Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://www.iki.rssi.ru/rus/avto_buzulukova.ps Дата изменения: Tue May 20 15:53:47 2003 Дата индексирования: Tue Oct 2 02:34:28 2012 Кодировка: Windows-1251 Поисковые слова: магнитосфера земли

На правах рукописи
БУЗУЛУКОВА Наталья Юрьевна
ДРЕЙФОВЫЕ ДВИЖЕНИЯ ГОРЯЧЕЙ ПЛАЗМЫ
ВО ВНУТРЕННЕЙ МАГНИТОСФЕРЕ
Специальность 01.03.03  Физика Солнца
А В Т О Р Е Ф Е Р А Т
диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Москва, 2003

Работа выполнена в Институте космических исследований
Российской академии наук
Научный руководитель:
доктор физико-математических наук,
профессор Ю.И.Гальперин
Официальные оппоненты:
доктор физико-математических наук А.Е. Левитин
(ИЗМИРАН)
кандидат физико-математических наук П.М. Свидский
(ИПГ Госкомгидромета)
Ведущая организация:
Институт физики Земли (ИФЗ РАН)
Защита диссертации состоится 20 июня 2003 г. в 12 часов
на заседании диссертационного совета Д 002.113.03 Институ-
та космических исследований РАН по адресу: 117997, Москва,
ул. Профсоюзная, 84/32, ИКИ РАН, подъезд N 2 (конференц-
зал).
С диссертацией можно ознакомиться
в библиотеке ИКИ РАН.
Автореферат разослан 19 мая 2003 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 002.113.03,
кандидат физико-математических наук Т.М. Буринская

1
1 Общая характеристика работы
Актуальность темы
Исследования процессов генерации, переноса и диссипации
плазмы в магнитосфере Земли прямыми методами со спут-
ников и ракет привели к отождествлению характерных обла-
стей в магнитосфере (плазмосфера, плазменный слой, мантия,
каспы, кольцевой ток, авроральная зона и др.). Физические
процессы, происходящие в этих областях магнитосферы, при-
влекают внимание как экспериментаторов, так и теоретиков
в течение последних тридцати лет. В связи с этим создание
адекватных моделей и сравнение их с экспериментальными ре-
зультатами достаточно актуально до сих пор, так как позволя-
ет понять природу и динамику источников плазмы в магнито-
сфере. Такие модели необходимы для описания характерных
особенностей явлений, таких, например, как суббури, высыпа-
ния частиц в авроральной зоне, диспергированные структуры
инжекций горячей плазмы, провалы потока частиц в опре-
деленных диапазонах спектров и носовые структуры ионов в
определенных секторах магнитосферы.
Наблюдения спектров ионов и электронов во внутренней
магнитосфере содержат в себе информацию об электрических
и магнитных полях, в которых дрейфовали частицы, об источ-
никах горячей плазмы и их локализации. Но если магнитное
поле во внутренней магнитосфере достаточно хорошо изуче-
но, то экспериментальное определение и соответствующее мо-
дельное описание крупномасштабных электрических полей во
внутренней магнитосфере Земли до настоящего времени яв-
ляется одной из ключевых задач физики магнитосферы.
В основных чертах явление крупномасштабной конвекции
было описано, начиная с работ Данжи, 1961 г., Аксфорда и

2
Хайнса, 1961 г.
Одной из проблем, возникающих при измерениях стацио-
нарных электрических полей, является наличие значительных
флуктуаций, накладывающихся на постоянную составляющую
поля. Другая проблема - это то, что по данным, полученным
с одного космического аппарата, достаточно сложно восста-
новить картину электрического поля во всей внутренней маг-
нитосфере. Поэтому до сих пор ведутся споры о конкретных
механизмах генерации поля конвекции, передачи его во вну-
треннюю магнитосферу и даже о самом существовании стаци-
онарного электрического поля во внутренней магнитосфере.
Хотя в настоящее время разработано множество моделей
конвекции, многие из них построены на принципиально раз-
личных подходах и не всегда согласовываются друг с другом.
Поэтому задача определения критериев, позволяющих уста-
новить, насколько та или иная модель конвекции внутренней
магнитосферы описывает усредненные дрейфовые движения
частиц за многие часы, предшествующие наблюдениям, явля-
ется весьма важной.
Анализ прямых измерений так называемых ионных спек-
тральных провалов (ИСП)  резких (по энергии) падений по-
токов ионов H + до уровня порога регистрации прибора в узком
диапазоне энергий (несколько килоэлектронвольт в диапазоне
0,1  30 кэВ в зависимости от MLT и инвариантной широ-
ты)  позволяет решить эту задачу. Дело в том, что, как было
впервые отмечено Мак-Илвайном, 1972, ионы H + определен-
ных энергий имеют большое время дрейфа (десятки часов) от
источника в ночной части магнитосферы до точки наблюде-
ния. Это время дрейфа превосходит время жизни ионов H + ,
определяемое перезарядкой с атомами геокороны, а также вы-
сыпаниями протонов при их движении в области диффузной
авроральной зоны. Помимо эффекта потерь во время дрейфа

3
на спектрах протонов во внутренней магнитосфере отражает-
ся существование запретных зон траекторий (Эджири, 1978;
Шираи и др., 1997). Оба фактора, влияющие на образова-
ние ИСП, обсуждались в литературе, но по отдельности. Вос-
произведение ИСП с помощью дрейфовых траекторий ионов
H + будет чувствительно к электрическим и магнитным по-
лям, принятым при моделировании. Полагая магнитное поле
квазидипольным и меняя модели электрического поля, мож-
но установить, насколько хорошо та или иная модель конвек-
ции описывает наблюдаемые спектры ионов H + во внутрен-
ней магнитосфере. Задача определения модели электрическо-
го поля конвекции, наилучшим образом описывающей экспе-
риментальные данные, представляется весьма актуальной.
Как было показано Эджири, 1978, с существованием за-
претных зон траекторий связано формирование так называ-
емых носовых структур протонов во внутренней магнитосфе-
ре. Наблюдение носовых структур до сих пор связывалось с
наличием суббуревой активности, в то время как для модели-
рования носовых структур использовались стационарные элек-
трические и магнитные поля. В то же время изучение носовых
структур в спокойное время не проводилось. Задача исследо-
вания, являются ли носовые структуры свойством только суб-
буревых процессов или носовые структуры наблюдается также
и в спокойной магнитосфере, представляется важной, так как
позволяет лучше понять природу процессов, происходящих во
внутренней магнитосфере как во время возмущенных перио-
дов, так и в спокойное время.
Картина конвекции во внутренней магнитосфере во время
магнитосферных суббурь имеет гораздо более сложную струк-
туру, чем следует из моделей конвекции для спокойных перио-
дов. Это, в частности, подтверждают наблюдения так называ-
емого поляризационного джета (PJ)  узкой усиленной струи

4
конвекции плазмы в вечернем секторе магнитосферы. Одна-
ко, хотя после открытия PJ прошло около 30 лет (Гальперин,
1973), до сих пор остаются дискуссионными механизмы его
формирования. Так, например, наиболее часто цитируемый в
литературе механизм формирования PJ  это разделение за-
рядов в инжекции частиц из плазменного слоя во внутреннюю
магнитосферу (Саусвуд и Вульф, 1978). Однако, как было по-
казано в работе Халипова и др., 2001, между вспышкой суб-
бури и началом наблюдений PJ в предполуночном секторе на
L=3 проходит время 5-10 мин. Это время, по современным
представлением, гораздо меньше времени, необходимого для
того, чтобы частицы из плазменного слоя проникли на L=3.
Таким образом, в настоящее время не существует числен-
ной модели, адекватно (в согласии с экспериментальными дан-
ными) описывающей процесс формирования PJ, поэтому рабо-
та в направлении развития таких моделей имеет большое зна-
чение для понимания физических процессов, происходящих во
внутренней магнитосфере во время суббурь.
В целом, создание и тестирование моделей конвекции, изу-
чение и численное моделирование особенностей спектров го-
рячей плазмы во внутренней магнитосфере, а также сравне-
ние модельных и экспериментальных результатов представля-
ет большой интерес для физики магнитосферы, и это опреде-
ляет актуальность выбранной темы.
Цель работы
Основная цель настоящей работы состоит в следующем:
 Анализ различных типов и классификация ИСП и протон-
ных носовых структур по экспериментальным данным спутни-
ка ИНТЕРБОЛ-2 и сравнение наблюдаемых ИСП и носовых
структур с результатами моделирования дрейфовых движений

5
ионов в магнитосфере.
 Выбор на основе анализа наблюдений ИСП наиболее под-
ходящей модели электрического крупномасштабного поля кон-
векции и модели источника частиц, позволяющих описать ди-
намику сверхтепловой плазмы во внутренней магнитосфере в
широком диапазоне инвариантных широт ( 0 ) и местного маг-
нитного времени (МLТ) для спокойных и средневозмущенных
состояний магнитосферы.
 Разработка нового механизма генерации PJ и простой ко-
личественной модели, использующей в качестве источника за-
рядов в полосе PJ частицы внешнего радиационного пояса.
Научная новизна
1. На основе анализа экспериментальных данных и срав-
нения с модельными расчетами впервые разработана
классификация типов ИСП и носовых структур. Резуль-
таты проведенных сопоставлений позволяют устранить
ряд противоречий в механизмах формирования спектров
сверхтепловых ионов в магнитосфере.
2. Моделирование дрейфовых движений ионов в магнито-
сфере и сравнение с экспериментальными данными поз-
волили отождествить механизмы образования ИСП в раз-
личных секторах магнитосферы. Показано, что на мо-
дельные ИСП большое влияние оказывают принятые при
вычислениях модели электрического поля конвекции и
положения источника частиц.
3. Рассмотрение нового механизма генерации электрическо-
го поля во внутренней магнитосфере в полосе PJ частица-
ми внешнего радиационного пояса позволило разработать

6
простую количественную модель поддержания электриче-
ского поля в полосе PJ.
Практическая ценность работы
Результаты, полученные в данной работе, могут быть ис-
пользованы для отождествления физических процессов, про-
исходящих в магнитосфере, в том числе процессов формиро-
вания кольцевого тока - основного фактора, определяющего
магнитные и ионосферные вариации на средних широтах. Про-
веденные модельные расчеты и их сопоставление с уникаль-
ными экспериментальными данными спутников ИНТЕРБОЛ-2,
POLAR, DMSP представляют интерес для практических при-
ложений, в частности, для выработки критериев по прогнозу
космической погоды, для изучения заряда космических ап-
паратов потоками сверхтепловых частиц, для построения аде-
кватных моделей внутренней магнитосферы.
Апробация работы
Основные результаты исследований, изложенные в дис-
сертации, докладывались на семинарах в ИКИ РАН в 1999-
2001 гг., на семинаре Финского метеорологического инсти-
тута (Хельсинки, 2000), на XXIV, XXV, XXVI Генеральных
Ассамблеях Европейского геофизического сообщества (Гаага,
Нидерланды, 1999; Ницца, Франция, 2000; Ницца, Франция,
2001), на международных симпозиумах по проекту ИНТЕР-
БОЛ (Звенигород, Россия, 1999; Киев, Украина, 2000; София,
Болгария, 2002), на 5-й Международной конференции по суб-
бурям (С.-Петербург, Россия, 2000), на Международном сим-
позиуме памяти Ю.И.Гальперина (Москва, Россия, 2003).
Основные результаты диссертации опубликованы в семи на-

7
учных работах в 1999-2003 гг.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения.
Общий объем диссертации - 139 страниц, включая 39 рисун-
ков, 2 таблицы и список цитируемой литературы из 107 назва-
ний.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Показано, что для магнитно-спокойных и средневозму-
щенных периодов, движения ионов H + с энергиями 0.1 
15 кэВ во внутренней магнитосфере соответствуют пред-
ставлениям о квазистационарной конвекции плазмы. Хо-
тя наличие стационарной картины дрейфа частиц, усред-
ненной по наблюдаемым значительным локальным флук-
туациям электрического поля во внутренней магнитосфе-
ре, в ряде работ подвергается сомнению, сопоставление
прямых измерений спектров частиц с моделированием
их дрейфовых движений однозначно подтверждает суще-
ствование такой усредненной картины конвекции на про-
тяжении порядка десятка часов.
2. Установлено, что наличие во внутренней магнитосфере
ионных спектральных провалов (ИСП)  резких падений
интенсивности потоков ионов H + в диапазоне энергий 0.1
 15 кэВ  определяется суперпозицией двух различных
факторов: большим временем дрейфа ионов от источника
до точки наблюдения (время жизни частиц с определен-
ной энергией меньше, чем время дрейфа) и наличием за-
претных областей траекторий для ионов определенных

8
энергий, при моделировании не связанных с источником
в ночной части магнитосферы.
3. Показано, что носовые структуры  области ограничен-
ных по энергии потоков ионов H + , проникающих во вну-
треннюю магнитосферу,  являются свойством не только
суббуревых процессов, но и квазистационарных явлений
в спокойной магнитосфере. С помощью моделирования
дрейфовых траекторий протонов выявлено, что стацио-
нарные носовые структуры могут формироваться во всех
секторах MLT, что подтверждается результатами экспе-
римента. В ночном и вечернем секторах магнитосфе-
ры такие структуры образованы ИСП, формирующимися
вследствие существования запретных областей изолиро-
ванных от источника замкнутых траекторий. В дневном и
утреннем секторах носовые структуры расщепляются на
две вследствие формирования ИСП из-за большого вре-
мени дрейфа.
4. Впервые предложен механизм поддержания электриче-
ского поля в полосе поляризационного джета PJ (узкой
усиленной струи конвекции во внутренней магнитосфе-
ре, наблюдающейся во время суббурь) за счет частиц
внешнего радиационного пояса. Показано, что электри-
ческое поле PJ значительно искажает дрейфовые траек-
тории ионов и электронов внешнего радиационного по-
яса. Это приводит к разделению зарядов, в результате
чего возникает электрическое поле, которое может под-
держивать исходное электрическое поле PJ. Полоса PJ
в данном случае рассматривается как генератор напряже-
ния и источник частиц, создающих ток, а ионосфера - как
сопротивление. Рассмотренный механизм является само-
поддерживающимся и может объяснить большое время

9
жизни PJ.
Личный вклад
Автором лично был проведен анализ экспериментальных
данных по носовым структурам и ИСП, были выполнены мно-
гочисленные расчеты, сравнение с экспериментальными дан-
ными и получены все результаты, вошедшие в диссертацию.
2 Содержание работы
Во Введении обосновывается актуальность темы диссерта-
ции, научная новизна, излагается краткое содержание и фор-
мулируется цель работы.
В Главе 1 описаны исследования картины конвекции го-
рячей плазмы во внутренней магнитосфере по наблюдениям
ИСП (ионных спектральных провалов) спектрометром ИОН
спутника ИНТЕРБОЛ-2 (Авроральный зонд). Характерные
значения потоков H + для диапазона 0,1  12 кэВ во внутренней
магнитосфере 10 6 10 7 частиц
кэВ 1
см 2
с 1
ср 1 , порог реги-
страции прибора ИОН 10 4 частиц
кэВ 1
см 2
с 1
ср 1 . Таким
образом, падение потоков H + в ИСП на спутнике ИНТЕРБОЛ-
2 иногда составляет более 2 порядков величины.
Наблюдения ИСП впервые были описаны Мак-Илвайном,
1972, по данным геостационарного спутника ATS-5. Мак-
Илвайном был предложен механизм формирования ИСП за
счет потерь дрейфующих ионов: у ионов определенных энер-
гий время дрейфа от источника на ночной стороне больше,
чем время жизни, определяемое за счет перезарядки с атома-
ми геокороны. Как показал Мак-Илвайн, время дрейфа ионов
с энергиями 1  12 кэВ (в зависимости от MLT-сектора) мо-
жет возрастать до 100 ч. Так как характерное время фор-

10
мирования ИСП  многие часы, то моделирование ИСП дает
возможность проверять модели конвекции не по мгновенным
локальным измерениям, а по усредненным в большой области
пространства за некоторый достаточно большой промежуток
времени.
Необходимо отметить, что в настоящее время существо-
вание стационарной конвекции во внутренней магнитосфере
находится под вопросом. По измерениям электрического по-
ля на спутнике EQUATOR-S было показано, что флуктуации
электрического поля на расстояниях 5 6RE вблизи геомаг-
нитного экватора в ночном секторе могут в несколько раз пре-
вышать стационарный компонент поля (0.1 мВ/м). Это под-
вергает сомнению существование стационарной картины дрей-
фового движения частиц, усредненной по большим флуктуа-
циям. Сравнение результатов численных экспериментов с на-
блюдениями ИСП, формирование которых возможно только
в условиях длительных интервалов стационарной конвекции,
позволяет получить ответ на вопрос, насколько применимы
стационарные модели к описанию движения частиц в таких
флуктуирующих полях. С этой целью были проанализированы
наблюдения ИСП спектрометром ИОН в утреннем, дневном,
вечернем и ночном секторах магнитосферы в умеренно спо-
койные периоды за 1996-1998 гг. Как оказалось, для каждого
MLT-сектора существует определенная структура ИСП. Для
моделирования и дальнейшего изучения был отобран ряд слу-
чаев, представляющих собой типичные структуры для каждого
MLT-сектора.
Разработан алгоритм для трассирования положения ионных
спектральных провалов на экватор и для моделирования ИСП
с помощью дрейфовых траекторий ионов киловольтных энер-
гий вблизи экваториальной плоскости магнитосферы.
Проведено изучение механизмов формирования ИСП в ши-

11
роком диапазоне MLT- и L-оболочек в спокойное и умерен-
но спокойное время. Проведен сравнительный анализ трех из-
вестных моделей глобальной конвекции во внутренней магни-
тосфере:
а) модель Мак-Илвайна, 1972 г. (McIlwain, 1972);
б) модель Мак-Илвайна, 1986 г. (McIlwain, 1986);
в) модель ВолландаСтерна (Volland, 1972; Stern, 1975).
Из полученных результатов следует, что, хотя качественно
все три модели конвекции дают достаточно хорошее согла-
сие с экспериментом, наилучшее согласие получается при ис-
пользовании модели Мак-Илвайна, 1972 г. Показано, что ИСП,
наблюдаемые спектрометром ИОН на спутнике ИНТЕРБОЛ
2, являются результатом суперпозиции двух описанных в
литературе факторов. Первый фактор, предложенный Мак-
Илвайном,  это потери за счет большого времени дрейфа и
второй фактор - существование запретных областей дрейфо-
вых траекторий, не соединяющихся с источником. Показано,
что в ночном секторе магнитосферы наблюдаемые ИСП есть
результат действия второго фактора (существования запрет-
ных областей), в то время как в утреннем, дневном и вечер-
нем секторах наблюдаются ИСП, возникающие в результате
совместного действия обоих факторов.
В первой главе также исследован вопрос о влиянии поло-
жения источника частиц на моделирование ИСП. Модель ис-
точника задавалась двумя вариантами:
а) ближний источник, согласно модели Мак-Илвайна, 
injection boundary, эта модель источника была определе-
на экспериментально, и, согласно Мак-Илвайну, соответствует
вспышечному механизму инжекции;
б) дальний источник на радиальном расстоянии
RB = 15RE от центра Земли.
Первая модель источника больше соответствует случаю, ко-

12
гда источник имеет вспышечную природу, а вторая  предель-
ная  источник находится достаточно далеко в хвостовой ча-
сти. Будем далее называть траектории, не соединяющиеся с
источником,  замкнутыми изолированными траекториями, а
соединяющиеся  незамкнутыми. Модель дальнего источни-
ка RB = 15RE интересно использовать для того, чтобы проана-
лизировать возможную роль максимально большой области
замкнутых изолированных траекторий на модельных ИСП: за-
мкнутые изолированные траектории можно искусственно сде-
лать незамкнутыми, если расположить гипотетический источ-
ник где-либо на пересечении с такими дрейфовыми траекто-
риями. Из результатов вычислений видно, что положение ис-
точника значительно влияет на модельные расчеты, и, таким
образом, можно оценить положение ближней границы источ-
ника, сравнивая наблюдения ИСП с модельными ИСП.
С другой стороны, можно ожидать, что реальный источ-
ник частиц расположен между двумя рассмотренными экстре-
мальными вариантами. Для того чтобы оценить, где находит-
ся источник частиц, было выполнено трассирование на маг-
нитный экватор границ высыпаний частиц, экспериментально
наблюдаемых спутником DMSP (b2i, b2e, b3a, b4s). Про-
екции этих границ были рассмотрены в сравнении с injection
boundary и дальним источником RB = 15RE . Показано, что
б
ольшая часть точек проекций границ находится между дву-
мя принятыми в расчетах моделями источников частиц. Та-
ким образом, подтверждается, что модельный источник ча-
стиц injection boundary представляет собой некоторую вну-
треннюю границу положения источника, а граница RB = 15RE
- некоторую внешнюю границу.
Далее проводится исследование эволюции поведения ИСП
в условиях слабой геомагнитной активности. Для этой цели
выбран интервал времени 26-29 декабря 1997 г., когда Кр-

13
индекс на протяжении 4-х дней не превышал 1 + . Также не на-
блюдалось возмущений в АЕ-индексе. Изучение картины кон-
векции для таких случаев представляет большой интерес, так
как, по-видимому, рассматриваемая ситуация соответствует
стационарной магнитосфере. Проведены модельные расчеты
ИСП, наблюдаемых в этот период. Просмотр магнитограмм се-
ти IMAGE показал, что в рассматриваемом промежутке време-
ни наблюдался ряд локальных возмущений амплитудой 50-100
нТл, соответствующих небольшим суббурям. По современным
представлениям, суббуревая активность должна приводить к
инжекциям частиц во внутреннюю магнитосферу. На спектро-
граммах наряду с ИСП на определенных пролетах спутника
видны вариации спектров, хорошо совпадающие с модельны-
ми следами некоторых инжекций. Таким образом, в слабо-
возмущенное время может действовать дополнительный вспы-
шечный источник частиц, накладывающийся на квазистацио-
нарную конвекцию частиц из плазменного слоя.
В Главе 2 исследуется вопрос, являются ли так называе-
мые носовые структуры свойством только суббуревых процес-
сов или же носовые структуры наблюдается также и в спокой-
ной магнитосфере. Обсуждается взаимосвязь между носовы-
ми структурами и ИСП (ионными спектральными провалами).
Термин носовые структуры был впервые введен Смитом
и Хоффманом, 1972, для описания проникновения энергичных
протонов (с энергиями 20-50 кэВ) во внутреннюю магнито-
сферу вплоть до Lоболочек 3  4 за плазмопаузу во время
суббурь (по данным спутника EXPLORER-45). Было показано,
что на энерго-временных спектрограммах протонов существует
некая выделенная резонансная область энергии частиц, прони-
кающих вглубь магнитосферы наиболее значительно. Смитом
и Хоффманом дано качественное объяснение этого процесса
как следствие адиабатического дрейфа частиц (с сохранением

14
первых двух инвариантов) в электрическом поле конвекции,
коротации, и магнитном поле. Изучение литературы показало,
что, хотя носовые структуры изначально связывались с суббу-
ревой активностью, при моделировании таких структур в боль-
шинстве случаев использовались стационарные электрические
поля.
В Главе 2 проведен статистический анализ 452 носо-
вых структур, наблюдаемых спектрометром ИОН спутни-
ка ИНТЕРБОЛ-2. Получено, что при текущем значении
Kp = 0 1 вероятность наблюдения носовых структур в ночном
секторе  80%. Для дневного сектора наибольшая вероятность
наблюдения ( 75% для Kp = 0 и  45% для Kp = 1) найде-
на, если рассматривать вероятность наблюдения в зависимо-
сти от Кр-индекса, взятого с 6-часовым упреждением события
по времени. Это, по-видимому, объясняется тем, что частицам
требуется несколько часов, чтобы пройти путь от источника на
ночной стороне до дневной магнитосферы. Таким образом, в
спокойное время при малом Кр-индексе носовые структуры,
не связанные с суббуревой активностью, наблюдаются с вы-
сокой вероятностью. Такие носовые структуры названы нами
стационарными носовыми структурами.
Результаты статистического анализа были сравнены с мо-
дельными расчетами, которые показывают, что носовые струк-
туры в стационарном случае могут формироваться во всех сек-
торах MLT. Показано, что ИСП вследствие запретных зон
должны наблюдаться одновременно со стационарными но-
совыми структурами. В ночном секторе формируются ИСП
вследствие существования запретных зон, и, следовательно,
стационарные носовые структуры, в которых, как и в суббу-
ревых, присутствует выделенная энергия, частицы с которой
проникают на более низкие Lоболочки. В утреннем, дневном
и вечернем секторах на ИСП, формирующийся вследствие су-

15
ществования запретных зон накладывается ИСП вследствие
большого времени дрейфа, что приводит к расщеплению ста-
ционарной носовой структуры на две. Факт возможного рас-
щепления носовой структуры в литературе нигде не отмечал-
ся. Так как модельные ИСП вследствие запретных зон могут
формироваться во всем диапазоне MLT, то стационарные но-
совые структуры в спокойное время также могут формировать-
ся во всем диапазоне MLT, что подтверждается результатами
наблюдений прибора ИОН.
В Главе 2 также рассмотрены два случая одновременного
наблюдения носовых структур (в ночном секторе и в утреннем
секторе) спутниками ИНТЕРБОЛ-2 и POLAR. Хорошее согла-
сие данных различных экспериментов с модельными расчета-
ми подтверждает достоверность схем расчетов и полученных
результатов.
В Главе 3 подробно рассмотрено явление поляризационно-
го джета (PJ), и предложен новый механизм для объяснения
формирования PJ, где в качестве генератора электрического
поля рассматриваются частицы внешнего радиационного поя-
са.
Поляризационный джет  это узкая по широте ( 1 2 Ж )
полоса усиленного электрического поля во внутренней магни-
тосфере, обычно появляющаяся в вечернем секторе во время
магнитосферных суббурь. Явление PJ было впервые описано
Гальпериным (1973 г.), и с тех пор проводились многочис-
ленные исследования PJ как по наземным измерениям, так и
со спутников. Статистическое распределение PJ-событий по-
казывает, что PJ обычно наблюдается на геомагнитных ши-
ротах 55 60 Ж (параметр L  3 4), вблизи границы диффуз-
ных высыпаний электронов, протяженность по MLT полосы
PJ 2  3 ч, время жизни PJ  несколько часов. Скорость
дрейфа плазмы в ионосфере в полосе PJ  1 5км/с, это со-

16
ответствует напряженности электрического поля в ионосфере
 50 200мВ/м и экваториальным значениям электрического
поля  2 10мВ/м.
Для объяснения механизма формирования PJ в литерату-
ре наиболее часто приводится следующий механизм: проник-
новение инжектированных энергичных ионов во внутреннюю
магнитосферу на более низкие широты (то есть на меньшие
L-оболочки) и концентрация положительного заряда на эква-
ториальной границе проникновения ионов. Это приводит к по-
явлению электрического поля, направленного к полюсу, то есть
к возникновению PJ. Данная идея была впервые предложена
в работе Саусвуда и Вульфа, 1978 и в дальнейшем получила
развитие в ряде более поздних работ.
В качестве источника энергии для поддержания сильного
электрического поля в полосе PJ в этом механизме рассмат-
ривается внешняя инжектированная горячая плазма. В на-
стоящей работе предлагается другая возможность генерации
напряжения в полосе PJ  не за счет инжекции, а за счет вну-
треннего источника энергии  частиц внешнего радиацион-
ного пояса. Такой механизм генерации может быть самопод-
держивающимся, и он может объяснять большое время жизни
PJ. Возможно, что механизм внешней инжекции обеспечива-
ет начальную фазу развития PJ, а далее включается механизм
самогенерации электрического поля. Однако относительный
вклад каждого из механизмов  внешнего и внутреннего
 к настоящему моменту не прояснен, и работа в этом направ-
лении представляет большой интерес для построения модели
PJ, согласованной с ионосферными и спутниковыми измере-
ниями.
Приведены количественные оценки числа частиц в секун-
ду, стекающих в ионосферу в полосе PJ, и рассмотрены воз-
можные источники частиц для формирования тока в полосе

17
PJ. Для этого оценены следующие источники частиц, которые
могут обеспечить ток в полосе PJ:
 квазистационарный приток частиц во внутреннюю магни-
тосферу;
 единичная вспышечная инжекция;
 частицы внешнего радиационного пояса
на L-оболочках 3 - 4.
Получено, что в качестве источника частиц, создающих ток,
все три механизма могут обеспечить поддержание электриче-
ского поля в полосе PJ.
Третий механизм исследован также с точки зрения воз-
можности генерации напряжения в полосе PJ. Для этого раз-
работана простая количественная модель, описывающая ме-
ханизм генерации электрического поля в полосе PJ за счет
частиц внешнего радиационного пояса. В модели рассматри-
вается движение протонов и электронов в полосе PJ и опре-
деляется распределение нормированной плотности заряда в
зависимости от L-параметра, MLT и времени. Для частиц с
энергиями, характерными для внешнего радиационного поя-
са, скорость градиентного дрейфа в полосе PJ примерно рав-
на скорости электрического дрейфа. Для ионов эти скорости
в полосе PJ складываются, а для электронов вычитаются. В
результате наличие PJ приводит к значительному искажению
дрейфовых траекторий частиц внешнего радиационного пояса.
Возникают разделение зарядов и электрическое поле, которое
может поддерживать поле PJ. Такой механизм генерации поз-
воляет объяснить, например, большое время жизни PJ даже в
освещенной ионосфере.
В Заключении сформулированы основные результаты и вы-
воды диссертационной работы, состоящие в следующем:
1. Проведен анализ экспериментального материала по на-
блюдениям ИСП и носовых структур со спутника

18
ИНТЕРБОЛ-2 в магнитноспокойные и средневозмущен-
ные периоды. Показано путем модельных расчетов и
их сравнения с экспериментальными данными, что для
магнитноспокойного и средневозмущенного состояния
магнитосферы движения ионов H + с энергиями 0.1  15
кэВ во внутренней магнитосфере соответствуют представ-
лениям о квазистационарной конвекции плазмы. Наилуч-
шее согласие экспериментальных данных с модельными
расчетами получено для модели конвекции Мак-Илвайна,
1972 г. Трассирование границ высыпаний частиц, наблю-
даемых спутником DMSP, показало, что в этих условиях
источником горячей плазмы в диффузной авроральной
зоне является главным образом предполуночный сектор
хвоста магнитосферы на расстояниях  8 10RE . В сла-
бовозмущенных условиях во внутренней магнитосфере на
квазистационарную конвекцию могут накладываться сла-
бые инжекции частиц, не меняющие заметно общей кар-
тины конвекции. Этот вспышечный источник частиц соот-
ветствует авроральным активизациям и слабым суббурям
на сжатом овале, и такие инжекции создают небольшие,
но измеримые локализованные магнитные вариации в вы-
соких широтах.
2. Из сопоставления результатов моделирования ИСП и но-
совых структур с данными наблюдений показано, что два
механизма формирования ИСП, обсуждавшиеся в литера-
туре как альтернативные, в действительности реализуют-
ся в разных условиях, но могут и налагаться друг на друга
в определенных ситуациях. Эти два фактора следующие:
 существование выделенной энергии, ионы с которой
имеют большое время дрейфа от источника до точки на-
блюдения (время жизни частиц с определенной энергией

19
меньше, чем время дрейфа);
 наличие запретных областей для ионов определенных
энергий проходящих через эту область, чьи траектории
изолированы от источника.
3. Выявлен определенный тип носовых структур, наблюдае-
мых на энергиях 5-10 кэВ, которые формируются в ре-
зультате дрейфа частиц H + в стационарных электриче-
ском и магнитном поле и не связаны с развитием суббу-
ри. Такие носовые структуры образованы ИСП, формиру-
ющимися вследствие существования запретных зон изо-
лированных от источника траекторий. Проведен статисти-
ческий анализ носовых структур, наблюдаемых спектро-
метром ИОН спутника ИНТЕРБОЛ-2. Показано, что при
значениях Кр-индекса 0  1 носовые структуры наблю-
даются с высокой вероятностью как в ночном секторе(
 80% для текущего значения Кр-индекса 0  1), так и
в дневном ( 75% для Кр = 0, с упреждением по Кр-
индексу на 6-9 ч). Результаты статистического анализа
обоснованы модельными расчетами, которые показыва-
ют, что носовые структуры в стационарном случае могут
формироваться во всех секторах MLT. Носовые структуры
в спокойное время имеют время формирования 3  10 ч,
в отличие от суббуревых структур, которые формируются
за время 0,5  2 ч после начала суббури.
4. Разработана простая количественная модель, описываю-
щая механизм генерации электрического поля во внутрен-
ней магнитосфере в полосе PJ. В качестве генератора на-
пряжения для образования электрического поля рассмат-
риваются частицы внешнего радиационного пояса. По-
казано, что электрическое поле PJ значительно искажа-
ет траектории движения частиц внешнего радиационного

20
пояса и вызывает разделение зарядов в полосе PJ. Ре-
зультирующее электрическое поле имеет два компонента
- направленный к полюсу и восточный. Такое электриче-
ское поле поддерживает начальное поле PJ. Рассмотрен-
ный механизм является самоподдерживающимся и может
обеспечивать большое время жизни PJ.
Основные результаты диссертации опубликованы в
следующих работах:
1. Бузулукова Н. Ю. Тестирование моделей крупномасштаб-
ной конвекции по измерениям ионных провалов спектро-
метрическим комплексом ИОН спутника ИНТЕРБОЛ-2 в
геомагнитно-спокойное время. Препринт ИКИ РАН. Пр-
2009. 1999. 20 с.
2. Бузулукова Н. Ю. Ионные спектральные провалы как
способ проверки существования стационарной крупномас-
штабной конвекции, ее моделей и локализации источника
частиц во внутренней магнитосфере в спокойное время:
наблюдения спектрометра ИОН со спутника ИНТЕРБОЛ -
2. // Космические исследования. 2000. Т. 38. С. 524.
3. Buzulukova N. Yu. Drifting energetic ions in the inner
magnetosphere during long quiet intervals: A steady flow
from a distant source or from multiple substorm-like burst
injections? Proceedings of the 5th International Conference
on Substorms. ESA SP-443. 2000. P. 381.
4. Stenuit H., Sauvaud J.-A., Delcourt D. C., Mukai T.,
Kokubun S., Fujimoto T., Buzulukova N. Yu., Kovrazhkin
R. A., Lin R. P., Lepping R. P. A study of ion injections at
the dawn and dusk polar edges of the auroral oval. // JGR.

2001. V. 106. N A12. P. 29619.
5. Buzulukova N. Yu., Galperin Yu.I., Kovrazhkin R.A.,
Glazunov A.L., Vladimirova G., Stenuit H., Sauvaud J.-A.,
Delcourt D.C. Two types of ion spectral gaps in the quiet inner
magnetosphere: INTERBALL-2 observations and modelling.
// Annales Geophysicae. 2002. V. 20. N 3. P. 349.
6. Бузулукова Н. Ю., Вовченко В. В. О возможном механиз-
ме поддержания электрического поля в полосе поляриза-
ционного джета. // Космические исследования. 2003. Т.
41. С. 5.
7. Бузулукова Н. Ю., Ковражкин Р. А., Глазунов А. Л., Сово
Ж.-А., Ганюшкина Н. Ю., Пулккинен Т. И. Стационарные
носовые структуры протонов во внутренней магнитосфе-
ре: наблюдения прибора ИОН на спутнике ИНТЕРБОЛ-2
и моделирование. // Космические исследования. 2003. Т.
41. С. 108.
055(02)2
Ротапринт ИКИ РАН
Москва, 117997, Профсоюзная, 84/32
Подписано к печати .05.2003
Заказ Формат 70108/32 Тираж 100 0,8 уч.-изд.л.