Irkutsk, Irkutsk region, Russian Federation
Irkutsk, Russian Federation
Irkutsk, Russian Federation
This paper deals with Pc5 magnetospheric pulsations featuring positive azimuthal wave numbers registered with the mid-latitude coherent decameter radar located near Ekaterinburg (EKB). The azimuthal wave numbers are determined using adjacent high time resolution beams directed toward the magnetic pole. Approximately 13 % of all steady waves registered with the radar propagate eastward. We have examined ten cases of wave observations with both small and high positive wave numbers, which occurred between April 2014 and March 2015. We performed a wavelet analysis of the data sets, estimated wavelength in radial direction for four cases, and determined meridional phase propagation direction. In three cases, the results are consistent with field line resonance behavior. However, in the majority of the studied events wave frequencies are considerably lower than those of field line resonance, which were derived from satellite data on magnetic field and particle density. These waves may be classed with the drift-compressional mode.
ULF waves, radar, magnetosphere
ВВЕДЕНИЕ
Важным параметром УНЧ-волны в магнитосфере, определяющим ее свойства и характер резонансного взаимодействия с заряженными энергичными частицами, является азимутальное волновое число m. Оно представляет собой количество длин волн, которое укладывается в кольцевую траекторию распространения волны вокруг Земли в азимутальном направлении. Азимутальное волновое число определяет энергию вступающих в дрейфовый резонанс с волной частиц. Считается, что волны с внешними и внутренними по отношению к магнитосфере источниками имеют азимутальные волновые числа разного порядка. Так, волны с малыми m, имеющие обычно преимущественно тороидальную поляризацию, связывают с быстрым магнитным звуком, распространяющимся от магнитопаузы или из солнечного ветра внутрь магнитосферы и возбуждающим альфвеновские волны на тех магнитных оболочках, частоты собственных колебаний которых совпадают с его частотой [Chen, Hasegawa, 1974; Southwood, 1974]. Источником волн с большими азимутальными волновыми числами (обычно 20) являются внутримагнитосферные процессы. Эти волны часто идентифицируют как полоидальные альфвеновские моды, хотя разделение по поляризации на тороидальные и полоидальные волны довольно условно, поскольку компоненты колебаний бывают соизмеримы, кроме того, волны могут претерпевать трансформацию из полоидальных в тороидальные [Klimushkin et al., 2004].
Существует несколько способов определения азимутального волнового числа по наземным и спутниковым данным [Zong et al., 2017]. Наиболее прямой из них — определение разности фаз волны между двумя (или более) разнесенными по долготе точками измерения:
(1)
где Δφ — разность между фазами волны в точках измерений, а Δλ — разность их долгот. Положительные значения m соответствуют распространению волны на восток, а отрицательные — на запад. Точки измерений могут находиться как в магнитосфере, на спутниках, так и на поверхности Земли. Но из-за экранирования ионосферой волн с большими азимутальными волновыми числами их практически невозможно регистрировать с помощью наземных магнитометров. Однако возможны наблюдения таких волн с помощью радаров [Yeoman et al., 2012], которые являются удобными инструментами для изучения пространственной структуры колебаний в магнитосфере.
В экспериментах обычно наблюдаются волны с большими m, распространяющиеся на запад (m<0). Такие волны могут эффективно взаимодействовать с высокоэнергичными протонами, скорость дрейфа которых также направлена к западу [Zong et al., 2017]. Волны с m>0, распространяющиеся на восток, наблюдаются сравнительно редко [Eriksson et al., 2006; Le et al., 2011]. Эти волны могут эффективно взаимодействовать с электронами, скорость дрейфа которых направлена на восток, как и фазовая скорость волн с m>0. Энергичные электроны могут генерировать волны с m>0 благодаря дрейфовому резонансу. Действительно, как показано в работах [James et al., 2013; Hori et al., 2018], волны с положительными m наблюдаются к востоку от суббуревых инжекций, что говорит о том, что они генерировались энергичными электронами, инжектированными во время суббурь. Природа азимутально-мелкомасштабных волн с восточным распространением не ясна. В большинстве случаев их связывают с альфвеновскими волнами, однако Костарев и Магер [2017] показали, что в направлении дрейфа электронов могут распространяться также дрейфово-компрессионные волны в диапазоне Pc5. В работе [Takahashi et al., 1987] высказано предположение о том, что волны, с точки зрения неподвижного наблюдателя распространяющиеся на восток за пределами геостационарной орбиты, распространяются к западу относительно облака протонов, дрейфующего на восток под действием электрического поля со скоростью большей, чем фазовая скорость волны.
Что касается волн с малыми азимутальными волновыми числами, то, поскольку их источники находятся в солнечном ветре либо связаны с его взаимодействием с магнитосферой, они преимущественно распространяются в направлении от подсолнечной точки [Мазур, Чуйко, 2011; Mazur, Chuiko, 2013].
В работе рассмотрен ряд наблюдений магнитосферных волн с положительными азимутальными волновыми числами. Использован среднеширотный когерентный радар, расположенный под Екатеринбургом. Колебания наблюдались в течение 2014 г. и трех месяцев 2015 г. Рассмотрено направление их распространения и особенности поляризации. Частично эти данные использовались в работе [Chelpanov et al., 2018], в которой проведено сравнение частот наблюдаемых с помощью радара волн с частотами альфвеновской моды. Эти результаты также учитываются при анализе в данном исследовании.
1. Anderson B.J., Engebretson M.J., Rounds S.P., Zanetti L.J., Potemra T.A. A statistical study of Pc 3-5 pulsations observed by the AMPTE/CCE Magnetic Fields Experiment. 1. Occurrence distributions. J. Geophys. Res. 1990, vol. 95, iss. A7, pp. 10495-10523. DOI:https://doi.org/10.1029/JA095iA07p10495.
2. Baddeley L.J., Lorentzen D.A., Partamies N., Denig W., Pilipenko V.A., Oksavik K., Chen X., Zhang Y. Equatorward propagating auroral arcs driven by ULF wave activity: Multipoint ground and space based observations in the dusk sector auroral oval. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2017, vol. 122, iss. 5, pp. 5591-5605. DOI:https://doi.org/10.1002/2016JA023427.
3. Berngardt O.I., Kutelev K.A., Kurkin V.I., Grkovich K.V., Yampolsky Y.M., Kashcheyev A.S., Kashcheyev S.B., Galushko V.G., Grigorieva S.A., Kusonsky O.A. Bistatic sounding of high-latitude ionospheric irregularities using a decameter EKB radar and an UTR-2 radio telescope: first results. Radiophysics and Quantum Electronics. 2015, vol. 58, iss. 6, pp. 390-408. DOI:https://doi.org/10.1007/s11141-015-9614-1.
4. Chelpanov M.A., Mager P.N., Klimushkin D.Yu., Berngardt O.I., Mager O.V. Experimental evidence of drift compressional waves in the magnetosphere: an Ekaterinburg coherent decameter radar case study. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2016, vol. 121, pp. 1315-1326. DOI:https://doi.org/10.1002/2015 JA022155.
5. Chelpanov M.A., Mager O.V., Mager P.N., Klimushkin D.Yu., Berngardt O.I. Properties of frequency distribution of Pc5-range pulsations observed with the Ekaterinburg decameter radar in the nightside ionosphere. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2018, vol. 167, pp. 177-183. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp.2017.12.002.
6. Chen L., Hasegawa A. A theory of long-period magnetic pulsations: 1. Steady state excitation of field line resonance. J. Geophys. Res. 1974, vol. 79, iss. 7, pp. 1024-1032. DOI:https://doi.org/10.1029/JA079 i007p01024.
7. Eriksson P.T.I., Blomberg L.G., Glassmeier K.-H. Cluster satellite observations of mHz pulsations in the dayside magnetosphere. Adv. Space Res. 2006, vol. 38, pp. 1730-1737. DOI:https://doi.org/10.1016/j.asr.2005.04.103.
8. Glassmeier K.-H., Buchert S., Motschmann U., Korth A., Pedersen A. Concerning the generation of geomagnetic giant pulsations by drift-bounce resonance ring current instabilities. Ann. Geophys. 1999, vol. 17, pp. 338-350. DOI:https://doi.org/10.1007/s005 85-999-0338-4.
9. Hori T., Nishitani N., Shepherd S.G., Ruohoniemi J.M., Connors M., Teramoto M., et al. Substorm-associated ionospheric flow fluctuations during the 27 March 2017 magnetic storm: SuperDARN-Arase conjunction. Geophys. Res. Lett. 2018, vol. 45, iss. 18, pp. 9441-9449. DOI:https://doi.org/10.1029/2018GL079777.
10. James M.K., Yeoman T.K., Mager P.N., Klimushkin D.Y. The spatio-temporal characteristics of ULF waves driven by substorm injected particles. J. Geophys. Res. Space Phys. 2013, vol. 118, pp. 1737-1749. DOI:https://doi.org/10.1002/jgra.50131.
11. Le G., Chi P.J., Strangeway R.J., Slavin J.A. Observations of a unique type of ULF wave by low-altitude Space Technology 5 satellites. J. Geophys. Res. 2011, vol. 116, A08203. DOI:https://doi.org/10.1029/2011JA016574.
12. Klimushkin D.Yu., Mager P.N., Glassmeier K.-H. Toroidal and poloidal Alfven waves with arbitrary azimuthal wave numbers in a finite pressure plasma in the Earth’s magnetosphere. Ann. Geophys. 2004, vol. 22, iss. 1, pp. 267-288. DOI:https://doi.org/10.5194/angeo-22-267-2004.
13. Kostarev D.V., Mager P.N. Drift-compression waves propagating in the direction of energetic electron drift in the magnetosphere. Solar-Terr. Phys. 2017, vol. 3, iss. 3, pp. 18-27. DOI:https://doi.org/10.12737/stp-33201703.
14. Leonovich A., Mazur V., Kozlov D. MHD-waves in the geomagnetic tail: A review. Solnechno-Zemnaya Fizika [Solar-Terrestrial Physics], 2015, vol. 1, pp. 4-22. (In Russian). DOI:https://doi.org/10.12737/7168.
15. Mager P.N., Klimushkin D.Yu. Generation of Alfvén waves by a plasma inhomogeneity moving in the Earth’s magnetosphere. Plasma Physics Reports. 2007, vol. 33, no. 5, pp. 391-398. DOI:https://doi.org/10.1134/S1063780X07050042.
16. Mager P.N., Klimushkin D.Yu., Ivchenko N. On the equatorward phase propagation of high-m ULF pulsations observed by radars. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2009, vol. 71, iss. 16, pp. 1677-1680. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp.2008.09.001.
17. Mathews J.T., Mann I.R., Rae I.J., Moen J. Multi-instrument observations of ULF wave-driven discrete auroral arcs propagating sunward and equatorward from the poleward boundary of the duskside auroral oval. Phys. Plasmas. 2004, vol. 11, pp. 1250-1259. DOI:https://doi.org/10.1063/1.1647137.
18. Mazur V.A., Chuiko D.A. Excitation of the magnetospheric MHD resonator by Celvin-Helmholtz instability. Plasma Physics Rep. 2011, vol. 37, no. 11, p. 979.
19. Mazur V.A., Chuiko D.A. Kelvin-Helmholtz instability on the magnetopause, magnetohydrodynamic waveguide in the outer magnetosphere, and Alfvén resonance deep in the magnetosphere. Plasma Physics Rep. 2013, vol. 39, no. 6, pp. 488-503. DOI:https://doi.org/10.1134/S1063780X13060068.
20. Mazur V.A., Chuiko D.A. Energy flux in 2-D MHD waveguide in the outer magnetosphere. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2017, vol. 122, pp. 1946-1959. DOI: 10.1002/ 2016JA023632.
21. Rae I.J., Murphy K.R., Watt C.E.J., Rostoker G., Rankin R., Mann I.R., Hodgson C.R., Frey H.U., Degeling A.W., Forsyth C. Field line resonances as a trigger and a tracer for substorm onset. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2014, vol. 119, pp. 5343-5363. DOI:https://doi.org/10.1002/2013JA018889.
22. Southwood D.J. Some features of field line resonances in the magnetosphere. Planet. Space Sci. 1974, vol. 22, iss. 3, pp. 483-491. DOI:https://doi.org/10.1016/0032-0633(74)90078-6.
23. Takahashi K., Lopez R.E., McEntire R.W., Zanetti L.J., Kistler L.M., Ipavich F.M. An eastward propagating compressional Pc5 wave observed by AMPTE/CCE in the postmidnight sector. J. Geophys. Res. 1987, vol. 92, iss. A12, pp. 13472-13484. DOI:https://doi.org/10.1029/JA092iA12p13472.
24. Tian M., Yeoman T., Lester M., Jones T. Statistics of Pc5 pulsation events observed by SABRE. Planet. Space Sci. 1991, vol. 39, iss. 9, pp. 1239-1247. DOI:https://doi.org/10.1016/0032-0633(91)90037-B.
25. Yeoman T., Tian M., Lester M., Jones T. A study of Pc5 hydromagnetic waves with equatorward phase propagation. Planet. Space Sci. 1992, vol. 40, iss. 6, pp. 797-810. DOI:https://doi.org/10.1016/0032-0633(92)90108-Z.
26. Yeoman T.K., Wright D.M., Chapman P.J., Stockton-Chalk A.B. High-latitude observations of ULF waves with large azimuthal wavenumbers. J. Geophys. Res. 2000, vol. 105, iss. A3, pp. 5453-5462. DOI:https://doi.org/10.1029/1999JA005081.
27. Yeoman T.K., James M., Mager P.N., Klimushkin D.Y. SuperDARN observations of high-m ULF waves with curved phase fronts and their interpretation in terms of transverse resonator theory. J. Geophys. Res. 2012, vol. 117, A06231. DOI:https://doi.org/10.1029/2012JA017668.
28. Walker A.D.M., Greenwald R.A., Stuart W.F., Green C.A. STARE auroral radar observations of Pc5 geomagnetic pulsations. J. Geophys. Res. 1979, vol. 84, iss. A7, pp. 3373-3388. DOI:https://doi.org/10.1029/JA084iA07p03373.
29. Zolotukhina N.A., Mager P.N., Klimushkin D.Yu. Pc5 waves generated by substorm injection: a case study. Ann. Geophys. 2008, vol. 26, pp. 2053-2059. DOI:https://doi.org/10.5194/angeo-26-2053-2008.
30. Zong Q., Rankin R., Zhou X. The interaction of ultra-low-frequency Pc3-5 waves with charged particles in Earth’s magnetosphere. Rev. Mod. Plasma Phys. 2017, vol. 1, 10. DOI:https://doi.org/10.1007/s41614-017-0011-4.
31. URL: http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp (accessed November 9, 2018).
32. URL: http://omniweb.gsfc.nasa.gov (accessed November 9, 2018).
33. URL: http://iszf.irk.ru (accessed November 9, 2018).
34. URL: http://cdaweb.gsfc.nasa.gov (accessed November 9, 2018).
