990.

58. Papitashvili, V. O., N. E. Papitashvili, G. Gustafsson, K. B. Baker, A. Rodger, and L. I. Gromova, A comparison between two corrected geomagnetic coordinate systems at highlatitudes, J. Geomagn. Geoelectr.,A,m2,1215-1224,1992.

59. Papitashvili, V. 0., B. A. Belov, D. S. Faermark, Ya. I. Feldstein, S. A. Golyshev, L. I. Gromova, and A. E. Levitin, Electric potential patterns in the Northern and Southern polar regions parameterized by the inteфlanetary magnetic field, J. Geophys. Res., 99, A7,13,25113,262,1994a.

60. Papitashvili, V. 0., B. A. Belov, D. S. Faermark, Ya. I. Feldstein, S. A. Golyshev, L. I. Gromova, and A. E. Levitin, Global modeling of high-latitude geomagnetic variations, in: SolarTerrestrial Energy Program: The Initial Results from STEP Facilities and Theory Campaigns, edited by D. N. Baker, V.

61. Papitashvili, and M. J. Teague, COSPAR Colloquia Series, Vol. 5, 739-750, Pergamon Press, 1994b.

62. Reiff, P. H., and J. L. Burch, IMF Ду-dependent plasma flow and Birkeland currents in the dayside magnetosphere 2. A global model for northward and southward IMF, J. Geophys. Res., 90,A2,1595, 1985.

63. Richmond, A. D., and Y. Kamide, Mapping electrodynamic features of the high-latitude nosphere from localized observations: Technique, J. Geophys. Res., 93,5741-5759,1988.

64. Ruohoniemi, J. M., and K. B. Baker, Large-scale imaging of high-latitude convection with Super Dual Auroral Radar Network HF radar observations, J. Geophys. Res., 103,20,797,1998.

65. Sugiura M, D. J., Poros, A magnetospheric field model incoфorating the OGO 3 and 5 magnetic field observations, Р/а«е/, And Space Scl, 21,1763-1773,1973.

66. Svalgaard L. Sector structure of the interplaneyary magnetc field and dayly variation of the geomagnetic field at high latitudes, Dan. Meteorol Inst. Geophys. Pap., R-5,1,1968.

67. Taylor H.E., Hones Jr., Adiabatic motion of the auroral particles in a model of the electric and magnetic fields surrounding the Earth, J. Geophys. Res., 70,3605-3611,1965.

68. Tsyganenko, N. A., Global quantitative models of the geomagnetic field in the cislunar magnetosphere for different disturbance levels, Planet.Space Sci., 35,1347-1358,1987.

69. Tsyganenko, N. A., A magnetospheric magnetic field model with the warped tail current sheet, Planet. Space ScL, 37,5-20,1989.

70. Tsyganenko, N. A., Modeling the inner magnetosphere: The asymmetric ring current and Region 2 Birkeland currents rev isited, J.Geophys.Res., 105,1112,9-1115A, 2000.

71. Tsyganenko, N. A., A model of the near magnetosphere with a dawn-dusk asymmetry. Mathematical structure, J. Geophys. Res., 107 (A8), doi: 10.1029/2001JA000219,2002a.

72. Tsyganenko, N. A., A model of the near magnetosphere with a dawn-dusk asymmetry. Parameterization and fitting to observations, J. Geophys. Res., 107 (A8), doi: 10.1029/2001JA000220,2002b.

73. Tsyganenko, N. A., H, J. Singer, and J. C. Kasper, Storm-time distortion of the inner magnetosphere: How severe can it get J. Geophys. Res., 108, A5, doi: 10.1029/2002JA009808,2003a.

74. Tsyganenko, N. A., and T. Mukai, Tail plasma sheet models derived from Geotail particle data, J. Geophys. Res., 108 (A3), doi: 10.1029/2002JA009707,2003b.

75. Tsyganenko, N. A., and D. H. Fairfield, Global shape of the magnetotail current sheet as derived from Geotail and Polar data, J. Geophys. Res., 109, A3, A03218, doi: 10.1029/2003JA010062,2004.

76. Tsyganenko, N. A., and M. I. Sitnov, Modeling the dynamics of the inner magnetosphere during strong geomagnetic storms, J. Geophys.Res., 110, A3,10.1029/2004JAO 10798,2005.

77. Wallis D. D., Budzinski E. E., Empirical models of height integrated conguctivities, J. Geophys. Res., 86, A l 125-137,1981.

78. Weimer, D. R., Models of high-latitude electric potentials derived with a least error fit of spherical harmonic coefficients, J. Geophys. Res., 100,19,595,1995.

79. Williams D. J., Mead G. D., Nightside magnetosphere configuration as obtained from trapped electron at 1100 kilometers, J. Geophys. Res., 70,3017-3030,1965.