Solnechno-Zemnaya Fizika Solnechno-Zemnaya Fizika Солнечно-земная физика 2712-9640 33523 10.12737/szf-63202006 Результаты исследований Results of current research Результаты исследований Ultra low frequency emissions ranging from 0.1 to 3 Hz in circumpolar areas Ультранизкочастотные эмиссии диапазона 0.1–3 Гц в приполярных областях https://orcid.org/0000-0002-4864-0993 Потапов Александр Сергеевич Potapov Alexander Sergeevich potapov@iszf.irk.ru

доктор физико-математических наук;

doctor of physical and mathematical sciences;

 Гульельми Анатолий Владимирович Guglielmi Anatol Vladimirovich guglielmi@mail.ru

доктор физико-математических наук;

doctor of physical and mathematical sciences;

 Довбня Борис Викторович Dovbnya Boris Viktorovich dovbnya@inbox.ru

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 Институт солнечно-земной физики СО РАН Иркутск Россия Institute of Solar-Terrestrial Physics SB RAS Irkutsk Russian Federation Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН Москва Россия Schmidt Institute of Physics of the Earth, RAS Moscow Russian Federation Геофизическая обсерватория «Борок» ИФЗ РАН Борок Россия Borok Geophysical Observatory of IPE RAS Borok Russian Federation 6 3 48 55 https://naukaru.ru/en/nauka/article/33523/view

Рассмотрены характеристики двух типов излучений в высокочастотной части УНЧ-диапа-зона (0.1–3 Гц) — серпентинной эмиссии (SE) и дискретных диспергированных сигналов (DS). Они наблюдаются в полярных шапках с помощью индукционных магнитометров. Поскольку в настоящее время эти инструменты в высоких широтах практически отсутствуют, анализ проведен на основе записей 1968–1971 гг., полученных на близких к геомагнитным полюсам ст. «Восток» и «Туле». Показано, что появление DS жестко привязано к магнитной силовой линии, проходящей через станцию наблюдения, с острым пиком частоты появления в местный магнитный полдень. В то же время сезонный ход частоты появления DS имеет основной пик местным летом и дополнительный — местной зимой. С учетом полученного нами ранее результата о возбуждении, по крайней мере, части DS в области форшока, можно предположить, что падающие на магнитопаузу волновые пакеты проникают на внешние силовые линии преимущественно в околополуденной области и распространяются вдоль этих линий в обе стороны, попадая в конце концов на поверхность земли в приполярных областях. В отличие от DS частота появления SE не имеет ни суточного, ни сезонного хода. Мы проверили и косвенно подтвердили выдвинутую ранее гипотезу о возбуждении SE циклотронной неустойчивостью протонов в солнечном ветре, промоделировав вариации частоты ионно-циклотронных волн при разных уровнях возмущенности межпланетной плазмы и сравнив результаты с наблюдавшимися в сходных условиях вариациями частоты SE. Сделан вывод о необходимости возобновления непрерывных наблюдений УНЧ-излучений с помощью индукционных магнитометров, установленных в полярных шапках вблизи проекций каспов и около геомагнитных полюсов.

We examine the characteristics of oscillations of two types in the high-frequency edge of the ULF range (0.1–3 Hz), serpentine emission (SE), and discrete frequency dispersed signals (DS). Oscillations of both the types are observed in the polar caps exclusively with induction magnetometers. Since these instruments are currently practically absent at high latitudes, the analysis has been carried out from records obtained at the stations Vostok and Thule close to the geomagnetic poles in 1968–1971. The DS occurrence rate is shown to have a sharp peak at local magnetic noon. This fact indicates that DS emergence is rigidly tied to the geomagnetic field line passing through the observation station. At the same time, the seasonal variation in the frequency of DS occurrence has a main peak in local summer and an additional peak in local winter. We have revealed before that at least a part of DS is excited in the foreshock region. Taking this into account, we can assume that the wave packets incident to the magnetopause fall on the external field lines mainly in the noon region and propagate along these lines in both directions, eventually reaching Earth’s surface in the polar regions. Unlike DS, the SE occurrence rate has neither a daily nor a seasonal variation. We have tested and confirmed indirectly the hypothesis put forward earlier about the excitation of SE by cyclotron instability of protons in the solar wind, simulating frequency variations in ion-cyclotron waves at different levels of interplanetary plasma perturbation and comparing the results with the SE frequency variations observed under similar conditions. We conclude that it is necessary to resume continuous observations of ULF emissions, using induction magnetometers installed in polar caps near the projections of cusps and near geomagnetic poles.

 ультранизкочастотные электромагнитные волны полярные шапки касп магнитосфера солнечный ветер ultra low frequency electromagnetic waves polar caps cusp magnetosphere solar wind

Гульельми А.В., Довбня Б.В. Гидромагнитное излучение межпланетной плазмы // Письма в ЖЭТФ. 1973. Т. 18, № 10. С. 601-604. Asheim S. Serpentine emissions in the polar magnetic field. Oslo. 1983. 8 p. (Rep. ser. No. 83-38 / Inst. of Physics). Гульельми А.В., Довбня Б.В. Наблюдение геомагнитных пульсаций в диапазоне 0-2 Гц с глубокой модуляцией несущей частоты в полярной шапке // Геомагнетизм и аэрономия. 1974. Т. 14, № 5. С. 868-870. Berthomier M., Cornilleau-Wehrlin N., Fontaine D., Robert P., Canu P., Bouhram M., André M. CLUSTER-II observations of mid-altitude polar cleft turbulence. American Geophysical Union, Fall Meeting. 2004, Abstract id.SM51C-0394. Гульельми А.В., Клайн Б.И., Потапов А.С. Северно-южная асимметрия ультранизкочастотных колебаний электромагнитного поля Земли // Солнечно-земная физика. 2017. Т. 3, N 4. С. 27-33.DOI: 10.12737/szf-34201703. Dovbnya B.V., Potapov A.S. The frequency modulation of serpentine emission as compared to the set of the known periodicities of solar oscillations. Izvestiya, Physics of the Solid Earth. 2018, vol. 54, no. 5, pp. 680-687. DOI: 10.1134/S10 69351318050051. Гульельми А.В., Потапов А.С., Довбня Б.В. Влияние ориентации ММП на северно-южную асимметрию УНЧ-волновых пакетов в полярных шапках // Геофиз. иссл. 2019. Т. 20, № 2. С. 19-27. DOI: 10.21455/gr2019.2-2. Dovbnya B.V., Klain B.I., Guglielmi A.V., Potapov A.S. Spectrum of frequency modulation of serpentine emission as a reflection of the solar fluctuation spectrum. Solar-Terr. Phys. 2017, vol. 3, no. 1, pp. 73-77. DOI: 10.12737/article_58fd6 dfaa04833.19557687. Довбня Б.В., Потапов А.С. Исследование частотной модуляции серпентинной эмиссии // Физика Земли. 2018. № 5. С. 19-26. DOI: 10.1134/S0002333718050058. Farrell W.M., van Allen J.A. Observations of the Earth’s polar cleft at large radial distances with the Hawkeye-1 Magnetometer. J. Geophys. Res. 1990, vol. 95, no. A12, pp. 20945-20958. Довбня Б.В., Клайн Б.И., Гульельми А.В., Потапов А.С. Спектр частотной модуляции серпентиной эмиссии как отражение спектра солнечных колебаний // Солнечно-земная физика. 2017. Т. 3, № 1. С. 59-62. DOI: 10.12737/23043. Guglielmi A.V., Dovbnya B.V. Hydromagnetic emission of interplanetary plasma. Pisma v ZhETF [JETP Lett.]. 1973, vol. 18, no. 10, pp. 601-604. (In Russian). Asheim S. Serpentine emissions in the polar magnetic field. Oslo. 1983. 8 p. (Rep. ser. No. 83-38 / Inst. of Physics). Guglielmi A.V., Dovbnya B.V. Hydromagnetic emission of the interplanetary plasma. Astrophys. Space Sci. 1974, vol. 31, pp. 11-29. Berthomier M., Cornilleau-Wehrlin N., Fontaine D., et al. CLUSTER-II observations of mid-altitude polar cleft turbulence // American Geophysical Union, Fall Meeting 2004, abstract id.SM51C-0394. Guglielmi A.V., Dovbnya B.V. Observarion of geomagnetic pulsations in the band 0-2 Hz with deep modulation of carrier frequency in polar cap. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 1974, vol. 14, no. 5, pp. 868-870. (In Russian). Farrell W.M., van Allen J.A. Observations of the Earth’s polar cleft at large radial distances with the Hawkeye-1 Magnetometer // J. Geophys. Res. 1990. V. 95, N A12. P. 20945-20958. Guglielmi A.V., Potapov A.S. Propagation of guided waves in moving media with application to the theory of small-scale electromagnetic waves in the solar wind plasma. IEEE Xplore Digital Library / 2017 Progress In Electromagnetics Research Symposium - Spring (PIERS). 2017, pp. 1051-1054. Guglielmi A.V., Dovbnya B.V. Hydromagnetic emission of the interplanetary plasma // Astrophys. Space Sci. 1974. V. 31. P. 11-29. Guglielmi A., Potapov A., Dovbnya B. Five-minute solar oscillations and ion-cyclotron waves in the solar wind. Solar Phys. 2015, vol. 290, no. 10, pp. 3023-3032. DOI: 10.1007/s11207-015-0772-2. Guglielmi A.V., Potapov A.S. Propagation of guided waves in moving media with application to the theory of small-scale electromagnetic waves in the solar wind plasma. IEEE Xplore Digital Library / 2017 Progress in Electromagnetics Research Symposium - Spring (PIERS). 2017. P. 1051-1054. Guglielmi A.V., Potapov A.S., Dovbnya B.V. Influence of the interplanetary magnetic field orientation on north-southern asymmetry of ULF wave packets in the polar caps. Geofizicheskie issledovaniya [Geophys. Res.] 2019, vol. 20, no. 2, pp. 19-27. DOI: 10.21455/gr2019.2-2. (In Russian). Guglielmi A., Potapov A., Dovbnya B. Five-minute solar oscillations and ion-cyclotron waves in the solar wind // Solar Phys. 2015. V. 290, N 10. P. 3023-3032. DOI: 10.1007/s11207-015-0772-2. Guglielmi A.V., Klain B.I., Potapov A.S. North-south asymmetry of ultra-low-frequency oscillations of Earth’s electromagnetic field. Solar-Terr. Phys. 2017, vol. 3, no. 4, pp. 26-31. DOI: 10.12737/stp-34201703. Jian L.K., Russell C.T., Luhmann J.G., et al. Ion cyclotron waves in the solar wind observed by STEREO near 1 AU // The Astrophys. J. Lett. 2009. V. 701, iss. 2. P. L105-L109. DOI: 10.1088/0004-637X/701/2/L105. Jian L.K., Russell C.T., Luhmann J.G., Strangeway R.J., Leisner J.S., Galvin A.B. Ion cyclotron waves in the solar wind observed by STEREO near 1 AU. Astrophys. J. 2009, vol. 701, iss. 2, pp. L105-L109. DOI: 10.1088/0004-637X/701/2/L105. Jian L.K., Russell C.T., Luhmann J.G., et al. Observations of ion cyclotron waves in the solar wind near 0.3 AU // J. Geophys. Res. 2010. V. 115. P. A12115. DOI: 10.1029/2010JA015737. Jian L.K., Russell C.T., Luhmann J.G., Anderson B.J., Boardsen S.A., Strangeway R.J., Cowee M.M., Wennmacher A. Observations of ion cyclotron waves in the solar wind near 0.3 AU. J. Geophys. Res. 2010, vol. 115, p. A12115. DOI: 10.1029/2010JA015737. Kurazhkovskaya N.A., Klain B.I. Isolated bursts of irregular geomagnetic pulsations in the region of the dayside cusp // Geomagnetism and Aeronomy. 2017. V. 57, N 5. P. 566-578. DOI: 10.1134/S0016793217040119. Kurazhkovskaya N.A., Klain B.I. Isolated bursts of irregular geomagnetic pulsations in the region of the dayside cusp. Geomagnetism and Aeronomy. 2017, vol. 57, no. 5, pp. 566-578. DOI: 10.1134/S0016793217040119. Lanzerotti L.J., Maclennan C.G., Konik R.M., et al. Cusp latitude magnetic impulse events. 1. Occurrence statistics // J. Geophys. Res. 1991. V. 96, N A8. P. 14009-14022. Lanzerotti L.J., Maclennan C.G., Konik R.M., Wolfe A., Venkatesan D. Cusp latitude magnetic impulse events. 1. Occurrence statistics. J. Geophys. Res. 1991, vol. 96, no. A8, pp. 14009-14022. Manweiler J., Engebretson M., Connors M. February 2, 2017 observation of magnetic impulsive event (MIE) by AUTUMNX and Van Allen Probes // 42nd COSPAR Scientific Assembly. July 14-22, 2018, Pasadena, California, USA. Abstract id. C1.3-22-18. Manweiler J., Engebretson M., Connors M. February 2, 2017 observation of magnetic impulsive event (MIE) by AUTUMNX and van Allen Probes. 42nd COSPAR Scientific Assembly. Held 14-22 July 2018, in Pasadena, California, USA, Abstract id. C1.3-22-18. Moiseev A.V., Baishev D.G., Barkova E.S., et al. Specific features of the generation of long-periodic geomagnetic pulsations in the event on June 25, 2008 // Cosmic Res. 2015. V. 53, N 2. P. 111-118. DOI: 10.1134/S0010952515020057. Moiseev A.V., Baishev D.G., Barkova E.S., Du A., Yumoto K. Specific features of the generation of long-periodic geomagnetic pulsations in the event on June 25, 2008. Cosmic Res. 2015, vol. 53, no. 2, pp. 111-118. DOI: 10.1134/S0010 952515020057. Morris R.J., Cole K.D. “Serpentine emission” at the high latitude Antarctic station Davis // Planet. Space Sci. 1987. V. 35. P. 313-328. Morris R.J., Cole K.D. “Serpentine emission” at the high latitude Antarctic station Davis. Planet. Space Sci. 1987, vol. 35, pp. 313-328. Sauvaud J.A., Barthe H., Aoustin C., et al. The ion experi-ment onboard the Interball-Aurora satellite; initial results on velocity-dispersed structures in the cleft and inside the auroral oval // Ann. Geophys. 1998. V. 16, N 9. P. 1056-1069. DOI: 10.1007/s00585-998-1056-z. Sauvaud J.A., Barthe H., Aoustin C., Thocaven J.J., Rouzaud J., Penou E., et al. The ion experiment onboard the Interball-Aurora satellite; initial results on velocity-dispersed structures in the cleft and inside the auroral oval. Ann. Geophys. 1998, vol. 16, no. 9, pp. 1056-1069. DOI: 10.1007/s00585-998-1056-z. Sibeck D.G., Korotova G.I. Occurrence patterns for transient magnetic field signatures at high latitudes // J. Geophys. Res. 1996. V. 96, N A6. P. 13413-13428. DOI: 10.1029/96JA00187. Sibeck D.G., Korotova G.I. Occurrence patterns for transient magnetic field signatures at high latitudes. J. Geophys. Res. 1996, vol. 96, no. A6, pp. 13413-13428. DOI: 10.1029/ 96JA00187. Yahnin A., Titova E., Lubchich A., et al. Dayside high lati-tude magnetic impulsive events: their characteristics and relationship to sudden impulses // J. Atmos. Terr. Phys. 1995. V. 57. P. 1569-1582. Yahnin A., Titova E., Lubchich A., Bosinger T., Manninen J., Turunen T., Hansen T., Troshichev O., Kotikov A. Dayside high latitude magnetic impulsive events: their characteristics and relationship to sudden impulses. J. Atmos. Terr. Phys. 1995, vol. 57, pp. 1569-1582. Zhao G.Q., Feng H.Q., Wu D.J., et al. Time-dependent occurrence rate of electromagnetic cyclotron waves in the solar wind: Evidence for the effect of alpha particles? // Astrophys. J. Lett. 2017. V. 847, iss. 1. Article id. L8. 4 p. DOI: 10.3847/2041-8213/aa88b3. Zhao G.Q., Feng H.Q., Wu D.J., Chu Y.H., Huang J. Time-dependent occurrence rate of electromagnetic cyclotron waves in the solar wind: Evidence for the effect of alpha particles? Astrophys. J. Lett. 2017, vol. 847, iss. 1, article id. L8, 4 p. DOI: 10.3847/2041-8213/aa88b3. URL: https://omniweb.gsfc.nasa.gov/form/omni_min.html (дата обращения 8 мая 2020 г.). URL: https://omniweb.gsfc.nasa.gov/form/omni_min.html (accessed 8 May 2020). URL: https://omniweb.gsfc.nasa.gov/ow.html (дата обращения 8 мая 2020 г.). URL: https://omniweb.gsfc.nasa.gov/ow.html (accessed 8 May 2020). URL: https://cdaweb.gsfc.nasa.gov/istp_public (дата обращения 8 мая 2020 г.). URL: https://cdaweb.gsfc.nasa.gov/istp_public (accessed 8 May 2020).