Исследование токовой системы суббури по данным спутниковых измерений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.03.03, кандидат наук Николаев Александр Валерьевич

• Николаев Александр Валерьевич
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Николаев Александр Валерьевич

Введение

Глава 1. Токовый клин суббури

1.1 Признаки и фазы магнитосферной суббури

1.2 Токовый клин суббури

1.3 Количественные модели токового клина

1.4 Интерпретационная модель токового клина (Г^)

1.5 Постановка задачи

Глава 2. Моделирование магнитных эффектов токового клина суббури

2.1 Магнитосферная модель БС^ алгоритм построения токового контураура

2.2 Филаментарная магнитосферная модель БС^ объемные токи

2.3 Параметры модели FW и её настройки

2.3.1 Определение интенсивности и ионосферных долгот продольных токов (PW и РЕ)

2.3.2 Корректировка ионосферных долгот (ФW и ФЕ) продольных токов SCW

2.3.3 Задание параметра Ят

2.3.4 Определение степени вытянутости силовых линий продольных токов SCW

2.4 Сравнение наблюдений с прогнозом модели одиночной

токовой петли

2.5 Геостационарные наблюдения токовой системы суббури

2.6 Обсуждение результатов

Глава 3. Двухпетлевая модель токового клина

3.1 Альтернативные геометрии токового контура обновленной

модели SCW

3.2 Модель SCW2L и её настройки

3.3 Филаментарные продольные токи в сравнении с распределенными токами модели

3.4 Наблюдения стационарных фронтов диполизации в их конечном состоянии

3.5 Статистическое сравнение амплитуд

диполизаций на 6.6 Re и 11 Re

3.6 Обсуждение результатов

Глава 4. Деформация магнитосферного магнитного поля токовой системой

суббури

4.1 Введение

4.2 Моделирование искажений ионосферных проекций, генерируемых токовым клином

4.2.1 Качественный анализ деформаций геомагнитного поля моделью

SCW2L

4.2.2 Зависимость величины полярного смещения

проекций от параметров SCW2L

4.3 Наблюдение и моделирование величины полярного

расширения сияний в течение суббурь 17 Марта

4.3.1 Наземные наблюдения событий 17 Марта

4.3.2 Геостационарные наблюдения событий 17 Марта

4.3.3 Модель SCW2L и её настройки для событий

17 Марта 2010, решение обратной задачи

4.3.4 Моделирование полярного расширения ионосферных

проекций и сравнение с сияниями 17 Марта

4.4 Обсуждения результатов и заключение

Основные результаты диссертации

Литература

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование токовой системы суббури по данным спутниковых измерений»

Общая характеристика работы

Магнитосфера представляет собой сложноорганизованную область в солнечном ветре, в пределах которой заключено магнитное поле Земли. Состояние магнитосферы характеризуется множеством плазменных и электродинамических параметров, которые в свою очередь, контролируются Солнечным ветром (СВ) и межпланетным магнитным полем (ММП) солнечного происхождения. При определенных условиях в СВ, магнитосфера способна запасать магнитную энергию и затем взрывообразно высвобождать её, что в свою очередь, ведет к генерации ускоренных потоков частиц и развитию (усилению) крупномасштабных токовых систем и обусловленных ими магнитосферных и наземных магнитных возмущений. Изменения конфигурации геомагнитного поля в периоды магнитосферных бурь и суббурь очень значительны, а потому они меняют характер движения и ускорения заряженных частиц в магнитосфере, и, в частности, влияют на формы полярных сияний.

В диссертационной работе приведены результаты исследования основного элемента крупномасштабной трёхмерной токовой системы суббури (называемой токовый клин суббури или Substorm Current Wedge (SCW)), возникающей в возмущенной магнитосфере в периоды взрывной фазы магнитосферной суббури и связывающей активные области магнитосферы с высокоширотной ионосферой. Повсеместно используется классическая модель токового клина, которая представляет собой часть тока хвоста магнитосферы, текущего с утра на вечер, перенаправленного вдоль магнитных силовых линий в ионосферу Земли (на утренней стороне), протекающего в виде западного электроджета на высоких широтах и вытекающего обратно в ночную магнитосферу на вечерней стороне (петля типа R1). Интенсивность тока в петле R1 может достигать величин порядка 1 МА и более, что приводит к генерации токовым клином области локализованной диполизации внутри его азимутального сектора и вихревого магнитного поля вблизи продольных токов. В результате магнитного пересоединения в ближнем магнитном хвосте, ускоренный поток плазмы с пониженной энтропией движется к Земле и останавливается в области квазидипольного поля Земли, что приводит к образованию пика плазменного давления на фронте потока плазмы и генерации дополнительной петли обратного направления типа R2. В совокупности токовые петли типа R1 и R2 формируют двухпетлевую токовую систему суббури, исследуемую в данной работе. Магнитные эффекты петель R1 и R2 весьма важны. Во-первых, возникновение трехмерной крупномасштабной системы большой интенсивности вызывает значительные изменения геомагнитного поля,

траекторий движения частиц в магнитосфере и формирование характерных авроральных структур в высокоширотной ионосфере. Во-вторых, наблюдая вариации геомагнитного поля на поверхности Земли, можно вести мониторинг интенсивности разрушенного тока хвоста магнитосферы, а также с помощью доступных моделей и методов количественно предсказывать изменение магнитосферных характеристик, вызванное токовым клином.

В работе подробно исследована новая количественная модель с филаментарными объемными продольными токами конечного размера, зависящая от параметров, которые можно определить с помощью решения обратной задачи и интерпретации магнитных вариаций, наблюдаемых на среднеширотных наземных станциях и спутниках. Модель тестировалась путем сравнения предсказываемых моделью магнитных возмущений с наблюдательными данными спутников, находящихся в разных областях, включая геостационарную орбиту и плазменный слой и доли ближнего хвоста магнитосферы. Результаты сравнений показали, что при отсутствии второй петли модельное и наблюдаемое на геостационарных спутниках магнитные поля систематически отличаются (в 1.5-2 раза) и отношение их амплитуд зависит от первоначальной конфигурации магнитного хвоста (перед началом взрывной фазы), а также времени суббури. Такое несоответствие модельных расчетов может объясняться эффектом дополнительной токовой петли типа (обратной петле типа R1), которая образуется у фронта инжекций плазмы, движущихся в направлении Земли, останавливающихся в области квазидипольного магнитного поля и генерирующих пик плазменного давления в этой области.

Данная работа посвящена развитию и тестированию новой количественной магнитосферной модели токового клина суббури, позволяющей на основе наблюдательных данных определять параметры петель R1 и и предсказывать величины компонент магнитных возмущений, как на поверхности Земли, так и в космосе. В ходе тестирования и разработки новой модели SCW2L обоснована целесообразность использования этой модели для мониторинга трехмерной токовой системы суббури.

Актуальность темы исследования

Развитие количественных моделей, описывающих возмущения геомагнитного поля в периоды суббурь является важной задачей магнитосферной физики. Такие модели существуют, однако сложность трехмерной магнитосферной конфигурации поля и сильная зависимость геометрии силовых линий от времени затрудняет создание универсальных моделей. Например, эмпирические (статистические) модели, создающиеся на базе многолетних спутниковых наблюдений в магнитосфере, в частности, модели Цыганенко (Tsyganenko, 1989; Tsyganenko,

1995 и т.д.) и динамическая модель Alexeev et я1. (2001), способны описать усредненную конфигурацию магнитосферного поля, но не описывают суббурь. Адаптивные модели (Kubyshkina et я1., 2011), построенные на базе эмпирических моделей, являются более гибким инструментом прогнозирования величины и распределения геомагнитного поля и способны его описать даже в возмущенные периоды, так как они подстраивают модельное магнитное поле под измерения поля спутниками. Однако эти модели используют гладкие функции для описания геомагнитного поля, а потому они не способны описать кратковременные и локализованные в ограниченном участке магнитосферы возмущения магнитного поля в периоды взрывной фазы суббури. В возмущенные периоды к существующим в спокойных условиях магнитосферным токовым системам могут добавляться иные токовые структуры, образующиеся и усиливающиеся в результате магнитного пересоединения в хвосте, которые обуславливают генерацию локализованной области диполизации и требуют отдельного подхода и создания отдельных интерпретационных количественных моделей. В настоящий момент такие модели не входят в программные блоки существующих моделей магнитосферы, так как они не могут быть параметризованы характеристиками солнечного ветра и требуют комплексной интерпретации наземных и спутниковых наблюдательных данных в период каждой отдельно взятой суббури. Для создания практически полезной количественной модели токового клина суббури и её включения в состав эмпирических или адаптивных моделей необходимо построить простую, гибкую и реалистичную вычислительную модель SCW, параметры которой можно определить из имеющихся наблюдательных магнитных данных.

Цель работы — развитие, тестирование и программная реализация новой двухпетлевой модели токового клина суббури для мониторинга магнитосферных характеристик в периоды взрывной фазы суббури.

В её задачи входит:

1. Тестирование однопетлевой версии модели SCW путем статистического сравнения компонент магнитных возмущений, наблюдаемых геостационарными спутниками и предсказываемых моделью, и обоснование необходимости усовершенствования этой модели до двухпетлевой версии (SCW2L) с её последующим тестированием;

2. Программная реализация вычисления интенсивностей токов, их отношения и положения экваториального тока петли с помощью двухпетлевой модели SCW2L и метода решения обратной задачи по спутниковым и наземным магнитным наблюдениям, включая исследование и оптимизацию параметров модели SCW2L и выбор её фиксированных параметров;

3. Статистическое исследование зависимости положения экваториального сегмента петли Я2 от конфигурации ближнего хвоста магнитосферы перед началом взрывной фазы суббури по спутниковым данным;

4. Исследование амплитуды и форм деформаций геомагнитного поля, включая зависимость смещения ионосферных проекций точек плазменного слоя от параметров модели SCW2L. Оценка параметров обеих петель модели SCW2L для реальных событий, оценка амплитуды смещений ионосферных проекций плазменного слоя и сравнение их величин с наблюдаемой величиной полярной экспансии авроральных сияний.

Научная новизна

1. С помощью спутниковых наблюдений и трехмерной однопетлевой классической модели токовой системы суббури показано, что классическая однопетлевая токовая система (петля Ю) должна быть дополнена второй токовой системой (петля Я2), имеющей противоположную к основной токовой петле направление тока и образующейся на фронте инжекций на границе области квазидипольного магнитного поля.

2. Разработана новая, соответствующая современным представлениям об инжекциях плазмы во время суббурь вычислительная двухпетлевая модель токовой системы суббури (SCW2L), позволяющая интерпретировать наземные и спутниковые магнитные измерения, а также получать количественную информацию о магнитных эффектах SCW в ближнем хвосте магнитосферы и на поверхности Земли. На основе двухпетлевой модели SCW2L программно реализовано решение обратной задачи для оценки параметров SCW по данным наземных сетей и спутников.

3. Исследования деформаций геометрии магнитного хвоста токами SCW2L показали, что основным параметром, контролирующим амплитуду расширения сияний к полюсу, является интенсивность петли Ю, а эффекты токовой петли Я2 при определенных условиях могут обуславливать расширение сияний в экваториальном направлении.

Положения, выносимые на защиту

1. Токовая система суббури, помимо классического токового клина должна включать в себя вторую петлю обратной полярности (типа Я2), образующейся на фронте инжекций плазмы в область квазидипольного магнитного поля. Программно реализована и протестирована двухпетлевая модель токового клина суббури (SCW2L), которую можно

использовать для определения параметров SCW и количественного исследования её наземных и магнитосферных трёхмерных эффектов.

2. На основе наблюдений с применением новой модели токового клина суббури SCW2L получены количественные сведения: (1) о величине и соотношениях интенсивностей продольных токов обеих петель; (2) о зависимости положения экваториального сегмента петли R2 от магнитной конфигурации хвоста в периоды суббурь разной интенсивности; (3) об амплитудах деформации геомагнитного поля и смещений ионосферных проекций плазменного слоя в зависимости от параметров двухпетлевой модели SCW2L.

3. Показано, что величина изменения широты ионосферной проекции плазменного слоя контролируется интенсивностью тока петли R1 - другие параметры вносят меньший вклад. Искажение конфигурации силовых линий, вызываемое токовым клином, обуславливает: (1) образование авроральной выпуклости в области вторжения энергичных частиц в высокоширотную ионосферу; (2) генерацию западного изгиба на крае авроральной выпуклости; (3) вносит вклад в разворот аврорального стримера к западу (востоку) при его движении в меридиональном направлении от полюса к экватору.

Практическая ценность

В диссертации представлены результаты исследования токовой системы суббури, которые расширили представления о структуре этой токовой системы и позволили разработать модель для интерпретации и расчета трехмерных магнитных возмущений токового клина в периоды взрывной фазы суббури. Предлагаемая модель позволяет: (1) оценивать параметры токового клина суббури на основе космических и наземных измерений магнитного поля, (2) рассчитывать его эффекты на поверхности Земли и в магнитосфере на расстояниях до ~15 Re, (3) исследовать изменения конфигурации магнитосферного поля под действием продольных токов SCW и (4) связь этих изменений с явлениями в высокоширотной ионосфере и в плазменном слое.

Развитие количественной модели токового клина суббури позволит в дальнейшем использовать её как инструмент диагностики магнитных возмущений в периоды суббурь и интенсивности той части разрушающегося тока хвоста, которая связывает ночную магнитосферу с ионосферой. Создание гибкой и простой расчетной модели токового клина позволит в будущем усовершенствовать существующие эмпирические и адаптивные модели

для моделирования глобального геомагнитного поля в возмущенные периоды, то есть использовать эту модель в качестве дополнительного элемента адаптивного моделирования.

Степень достоверности результатов

1. Построенная модель токового клина позволяет воспроизводить распределение амплитуд магнитных возмущений, наблюдаемых на поверхности Земли в средних широтах и в ближней магнитосфере.

2. Структура токовой системы развиваемой модели соответствует физическим представлениям о процессе разрушения тока хвоста магнитосферы и об инжекциях плазмы в область интенсивного квазидипольного магнитного поля в периоды магнитосферных суббурь. Результаты МГД моделирования пересоединения в хвосте магнитосферы (Birn et al., 2014), а также моделирование с помощью самосогласованной RCM модели (Yang et al., 2012) также подтверждают двухпетлевую структуру токовой системы.

Личный вклад автора

Исходный алгоритм построения контура однопетлевой модели токового клина и расчета его магнитных эффектов был предложен Н.А. Цыганенко (Sergeev et al., 2011). Автор проводил все представленные в работе модельные расчеты, разрабатывал программы для обработки магнитных наблюдательных данных и реализовывал алгоритм решения обратной задачи на языках программирования IDL и FORTRAN. Автор работы также участвовал в интерпретации результатов и написании статей по результатам исследований.

Результаты, представленные в работе, были получены на равных правах с соавторами. Апробация работы

Результаты исследования представлены в качестве устных докладов на 8 и 9 международной конференции «Problems of Geocosmos» (2010 и 2012 гг.), на 7-й Международной научно-практической конференции молодых специалистов "Геофизика-2009", на 32, 33, 35 и 36-ом ежегодных семинарах «Physics of Auroral Phenomena» (2009, 2010, 2012 и 2013 г.), на Генеральной Ассамблее Европейского Геофизического Союза в Австрии (Вена, 2013 г.), на 11-й международной конференции по суббурям в г. Люнебург (Германия, 2012 г.),

на 12-й международной конференции по суббурям в г. Исэ (Япония, 2014 г.), а так же научном семинаре, посвященному Евросоюзовскому проекту ECLAT в г. Грац (Австрия, апрель 2013 г.). Также результаты научной работы докладывались на семинарах кафедры Физики Земли, были поддержаны грантами РФФИ и грантами Комитета по Науке и Высшей Школе (КНВШ) г. Санкт-Петербург в 2010, 2012 и 2013 году.

Публикации

Результаты проведенных исследований по теме работы были приведены в четырех статьях, опубликованных в журналах Journal of Geophysical Research и Annales Geophysicae, и в сборнике трудов 36 ежегодного семинара "Physics of Auroral Phenomena" в г. Апатиты.

Структура и объем работы

Диссертация содержит 150 страниц машинописного текста, 72 рисунка и 2 таблицы. Состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы (112 наименований).

Содержание работы

В первой главе представлена историческая справка о развитии представлений о токовой системе суббури, описаны ее первые расчетные модели, их достоинства и недостатки. В разделе 1.1 описаны основные признаки магнитосферной суббури, ее фазы и ее связь с токовой системой суббури (SCW). В разделе 1.2 приведена краткая историческая справка о возникновении концепции токовой системы суббури, а также описаны наблюдаемые с поверхности Земли и из космоса признаки SCW, характеризующие токовый клин как крупномасштабную трёхмерную структуру. Раздел 1.3 посвящен описанию первых моделей (Horning et al., 1974; Vasilyev et al., 1986; Tsyganenko et al., 1997), которые использовались для получения количественной информации о магнитных эффектах SCW в разных областях магнитосферы и на поверхности Земли, и методах их практического применения для интерпретации наблюдаемых магнитных возмущений (Sergeev et al., 1996). Указаны достоинства и недостатки этих моделей, которые потребовали разработки современной модели, обладающей большей гибкостью, реалистичностью токонесущих силовых линий, с возможностью определения ее параметров из наземных наблюдений и ее способностью рассчитывать распределение амплитуд магнитных возмущений, как на поверхности Земли, так

и в космосе. В разделе 1.4 описана интерпретационная модель токового клина IW (Sergeev et al., 1996), с помощью которой методом решения обратной задачи на основе среднеширотных магнитных измерений определяются параметры SCW: положение долгот продольных токов и их интенсивность, а также затронуты вопросы выбора уровня отчета магнитных возмущений и программной реализации решения обратной задачи. Рассмотрены простые методы учета эффектов индукционных токов, влияющих на вертикальную компоненту магнитных возмущений поля, проблемы метода инверсии при определении азимутов продольных токов, а также эффекты солнечно-суточной вариации при интерпретации среднеширотных горизонтальных компонент магнитных возмущений. В разделе 1.5 сформулированы задачи научного исследования.

Во второй главе описана расчетная модель однопетлевой филаментарной токовой системы FW, предложенная Н.А. Цыганенко — первая модель, с реалистичной геометрией продольных токов ограниченной толщины, интенсивность и положение которых может быть получено из среднеширотных измерений горизонтальных компонент магнитных возмущений и интерпретационной модели IW. В главе также приведены результаты тестирования однопетлевой исходной модели путем статистического сравнения предсказываемых магнитных эффектов SCW на геостационарных спутниках GOES с реальными наблюдениями вариаций магнитной компоненты ABz. В разделе 2.1 дано описание алгоритма построения контуров однопетлевой модели FW, продольные токи которой текут вдоль силовых линий, рассчитанных с помощью магнитосферной эмпирической модели внешних источников поля T89 (Tsyganenko, 1989) и модели внутренних источников IGRF. Конфигурируется модель FW параметрами, контролирующими азимутальное положение, интенсивность, объем и форму токов SCW, а также расстояние до экваториальной части токового клина. В разделе 2.2 описан алгоритм выбора объема силовых токовых трубок и метод расчета генерируемого ими магнитного поля. Раздел 2.3 посвящен описанию основных настроек магнитосферной модели FW в которые входит: определение основных входных параметров магнитосферной модели с помощью быстрой интерпретационной модели IW (раздел 2.3.1); сопряжение ионосферных и магнитосферных долгот продольных токов в модели FW с помощью метода последовательных приближений (раздел 2.3.2); задание геоцентрического расстояния до экваториального сегмента токовой петли R1 (параметр RT1), определяемое методом триангуляции по данным спутника Geotail и группы спутников Cluster (Sergeev et al., 2011a), расположенных в разных областях хвоста и чувствительных к разным частям токовой системы (раздел 2.3.3); определение степени вытянутости силовых линий продольных токов модели, определяемой из наблюдений геостационарных спутников внутри токового клина (раздел 2.3.4). В разделе и его

подразделах показано, что: (1) RTi ~ 14 Re в начале взрывной фазы суббури и ~20 Re в конце, при этом интенсивность токового клина, определенная методом триангуляции, в 1.5..2 раза больше интенсивности, рассчитанной по наземным данным в период усиления взрывной фазы; (2) отношение модельных и наблюдаемых компонент магнитного поля (ABx и ABz) в долях хвоста систематически отличаются при этом модельные компоненты поля примерно в 2 раза меньше наблюдаемых (Sergeev et al., 2011а); (3) модели FW и IW для построения контура токового клина используют разные модели магнитосферного поля, и геометрия силовых линий в моделях может заметно отличаться. В последнем случае долготы продольных токов, определяемые из среднеширотных измерений магнитного поля, не соответствуют долготам, задаваемым в магнитосфере, поэтому необходима численная процедура, позволяющая привести долготы в соответствие друг другу. В разделе 2.4 приведены результаты сравнения наблюдений спутников Cluster с прогнозом модели FW (Sergeev et al., 2011a). Было показано, что отношение наблюдаемых и предсказываемых компонент магнитных возмущений (BOBS/BMOD) может достигать в среднем величины ~1.5. В разделе 2.5 представлены результаты моделирования эффектов SCW на геостационарных спутниках GOES с помощью однопетлевой модели FW. Описаны результаты статистического сравнения наблюдаемых и предсказываемых моделью амплитуд возмущений AHMOD и AHOBS, а также приведено их статистическое распределение относительно азимутального сектора SCW. Показано, что (1) в периоды интенсивных суббурь амплитуды магнитных вариаций значительно и систематически отличаются друг от друга, в среднем HOBS/HMOD ~ 2, причем величина этого отношения зависит от времени суббури и магнитной геометрии хвоста магнитосферы перед началом взрывной фазы; (2) область диполизации находится во внутреннем секторе SCW, а амплитуды наблюдаемых возмущений вблизи его центральной долготы в среднем на 20-25% больше предсказываемых. В разделе 2.6 обсуждаются результаты главы, которые в целом показали, что несоответствия амплитуд магнитных возмущений можно объяснить эффектами дополнительной токовой системы (петли типа R2), образующейся на фронте инжекций плазмы, движущихся из хвоста магнитосферы к Земле. При достижении области интенсивного квазидипольного магнитного поля, ускоренный поток плазмы останавливается, образуя пик давления на границе с вытянутыми силовыми линиями поля и, обтекая эту границу в азимутальном направлении, генерирует дополнительную петлю типа R2 обратной к петле типа R1 полярности. Другими словами, втекающий в ионосферу продольный ток петли R2 расположен в западной части ночной магнитосферы, вытекающий — в восточной, при этом оба тока замыкаются в экваториальной плоскости током, текущим с утра на вечер. Генерация дополнительной токовой петли обратной к токовому клину полярности становится причиной подавления наблюдаемой геостационарными спутниками Bz-компоненты магнитного поля внутри долготного сектора петли R2.

Третья глава посвящена описанию и тестированию усовершенствованной однопетлевой модели FW до двухпетлевой модели SCW2L по данным среднеширотных и спутниковых магнитных измерений. Выбор двухпетлевой модели физически обосновывается результатами МГД моделирования пересоединения в хвосте магнитосферы (Birn and Hesse, 1999; Birn et al., 2014) и моделирования инжекций плазмы с помощью самосогласованной модели Rice Convection Model (RCM-E) (Yang et al., 2012). В разделе 3.1 обсуждаются две конфигурации двухпетлевого токового клина. Одна из конфигураций представляет собой азимутальные петли типа R1 и R2, контура которых в магнитосфере замыкаются экваториальными токами, текущими с вечера на утро и, соответственно, с утра на вечер, а в ионосфере западным и восточным электроджетами (Sergeev et al., 2014а; Birn et al., 2014). Вторая конфигурация дополняет первую наличием петель, замыкающихся в меридиональной экваториальной плоскости, а также в вертикальной плоскости, пересекающей плазменный слой (Birn et al., 2014). Обосновывается выбор модели с двумя азимутальными петлями, замыкающимися азимутальными токами, как в ионосфере, так и в магнитосфере. В разделе 3.2 кратко описаны настройки модели SCW2L, необходимые для решения обратной задачи по данным спутниковых и наземных наблюдений: азимутальное положение токов R1 и R2, дополнительные параметры модели, описывающие характеристики петли типа R2 и включение эффектов индукционных токов в расчеты. В разделе 3.3 обсуждается выбор между проволочной моделью с концентрированными объемными токами и моделью с токами размытыми по азимуту, меридиану и в направлении вертикальной оси Z. На основе расчетов радиальных профилей ABz-компоненты магнитного поля в ближнем хвосте магнитосферы показано, что эффекты размытия токов SCW существенны только в непосредственной близости от этих токов. Для количественного описания амплитуд магнитных возмущений на поверхности Земли и в космосе, а также оценок величин деформаций геомагнитного поля, достаточно простейшей модели с филаментарными объемными токами. Раздел 3.4 посвящен тестированию двухпетлевой модели SCW2L на основе данных спутниковых и среднеширотных наземных наблюдений. Программно реализовано решение обратной задачи с использованием модели SCW2L и данных о вариациях Bz-компоненты магнитного поля, наблюдаемых радиальной цепочкой спутников THEMIS и GOES внутри азимутального сектора SCW (в области диполизации). В периоды двух слабых суббурь рассчитано положение экваториального тока петли R2 (RT2 ~ 8.6 и 9.6 Re), интенсивности продольных токов обеих петель (I1 ~ 0.29 и 0.11 MA, I2 ~ 0.09 и 0.05 МА) и их отношение (I2/I1 ~ 0.3 и 0.5). Отношение интенсивностей токов является важной характеристикой токовой системы суббури при интерпретации наземных возмущений, так как среднеширотные магнитные возмущения чувствительны к суммарному эффекту обеих петель (I1-I2), в то время как вариации магнитного поля на спутниках,

находящихся в области диполизации, контролируются преимущественно интенсивностью петли R1 (I1). В разделе 3.5 отбирались события разной интенсивности при разных магнитосферных конфигурациях хвоста. Исследовались те события, в которых радиально сопряженные спутники GOES и THEMIS в период с 2008 по 2010 год находились внутри долготного сектора SCW. Анализ наблюдаемых амплитуд ABz-компонент поля на этих спутниках показал следующее. (1) Наблюдаемые амплитуды диполизаций на расстояниях 6.6 Re и ~11 Re примерно в 1.5..5 раз больше модельных оценок, сделанных по данным наземных сетей. (Связано это с уменьшением горизонтальных наземных компонент поля на величину f = I1/(I1-I2), варьирующуюся от 1.5..5 со средним значением 2, под воздействием токовых петель R1 и R2 разных полярностей). (2) Экваториальное положение токов петли R2 зависит от интенсивности суббури (RT2 < 6.6 Re для сильных возмущений и RT2 > 6.6 Re для возмущений слабого и среднего уровня). (3) Двухпетлевая модель SCW2L разумно описывает величины магнитных вариаций, как на поверхности Земли, так и в космосе, в частности, успешно были предсказаны амплитуды градиентов магнитного поля вблизи экваториальной границы петли R2. (4) Величина отношения токов I1 и I2, полученная из соотношения амплитуд возмущений на поверхности Земли и в хвосте магнитосферы, варьируется от 0.2 до 0.6 (с медианным значением 0.4). В разделе 3.6 приведено обсуждение полученных результатов тестирования двухпетлевой модели SCW2L.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Николаев Александр Валерьевич, 2015 год

Литература

[1] Akasofu S.-I., S. Chapman, The ring current, Geomagnetic disturbance, and the Van Allen Radiation Belts. Journal of Geophysical Research 66, 1321 (1961).

[2] Akasofu S.-I., The development of the auroral substorm. Planetary and Space Science 12, 273 (1964).

[3] Akasofu, S.-I., Dynamic morphology of auroras, Space Sci. Rev., 4 (1965), pp. 498-540.

[4] Akasofu S.-I., Polar and Magnetosphere Substorms. Polar and Magnetosphere Substorms 11 (1968).

[5] Akasofu S.-I. (1976), Recent progress in studies of DMSP auroral photographs, Space Sci. Rev., 19, 169-215.

[6] Akasofu, S.-I.: Auroral Morphology: A Historical Account and Major Auroral Features During Auroral Substorms, in Auroral Phenomenology and Magnetospheric Processes: Earth And Other Planets, (eds A. Keiling, E. Donovan, F. Bagenal and T. Karlsson), American Geophysical Union, Washington, D. C.. doi: 10.1029/2011GM001156, 2013.

[7] Alexeev, I. I., V. V. Kalegaev, E. S. Belenkaya, S. Y. Bobrovnikov, Y. I. Feldstein, and L. I. Gromova, Dynamic model of the magnetosphere: Case study for January 9-12, 1997, J. Geophys. Res., 106, 25,683-25,694, doi:10.1029/2001JA900057, 2001.

[8] Amm, O., and R. Fujii (2008), Separation of Cowling channel and local closure currents in the vicinity of a substorm breakup spiral, J. Geophys. Res., 113, A06304, doi:10.1029/2008JA013021.

[9] Angelopoulos, V., Kennel, C. F., Coroniti, F. V., Pellat, R., Kivelson, M. G., Walker, R. J., Bumjohann, W., Paschmann, G., andLuhr, H.: Bursty bulk flows in the inner plasmasheet: An effective means of earthward transport in the magnetotail, in Proceedings of the First International Conference on Substorms (ICS-1), ESA Spec. Publ., ESA SP-335, 303, 1992.

[10] Angelopoulos, V.: The THEMIS mission, Space Sci. Rev., 141, 5-34, doi:10.1007/s11214-008-9336-1, 2008.

[11] Aubry, Michel P., C.T. Russell andM.G. Kivelson, Inward motion of the magnetopause before a substorm, J. Geophys. Res., 75, 7018-7031, 1970.

[12] Aubry, Michel P. and Robert L. McPherron, Magnetotail changes in relation to the solar wind magnetic field and magnetospheric substorms, J. Geophys. Res., 76, 4381-4401, 1971.

[13] Baumjohann, W. and Treuman RA (1996), Basic Space Plasma Physics, London: Imperial College Press.

[14] Baumjohann, W., M. Hesse, S. Kokubun, T. Mukai, T. Nagai, and A. A. Petrukovich (1999), Substorm dipolarization and recovery, J. Geophys. Res., 104(A11), 24995-25000, doi:10.1029/1999JA900282.

[15] Birkeland, K., 1908. The Norwegian Aurora Polaris Expedition 1902-1903, Aschehoug, Christiania, Norway, pp. 1-316.

[16] Birkeland, K., 1913. The Norwegian Aurora Polaris Expedition 1902-1903, Aschehoug, Christiania, Norway, pp. 317-801.

[17] Birn, J., M. F. Thomsen, J. E. Borovsky, G. D. Reeves, D. J. McComas, andR. D. Belian (1997), Characteristic plasma properties during dispersionless substorm injections at geosynchronous orbit, J. Geophys. Res., 102, 2309-2324, doi:10.1029/96JA02870.

[18] Birn, J., M. Hesse, G. Haerendel, W. Baumjohann, and K. Shiokawa, Flow braking and the substorm current wedge, J. Geophys. Res., 104, 19,895-19,903, 1999.

[19] Birn, J., L. Fletcher, M. Hesse, and T. Neukirch (2009), Energy release and transfer in solar flares: Simulations of three-dimensional reconnection, Asrophys. J., 695, 1151, doi:10.1088/0004-637X/695/2/1151.

[20] Birn, J., R. Nakamura, E. V. Panov, andM. Hesse (2011), Bursty bulk flows and dipolarization in MHD simulations of magnetotail reconnection, J. Geophys. Res., 116, A01210, doi:10.1029/2010JA016083.

[21] Birn, J., and Hesse, M. : The substorm current wedge in MHD simulations, J. Geophys. Res. Space Physics, 118, 3364-3376, doi:10.1002/jgra.50187, 2013.

[22] Birn, J., and Hesse, M.: The substorm current wedge: Further insights from MHD simulations, J. Geophys. Res., 119, 3503-3513, doi:10.1002/2014JA019863, 2014.

[23] Boakes, P. D., S. E. Milan, G. A. Abel, M. P. Freeman, G. Chisham, and B. Hubert (2011), A superposed epoch investigation of the relation between magnetospheric solar wind driving and substorm dynamics with geosynchronous particle injection signatures, J. Geophys. Res., 116, A01214, doi:10.1029/2010JA016007.

[24] Bostrom, R. (1964), A model of the auroral electrojets, J. Geophys. Res., 69(23), 4983-4999, doi:10.1029/JZ069i023p04983.

[25] Chapman, S. (1935), The electric current-systems of magnetic storms, Terr. Magn. Atmos. Electr., 40(4), 349-370, doi:10.1029/TE040i004p00349.

[26] Chapman, S., and J. Bartels, Geomagnetism, vol. 1, Clarendon Press, Oxford, 1962.

[27] Chu, X., Hsu, T.-S., McPherron, R L., Angelopoulos, V., Pu, Z., Weygand, J. J., Khurana, K., Connors, M., Kissinger, J., Zhang, H., and Amm, O. : Development and validation of inversion technique for substorm current wedge using ground magnetic field data, J. Geophys. Res. Space Physics, 119, 1909-1924, doi:10.1002/2013JA019185, 2014.

[28] Chu, X., R. L. McPherron, T.-S. Hsu, V. Angelopoulos, Z. Pu, Z. Yao, H. Zhang, and M. Connors (2015), Magnetic mapping effects of substorm currents leading to auroral poleward expansion and equatorward retreat, J. Geophys. Res. Space Physics, 120, doi:10.1002/2014JA020596.

[29] Cowley, S. W. H. (2000) Magnetosphere-Ionosphere Interactions: A Tutorial Review, in Magnetospheric Current Systems (eds S.-I. Ohtani, R. Fujii, M. Hesse and R. L. Lysak), American Geophysical Union, Washington, D. C.. doi: 10.1029/GM118p0091.

[30] Coroniti, Frederick V. and Charles F. Kennel, Changes in magnetospheric configuration during substorm growth phase, J. Geophys. Res., 77, 3361- 3370, 1972.

[31] Craven, J. D., andL. A. Frank., Diagnosis of auroral dynamics using global auroral imaging with emphasis on large-scale evolutions, in Auroral Physics, edited by C.-I. Meng, M. J. Rycroft and L. A. Frank, Cambridge University Press, New York, 273-288,1991.

[32] Donovan, E. F. : Modeling the magnetic effects of field-aligned currents, J. Geophys. Res., 98(A8), 13529-13543, doi:10.1029/93JA00603, 1993.

[33] Dubyagin, S., V. Sergeev, S. Apatenkov, V. Angelopoulos, R Nakamura, J. McFadden, D. Larson, and J. Bonnell (2010), Pressure and entropy changes in the flow-braking region during magnetic field dipolarization, J. Geophys. Res., 115, A10225, doi:10.1029/2010JA015625.

[34] Dubyagin, S., V. Sergeev, S. Apatenkov, V. Angelopoulos, A. Runov, R. Nakamura, W. Baumjohann, J. McFadden, and D. Larson (2011), Can flow bursts penetrate into the inner magnetosphere? Geophys. Res. Lett., 38, L08102, doi:10.1029/2011GL047016.

[35] Elphinstone, R. D., Murphee, J. S., and Cogger, L. L. (1996), What is a global auroral substorm? Rev. Geophys., 34, 169.

[36] Gelpi, C., W. J. Hughes, H. J. Singer, and M. Lester (1985), Mid-latitude Pi 2 polarization pattern and synchronous orbit magnetic activity, J. Geophys. Res., 90(A7), 6451-6458, doi:10.1029/JA090iA07p06451.

[37] Gelpi, C., H. J. Singer, and W. J. Hughes (1987), A comparison of magnetic signatures and DMSP auroral images at substorm onset: Three case studies, J. Geophys. Res., 92(A3), 24472460, doi:10.1029/JA092iA03p02447.

[38] Gizler, V.A., B.M. Kuznetsov, V.A. Sergeev, O.A. Troshichev, The sources of the polar cap and low latitude bay-like disturbances during substorms, Planetary and Space Science, Volume 24, Issue 12, December 1976, pp. 1133-1139.

[39] Grigorenko, E. E., J.-A. Sauvaud, L. Palin, C. Jacquey, and L. M. Zelenyi (2014), THEMIS observations of the current sheet dynamics in response to the intrusion of the high-velocity plasma flow into the near-Earth magnetotail, J. Geophys. Res. Space Physics, 119, 6553-6568, doi:10.1002/2013JA019729.

[40] Henderson, M. G., G. D. Reeves, and J. S.Murphree, Are north-south aligned auroral structures an ionospheric manifestation of bursty bulk flows?, Geophys. Res. Lett., 25, 3737-3740, 1998.

[41] Henderson, M. G. (2012), Auroral substorms, poleward boundary activations, auroral streamers, omega bands, and onset precursor activity, in Auroral Phenomenology and Magnetospheric Processes: Earth and other planets, edited by A. Keiling, E. Donovan, E. Bagenal, and T. Karlsson, Geophys. Monogr., vol. 197, pp. 39-54, AGU, Washington D. C.

[42] Henderson, M. G.: Auroral Substorms, Poleward Boundary Activations, Auroral Streamers, Omega Bands, and Onset Precursor Activity, in Auroral Phenomenology and Magnetospheric Processes: Earth And Other Planets (eds A. Keiling, E. Donovan, F. Bagenal and T. Karlsson), American Geophysical Union, Washington D. C.. doi: 10.1029/2011 GM001165, 2013.

[43] Horning, B., McPherron, R., and Jackson, D.: Application of linear inverse theory to a line current model of substorm current systems, J. Geophys. Res., 79(34), 5202-5210, 1974.

[44] Iijima, T., T. A. Potemra, andL. J. Zanetti (1990), Large-scale characteristics of magnetospheric equatorial currents, J. Geophys. Res., 95(A2), 991-999, doi:10.1029/JA095iA02p00991.

[45] Jacquery, C., J. A. Sauvaud, and J. Dandouras (1991), Location and propagation of the magnetotail current disruption during substorm expansion: Analysis and simulation of an ISSE multi-onset event, Geophys. Res. Lett., 18(3), 389-392.

[46] Kamide, Y., M. Kanamitsu, and S.-I. Akasofu (1976), A new method of mapping worldwide potential contours for ground magnetic perturbations: Equivalent ionospheric current representation, J. Geophys. Res., 81(22), 3810-3820, doi:10.1029/JA081i022p03810.

[47] Kamide, Y., and Baumjohann, Magnetosphere-ionosphere coupling, Springer-Verlag, 1993.

[48] Kaufmann, R. L., and Larson, D. J. : Electric field mapping and auroral Birkeland currents, J. Geophys. Res., 9, 15307, 1989.

[49] Keiling, A., Shiokawa, K., Uritsky, V., Sergeev, V., Zesta, E., Kepko, L. and 0stgaard, N.: Auroral Signatures of the Dynamic Plasma Sheet, in Auroral Phenomenology and Magnetospheric Processes: Earth And Other Planets (eds A. Keiling, E. Donovan, F. Bagenal and T. Karlsson), American Geophysical Union, Washington, D. C.. doi: 10.1029/2012GM001231, 2012.

[50] Kokubun, S., and R. L. McPherron, Substorm signatures at synchronous altitude, J. Geophys. Res., 86,11,265 , 1981.

[51] Kotikov, A. L., U. O. Latov and O. A. Troshichev, Structure of auroral electrojets by the data from a meridional chain of magnetic stations, Geophysica, 23, pp. 143-154, 1987.

[52] Kubyshkina, M. V., Sergeev, V. S., Tsyganenko, N. A., Angelopoulos, V., Runov, A., Donovan, E., Singer, H., Auster, U., and Baumjohann, W. : Time-dependent magnetospheric configuration and

breakup mapping during a substorm, J. Geophys. Res., 116, A00I27, doi:10.1029/2010JA015882, 2011.

[53] Lemon, C., F. R. Toffoletto, M. Hesse, and J. Birn (2003), Computing magnetospheric force equilibria, J. Geophys. Res., 108(A6), 1237, doi:10.1029/2002JA009702.

[54] Lopez, R. E., and Lui, A. T. Y. (1990), A multi-satellite study of the expansion of a substorm current wedge in the near-earth magnetotail, J. Geophys. Res. 85(A6), 8009-8017.

[55] Liu, J., V. Angelopoulos, A. Runov, andX.-Z. Zhou (2013), On the current sheets surrounding dipolarizing flux bundles in the magnetotail: The case for wedgelets, J. Geophys. Res. Space Physics, 118, 2000-2020, doi: 10.1002/jgra.50092.

[56] Lui, A. T. Y., and Y. Kamide (2003), A fresh perspective of the substorm current system and its dynamo, Geophys. Res. Lett., 30, 1958, doi:10.1029/2003GL017835, 18.

[57] Lyons, L. R., T. Nagai, G. T. Blanchard, J. C. Samson, T. Yamamoto, T. Mukai, A. Nishida, and S. Kokubun (1999), Association between Geotail plasma flows and auroral poleward boundary intensifications observed by CANOPUS photometers, J. Geophys. Res., 104(A3), 4485-4500, doi:10.1029/1998JA900140.

[58] Lyons, L. R., Nishimura, Y., Xing, X., Shi, Y., Gkioulidou, M., Wang, C.-P., Kim, H.-J., Zou, S., Angelopoulos, V., and Donovan, E.: Auroral Disturbances as a Manifestation of Interplay Between Large-Scale and Mesoscale Structure of Magnetosphere-Ionosphere Electrodynamical Coupling, in Auroral Phenomenology and Magnetospheric Processes: Earth And Other Planets (eds A. Keiling, E. Donovan, F. Bagenal and T. Karlsson), American Geophysical Union, Washington, D. C.. doi: 10.1029/2011GM001152, 2013.

[59] Mareschal, M. S. and J. L. Kisabeth, Simulating the Earth's induction effects on substorm data recorded at midlatitude stations: the three-dimensional problem, J. Geomag. Geoelectr., 29,. Pp. 81-104, 1977.

[60] McPherron, R. L., C. T. Russell, andM. P. Aubry (1973a), Satellite studies of magnetospheric substorms on August 15, 1968: 9. Phenomenological model for substorms, J. Geophys. Res., 78(16), 3131-3149, doi:10.1029/JA078i016p03131.

[61] McPherron, R. L., C. T. Russell, M. G. Kivelson, and P. J. Coleman Jr. (1973b), Substorms in space: The correlation between ground and satellite observations of the magnetic field, Radio Sci., 8(11), 1059-1076, doi:10.1029/RS008i011p01059.

[62] McPherron, R. L., and J. N. Barfield (1980), A seasonal change in the effect of field-aligned currents at synchronous orbit, J. Geophys. Res., 85(A12), 6743-6746, doi:10.1029/JA085iA12p06743.

[63] Miyashita, Y., et al. (2009), A state-of-the-art picture of substorm-associated evolution of the near-Earth magnetotail obtained from superposed epoch analysis, J. Geophys. Res., 114, A01211, doi:10.1029/2008JA013225.

[64] Nagai, T. (1982), Observed magnetic substorm signatures at synchronous altitude, J. Geophys. Res., 87(A6), 4405-4417, doi:10.1029/JA087iA06p04405.

[65] Nagai, T., M. Fujimoto, R. Nakamura, Y. Saito, T. Mukai, T. Yamamoto, A. Nishida, S. Kokubun,

G. D. Reeves, andR. P. Lepping (1998), Geotail observations of a fast tailward flow at X GSM = -15 RE , J. Geophys. Res., 103(A10), 23543-23550, doi:10.1029/98JA02246.

[66] Nakamura, R., Oguti, T., Yamamoto, T., and Kokubun, S.: Equatorward and poleward expansion of the auroras during auroral substorms, J. Geophys. Res., 98(A4), 5743-5759, 1993.

[67] Nakamura, R., W. Baumjohann, R. Schödel, M. Brittnacher, V. A. Sergeev, M. Kubyshkina, T. Mukai, and K. Liou (2001), Earthward flow bursts, auroral streamers, and small expansions, J. Geophys. Res., 106(A6), 10791-10802, doi:10.1029/2000JA000306.

[68] Nakamura, R, Baumjohann, W., Mouikis, C., Kistler, L.M., Runov, A., Volwerk, M., Asano, Y., Vörös, Z., Zhang, T.L., Klecker, B., Rème, H. andBalogh, A. (2004). Spatial scale of high-speed flows in the plasma sheet observed by Cluster. Geophysical Research Letters 31: doi: 10.1029/2004GL019558. issn: 0094-8276.

[69] Nikolaev, A. V., Sergeev, V. A., Tsyganenko, N. A., Kubyshkina, M. V., Opgenoorth, H., Singer,

H., and Angelopoulos, V.: A quantitative study of magnetospheric magnetic field line deformation by a two-loop substorm current wedge, Ann. Geophys., 33, 505-517, doi:10.5194/angeo-33-505-2015, 2015.

[70] Nishida, A (1971), DP2 and Polar Substorm, Planet Space Sci. 19, 205.

[71] Nishimura, Y., Lyons, L., Zou, S., Angelopoulos, V., andMende, S.: Substorm triggering by new plasma intrusion: THEMIS all-sky imager observations, J. Geophys. Res., 115, A07222, doi:10.1029/2009JA015166, 2010.

[72] Ohtani, S., Takahashi, K., Zanetti, L. J., Potemra, T. A., McEntire, R W. and Iijima, T. (1991) Tail Current Disruption in the Geosynchronous Region, in Magnetospheric Substorms (eds J. R. Kan, T. A. Potemra, S. Kokubun and T. Iijima), American Geophysical Union, Washington, D. C.. doi: 10.1029/GM064p0131.

[73] Ohtani, S., S. Kokubun, and C. T. Russell (1992), Radial expansion of the tail current disruption during substorms: A new approach to the substorm onset region, J. Geophys. Res., 97(A3), 3129-3136, doi:10.1029/91JA02470.

[74] Ohtani, S.-I. (1998), Earthward expansion of tail current disruption: Dual-satellite study, J. Geophys. Res., 103, 6815-6825. Olson, J. V. (1999), Pi2 pulsations and substorm onsets: A review, J. Geophys. Res., 104(A8), 17499-17520, doi:10.1029/1999JA900086.

[75] Opgenoorth, H.J., and R.J. Pellinen, The reaction of the global convection electrojets to the onset and expansion of the substorm current wedge, Proceedings of ICS-4, edited by S. Kokburn, and Y. Kamide, pp. 663-668, Terra Sci. Pub. Co. / Kluwer Academic Pub., 1998.

[76] Petrukovich A. A., T. Mukai, S. Kokubun, S. A. Romanov, Y. Saito, T. Yamamoto, L. M. Zelenyi, Substorm-associated pressure variations in the magnetotail plasma sheet and lobe, J. Geophys. Res, 104, A3, 4501-4513,1999.

[77] Petrukovich, A. A., W. Baumjohann, R. Nakamura, andH. Reme (2009), Tailward and earthward flow onsets observed by Cluster in a thin current sheet, J. Geophys. Res., 114, A09203, doi:10.1029/2009JA014064.

[78] Ritter, P., and H. Lühr (2008), Near-Earth magnetic signature of magnetospheric substorms and an improved substorm current model, Ann. Geophys., 26, 2781-2793, doi:10.5194/angeo-26-2781-2008.

[79] Runov, A., V. Angelopoulos, M. I. Sitnov, V. A. Sergeev, J. Bonnell, J. P. McFadden, D. Larson, K.-H. Glassmeier, and U. Auster (2009), THEMIS observations of an earthward-propagating dipolarization front, Geophys. Res. Lett., 36, L14106, doi:10.1029/2009GL038980.

[80] Runov, A., V. Angelopoulos, X.-Z. Zhou, X.-J. Zhang, S. Li, F. Plaschke, and J. Bonnell (2011), A THEMIS multicase study of dipolarization fronts in the magnetotail plasma sheet, J. Geophys. Res., 116, A05216, doi:10.1029/2010JA016316.

[81] Roux, A., Perraut, S., Robert, P., Morane, A., Pedersen, A., Korth, A., Kremser, G., Aparicio, B., Rodgers, D., and Pellinen, R.: Plasma sheet instability related to the westward traveling surge, J. Geophys. Res., 96, 17697-17714, doi:10.1029/91JA01106, 1991.

[82] Sergeev, V. A., L. I. Vagina, R. D. Elphinstone, J. S. Murphee, D. J. Hearn, M. L. Johnson (1996), Comparison of UV optical signatures with the substorm current wedge predicted by an inversion algorithm, J. Geophys. Res., 101, P. 2615-2627.

[83] Sergeev, V. A., Liou, K., Newell, P. T., Ohtani, S.-I., Hairston, M. R., and Rich, F. : Auroral streamers: characteristics of associated precipitation,convection and field-aligned currents, Ann. Geophys., 22, 537-548, doi:10.5194/angeo-22-537-2004, 2004.

[84] Sergeev, V. A., N. A. Tsyganenko, M. V. Smirnov, A. V. Nikolaev, H. J. Singer, and W. Baumjohann (2011a), Magnetic effects of the substorm current wedge in a "spread-out wire" model and their comparison with ground, geosynchronous, and tail lobe data, J. Geophys. Res., 116, A07218, doi:10.1029/2011JA016471.

[85] Sergeev, V., V. Angelopoulos, M. Kubyshkina, E. Donovan, X. Zhou, A. Runov, H. Singer, J. McFadden, and R. Nakamura (2011b), Substorm growth and expansion onset as observed with ideal groundspacecraft THEMIS coverage, J. Geophys. Res., 116, A00I26, doi:10.1029/2010JA015689.

[86] Sergeev, V. A., V. Angelopoulos, and RNakamura (2012), Recent advances in understanding substorm dynamics, Geophys. Res. Lett., 39, L05101, doi:10.1029/2012GL050859.

[87] Sergeev, V. A., A. V. Nikolaev, N. A. Tsyganenko, V. Angelopoulos, A. V. Runov, H. J. Singer, and J. Yang (2014а), Testing a two-loop pattern of the substorm current wedge (SCW2L), J. Geophys. Res. Space Physics, 119, 947-963, doi:10.1002/2013JA019629.

[88] Sergeev, V. A., A. V. Nikolaev, M. V. Kubyshkina, N. A. Tsyganenko, H. J. Singer, J. V. Rodriguez, V. Angelopoulos, R. Nakamura, S. E. Milan, J. C. Coxon, B. J. Anderson and H. Korth (2014b), Event study combining magnetospheric and ionospheric perspectives of the substorm current wedge modeling, J. Geophys. Res. Space Physics, 119, pages 9714-9728. doi:10.1002/2014JA020522.

[89] Shukhtina, M. A., N. P. Dmitrieva, and V.A. Sergeev (2004), Quantitative magnetotail characteristics of different magnetospheric states, Ann. Geophys., 22, 1019-1032.

[90] Singer, H. J., W. J. Hughes, C. Gelpi, and B. G. Ledley (1985), Magnetic disturbances in the vicinity of synchronous orbit and the substorm current wedge: A case study, J. Geophys. Res., 90(A10), 9583-9589, doi:10.1029/JA090iA10p09583.

[91] Toffoletto, F. R., R. W. Spiro, R. A. Wolf, J. Birn, andM. Hesse (2000), Computer experiments on substorm growth and expansion, in Proceedings of the 5th International Conference on Substorms, ESA SP-443, edited by A. Wilson, pp. 351-355, Eur. Space Agency, Paris.

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

[93] Tsyganenko, N. A. (1989), A magnetospheric magnetic field model with warped tail current sheet, Planet. Space Sci., 37, 5-20.

[94] Tsyganenko, N. A., Modeling the Earth's magnetospheric magnetic field confined within a realistic magnetopause, J. Geophys. Res., 100, 5599-5612, 1995.

[95] Tsyganenko, N. A., and D. P. Stern, Modeling the global magnetic field of the large-scale Birkeland current systems, J. Geophys. Res., 101, 27187-27198, 1996.

[96] Tsyganenko, N.A.: An empirical model of the substorm current wedge, J. Geophys. Res., 102, 19935-19941, 1997.

[97] Tsyganenko N. A., and M. I. Sitnov, Modeling the dynamics of the inner magnetosphere during strong geomagnetic storms, J. Geophys.Res., 110, A3, 10.1029/2004JA010798, 2005.

[98] Vagina L. I., V. A. Sergeev, D. N. Baker and H. J. Singer, Use of midlatitude magnetic data for modeling and diagnostics of magnetospheric substorms, Adv. Space Res., 18, 8229-8232, 1996.

[99] Vagina L. I., V. A. Sergeev, A. L. Kotikov and E. M. Shishkina, On the relationship of the parameters of the substorm current system with the westward electrojet parameters, Adv. Space Res., 20, 477-480, 1997.

[100] Vasilyev, E. P., V. A. Sergeev, and M. V. Malkov (1986), Three-dimensional effects of the Birkeland current loop, Geomagn. Aeron., 26, 114-118.

[101] Vasiliunas, V. M., Mathematical models of magnetospheric convection and its coupling to the ionosphere, In: B. M. McCormac (ed.): Particles and fields in the Magnetosphere, vol. 17 of ASSL. P. 60.

[102] Waters, C. L., Anderson, B. J., andLiou, K.: Estimation of global field aligned currents using the Iridium system magnetometer data, Geophys. Res. Lett., 28, 2165-2168, doi:10.1029/2000GL012725, 2001.

[103] Wolf, R. A., V. Kumar, F. R. Toffoletto, G. M. Erickson, A. M. Savoie, C. X. Chen, and C. L. Lemon (2006), Estimating local plasma sheet PV5/3 from single-spacecraft measurements, J. Geophys. Res., 111, A12218, doi:10.1029/2006JA012010.

[104] Yahnin A.G., Despirak I.V., Lubchich A.A., Kozelov B.V., Dmitrieva N.P., Shukhtina M.A., Biernat H.K., Indirect mapping of the source of the oppositely directed fast plasma flows in the plasma sheet onto the auroral display Annales Geophysicae, v. 24, pp.679-687, 2006a.

[105] Yahnin, A. G., Despirak, I. V., Lubchich, A. A., Kozelov, B. V., Dmitrieva, N. P., Shukhtina, M. A., and Biernat, H. K., Relationship between substorm auroras and processes in the near-Earth magnetotail, Space Sci. Rev., 122, 97-106, doi:10.1007/s11214-006-5884-4, 2006b.

[106] Yang, J., F. R. Toffoletto, R. A. Wolf and S. Sazykin (2011), RCM-E simulation of ion acceleration during an idealized plasma sheet bubble injection, J. Geophys. Res., 116, A05207, doi:10.1029/2010JA016346.

[107] Yang, J., Toffoletto, F.R., Wolf R.A., Sazykin, S., Ontiveros, P.A. and Weygand, J.M. (2012). Large-scale current systems and ground magnetic disturbance during deep substorm injections, Journal of Geophysical Research, vol. 117. 10.1029/2011JA017415.

[108] Zhang, J.-C., R. A. Wolf, S. Sazykin, andF. R. Toffoletto (2008), Injection of a bubble into the inner magnetosphere, Geophys. Res. Lett., 35, L02110, doi:10.1029/2007GL032048.

[109] Zhang, J.-C., R. A. Wolf, R. W. Spiro, G. M. Erickson, S. Sazykin, F. R. Toffoletto, and J. Yang (2009), Rice Convection Model simulation of the substorm associated injection of an observed plasma bubble into the inner magnetosphere: 2. Simulation results, J. Geophys. Res., 114, A08219, doi:10.1029/2009JA014131.

[110] Бахмина, К. Ю., В. В. Калегаев, Моделирование эффекта частично кольцевого тока в возмущенной магнитосфере, Геомагнетизм и Аэрономия, т. 48, №6, с. 770-779, 2008.

[111] Козелов, Б. В., Т. В. Козелова, Динамика областей неадиабатического движения частиц в ближней магнитосфере во время суббури, Геомагнетизм и аэрономия, т. 43, №4, с. 523532, 2003.

[112] СергеевВ.А., ЦыганенкоН.А., Магнитосфера Земли, Наука, М., 1980.