НАБЛЮДЕНИЯ ДРЕЙФОВО-КОМПРЕССИОННЫХ ВОЛН С ПОМОЩЬЮ СРЕДНЕШИРОТНОГО ДЕКАМЕТРОВОГО КОГЕРЕНТНОГО РАДАРА
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Представлен анализ магнитосферных пульсаций диапазона Pc5, наблюдавшихся 26 декабря 2014 г. Колебания были зарегистрированы в ночной ионосфере с помощью среднеширотного когерентного декаметрового радара, расположенного около Екатеринбурга, который регистрирует изменения скорости электрического дрейфа ионосферной плазмы, вызванного УНЧ-волнами в магнитосфере. Направление азимутального распространения волны (на запад) совпадает с направлением магнитного дрейфа протонов. Кросс-вейвлет-анализ показал, что частота колебаний зависит от волнового числа m: коэффициент корреляции между ними равен 0.90. Увеличение частоты с 2.5 до 5 мГц сопровождалось ростом абсолютной величины m c 20 до 80. Эти свойства рассматриваемой волны указывают на то, что ее следует относить к дрейфово-компрессионной моде. Эта мода является наиболее типичной УНЧ-модой в кинетике, для ее существования требуются только конечное давление плазмы и неоднородность плазмы поперек магнитных оболочек.

Ключевые слова:
УНЧ-волны, радар, магнитосфера
Текст
Текст произведения (PDF): Читать Скачать

ВВЕДЕНИЕ

Одним из важных способов исследования околоземного космического пространства является изучение ультранизкочастотных (УНЧ) волн. Как показали теоретические и экспериментальные исследования, УНЧ-волны могут быть разделены на две группы в соответствии с величиной их азимутального волнового числа m [Агапитов, Черемных, 2011].

УНЧ-волны с малыми значениями m имеют внемагнитосферное происхождение [Козлов и др., 2015]. Быстрые магнитоакустические волны, формирующиеся на магнитопаузе или в солнечном ветре, распространяются внутрь магнитосферы и генерируют альфвеновские моды на тех L-оболочках, где частота волны совпадает с собственной частотой альфвеновских колебаний [Дмитриенко, 2010]. Изначальная быстрая мода может проникнуть в магнитосферу из солнечного ветра [Мазур, 2010; Потапов и др., 2012] или образоваться из-за взаимодействия неоднородностей солнечного ветра с магнитосферой [Золотухина, 2009; Мишин и др., 2013] или в результате МГД-неустойчивости на магнитопаузе [Гульельми и др., 2010; Мазур, Чуйко, 2013].

Эти механизмы генерации неэффективны для волн с большими значениями m, поскольку в этом случае в магнитосферу проникает малая доля энергии колебаний [Гульельми, Потапов, 1984]. Пульсации этого типа отождествляются с полоидальными альфвеновскими модами, генерируемыми благодаря внутренним процессам в магнитосфере, таким как различные плазменные неустойчивости [Southwood, 1980; Baddeley et al., 2005] или переменные токи, создаваемые дрейфующими частицами, инжектированными в магнитосферу во время суббури [Гульельми, Золотухина, 1980; Магер, Климушкин, 2007].

Тем не менее среди волн с большими значениями m можно выделить группу волн с частотами несколько ниже частот альфвеновских волн на соответствующих магнитных оболочках (буревые компрессионные волны Pc5). Волны этой группы были открыты благодаря спутниковым данным [Barfield, McPherron, 1972], а позднее обнаружены и по данным радаров [Allan et al., 1982; Walker et al., 1982].

Природа этих волн пока не ясна. С точки зрения теории МГД кажется очевидным отождествление их с наиболее длиннопериодической МГД-модой - медленным магнитным звуком (ММЗ) [Leonovich, Kozlov, 2013]. Однако не вполне понятно, может ли МГД-подход вообще использоваться для описания компрессионных УНЧ-мод в бесстолкновительной плазме [Hurricane et al., 1994]. Иногда буревые компрессионные Pc5-волны отождествляют с дрейфово-зеркальными модами [Kremser et al., 1981], но не ясно, достаточно ли высока температурная анизотропия магнитосферной плазмы для создания условий для зеркальной неустойчивости. Сомнения в соотнесении буревых компрессионных Pc5-пульсаций с дрейфово-зеркальной модой возникли с самого начала радарных наблюдений УНЧ-волн с m>>1 [Allan, Poulter, 1986].

Вероятно, наиболее подходящим объяснением буревых компрессионных пульсаций является дрейфово-компрессионная мода. Это наиболее типичная компрессионная УНЧ-мода в кинетике. Для ее существования требуются только конечное давление плазмы и неоднородность плазмы поперек магнитных оболочек. Эта мода может быть возбуждена благодаря наличию градиента концентрации горячей плазмы [Crabtree, Chen, 2004; Klimushkin, Mager, 2011], инверсного распределения горячих протонов [Mager et al., 2013] или сцепления с альфвеновской модой из-за кривизны силовых линий [Klimushkin et al., 2012]. Частота этой моды имеет тот же порядок величины, что и диамагнитная частота, хотя и не совпадает с ней [Klimushkin, Mager, 2011; Mager et al., 2013; Naim et al., 2014]. Характерной особенностью дрейфово-компрессионной моды является зависимость ее частоты от волнового числа m.

Цель представленной работы - найти экспериментальные подтверждения того, что дрейфово-компрессионная мода может являться источником буревых компрессионных Pc5-пульсаций.

_____________________________________________________________________________________________
*Английская версия статьи «Experimental evidence of drift compressional waves in the magnetosphere: An Ekaterinburg Coherent Decameter Radar case study» была опубликована ранее в журнале J. Geophys. Res. Space Physics, 2016, V. 121, P. 1315-1326, DOI:10.1002/2015ja022155. На русском языке статья печатается с изменениями.

Список литературы

1. Агапитов А.В., Черемных О.К. Поляризация резонансных УНЧ-возмущений в магнитосфере Земли // Кинематика и физика небесных тел. 2011. Т. 27, № 3. С. 17–27.

2. Гульельми А.В., Золотухина Н.А. Возбуждение альфвеновских колебаний магнитосферы асимметричным кольцевым током // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: Наука, 1980. Вып. 50. С. 129–138.

3. Гульельми А.В., Потапов А.С. Об особенности поля MГД-волны в неоднородной плазме // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: Наука, 1984. Вып. 70. С. 149–157.

4. Гульельми А.В., Потапов А.С., Клайн Б.С. Комбинированная неустойчивость Рэлея—Тейлора—Кельвина—Гельмгольца на магнитопаузе // Солнечно-земная физика. 2010. Вып. 15. С. 24–27.

5. Дмитриенко И.С. Пространственно-временная структура альфвеновских резонансных возмущений, генерируемых поперечно-локализованной БМЗ-волной // Солнечно-земная физика. 2010. Вып. 15. С. 135–143.

6. Золотухина Н.А. Резонансные свойства Psi5/Psc5 на геостационарной орбите // Геомагнетизм и аэрономия. 2009. Т. 49, № 4. С. 460–471.

7. Козлов Д.А., Леонович А.С., Мазур В.А. МГД-волны в геомагнитном хвосте: обзор // Солнечно-земная физика. 2015. Т. 1, №. 1. C. 4–22. DOI: 10.12737/7168.

8. Магер П.Н., Климушкин Д.Ю. Генерация альфвеновских волн движущейся неоднородностью плазмы в магнитосфере // Физика плазмы. 2007. Т. 33, № 5. C. 435–442.

9. Мазур В.А. Резонансное возбуждение магнитосферы гидромагнитными волнами, падающими из солнечного ветра // Физика плазмы. 2010. Т. 36, № 11. С. 1013–1023.

10. Мазур В.А., Чуйко Д.А. Неустойчивость Кельвина—Гельмгольца на магнитопаузе, МГД-волновод во внешней магнитосфере и альфвеновский резонанс в глубине магнитосферы // Физика плазмы. 2013. Т. 39, № 6. С. 556–571.

11. Мишин В.В., Клибанова Ю.Ю., Цэгмэд Б. Влияние наклона фронта неоднородности солнечного ветра на свойства вызванных им длиннопериодных геомагнитных пульсаций // Космические исследования. 2013. Т. 51, № 2. С. 107–118.

12. Потапов А.С., Цэгмэд Б., Рыжакова Л.B. Связь потоков релятивистских электронов на геостационарной орбите с уровнем УНЧ-активности на поверхности Земли и в солнечном ветре в 23-м цикле солнечной активности // Космические исследования. 2012. Т. 50, № 2. С. 130–146. DOI: 10.1134/S0010952512020086.

13. Allan W., Poulter E. A note on the driving mechanism of storm-time Pc5 pulsations // Planet. Space Sci. 1986. V. 34. P. 571–572. DOI: 10.1016/0032-0633(86)90095-4.

14. Allan W., Poulter E.M., Nielsen E. STARE observations of a Pc5 pulsation with large azimuthal wave number // J. Geophys. Res. 1982. V. 87. P. 6163–6172. DOI: 10.1029/ JA087iA08p06163.

15. Baddeley L.J., Yeoman T.K., Wright D.M., et al. On the coupling between unstable magnetospheric particle populations and resonant high-m ULF wave signatures in the ionosphere // Ann. Geophys. 2005. V. 23. P. 567–577. DOI: 10.5194/angeo-23-567-2005.

16. Baker K.B., Wing S. A new magnetic coordinate system for conjugate studies at high latitudes // J. Geophys. Res. 1989. V. 94. P. 9139–9143. DOI: 10.1029/JA094iA07p09139.

17. Barfield J.N., McPherron R.L. Statistical characteristics of storm-associated Pc5 micropulsations observed at the synchronous equatorial orbit // J. Geophys. Res. 1972. V. 77. P. 4720–4733. DOI: 10.1029/JA077i025p04720.

18. Bland E.C., McDonald A.J., Menk F.W., Devlin J.C. Multipoint visualization of ULF oscillations using the Super Dual Auroral Radar Network // Geophys. Res. Lett. 2014. V. 41. P. 6314–6320. DOI: 10.1002/2014GL061371.

19. Chisham G., Lester M., Milan S.E., et al. A decade of the Super Dual Auroral Radar Network (SuperDARN): Scientific achievements, new techniques and future directions // Surv. Geophys. 2007. V. 28. P. 33–109. DOI: 10.1007/s10712-007-9017-8.

20. Crabtree C., Chen L. Finite gyroradius theory of drift compressional modes // Geophys. Res. Lett. 2004. V. 31. L17804. DOI: 10.1029/2004GL020660.

21. Fenrich F.R., Samson J.C., Sofko G., Greenwald R.A. Ulf high- and low-m field line resonances observed with the Super Dual Auroral Radar Network // J. Geophys. Res. 1995. V. 100. P. 21535–21548. DOI: 10.1029/95JA02024.

22. Foster G. Wavelets for period analysis of unevenly sampled time series // Astronom. J. 1996. V. 112. P. 1709–1729. DOI: 10.1086/118137.

23. Greenwald R.A., Baker K.B., Dudeney J.R., et al. DARN/SuperDARN: A global view of the dynamics of high latitude convection // Space Sci. Rev. 1995. V. 71. P. 761–796. DOI: 10.1007/BF00751350.

24. Grossman A., Morlet J. Decomposition of Hardy functions into square integrable wavelets of constant shape // SIAM J. Math. Anal. 1984. V. 15, N 4. P. 723–736. DOI: 10.1137/0515056.

25. Gustafsson G., Papitashvili N.E., Papitashvili V.O. A revised corrected geomagnetic coordinate system for Epochs 1985 and 1990 // J. Atmos.Terr. Phys. 1992. V. 54. P. 1609–1631.

26. Hurricane O.A., Pellat R., Coroniti F.V. The kinetic response of a stochastic plasma to low frequency perturbations // Geophys. Res. Lett. 1994. V. 21, N 4. P. 253–256. DOI: 10.1029/ 93GL03533.

27. James M.K., Yeoman T.K., Mager P.N., Klimushkin D.Yu. The spatio-temporal characteristics of ULF waves driven by substorm injected particles // J. Geophys. Res.: Space Physics. 2013. V. 118. P. 1737–1749. DOI: 10.1002/jgra.50131.

28. Klimushkin D.Yu., Mager P.N. Spatial structure and stability of coupled Alfven and drift compressional modes in non-uniform magnetosphere: Gyrokinetic treatment // Planet. Space Sci. 2011. V. 59. P. 1613–1620. DOI: 10.1016/j.pss.2011.07.010.

29. Klimushkin D.Yu., Mager P.N. The alfven mode gyrokinetic equation in finite-pressure magnetospheric plasma // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2015. V. 6. P. 4465–4474. DOI: 10.1002/2015JA021045.

30. Klimushkin D.Yu., Mager P.N., Pilipenko V.A. On the ballooning instability of the coupled Alfven and drift compressional modes // Earth, Planets, and Space. 2012. V. 64. P. 777–781. DOI: 10.5047/eps.2012.04.002.

31. Kremser G., Korth A., Fejer J.A., et al. Observations of quasi-periodic flux variations of energetic ions and electrons associated with Pc5 geomagnetic pulsations // J. Geophys. Res. 1981. V. 86. P. 3345–3356. DOI: 10.1029/ JA086iA05p03345.

32. Leonovich A.S., Kozlov D.A. Magnetosonic resonances in the magnetospheric plasma // Earth, Planets, and Space. 2013. V. 65. P. 369–384. DOI: 10.5047/eps.2012.07.002.

33. Mager P.N., Klimushkin D.Yu., Ivchenko N. On the equatorward phase propagation of high-m ULF pulsations observed by radars // J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 2009. V. 71. P. 1677–1680, DOI: 10.1016/j.jastp.2008.09.001.

34. Mager P.N., Klimushkin D.Yu., Kostarev D.V. Drift-compressional modes generated by inverted plasma distributions in the magnetosphere // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2013. V. 118. P. 4915–4923. DOI: 10.1002/jgra.50471.

35. Mager P.N., Berngardt O.I., Klimushkin D.Yu., et al. First results of the high-resolution multibeam ULF wave experiment at the Ekaterinburg SuperDARN radar: Ionospheric signatures of coupled poloidal Alfven and drift-compressional modes // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2015. V. 130131 (0). P. 112–126. DOI: 10.1016/j.jastp.2015.05.017.

36. Naim H., Bashir M.F., Murtaza G. On the drift magnetosonic waves in anisotropic low beta plasmas // Phys. Plasmas. 2014. V. 21. N 10. P. 102–112. DOI: 10.1063/1.4897370.

37. Ruohoniemi J.M., Greenwald R.A., Baker K.B., et al. Drift motions of small-scale irregularities in the high-latitude F region: An experimental comparison with plasma drift motions // J. Geophys. Res. 1987. V. 92, N A5. P. 4553–4564. https://doi.org/10.1029/JA092iA05p04553.

38. Southwood D.J. Low frequency pulsation generation by energetic particles // J. Geomagn. Geoelectr. 1980. Suppl. II, V. 32. P. 75–88.

39. Tian M., Yeoman T.K., Lester M., Jones T.B. Statistics of Pc5 pulsation events observed by SABRE // Planet. Space Sci. 1991. V. 39. P. 1239–1247.

40. Walker A.D.M., Greenwald R.A., Korth A., Kremser G. STARE and GEOS-2 observations of a storm time Pc5 ULF pulsation // J. Geophys. Res. 1982. V. 87. P. 9135–9146. DOI: 10.1029/JA087iA11p09135.

41. Wright D.M., Yeoman T.K. CUTLASS observations of a high-m ULF wave and its consequences for the DOPE HF Doppler sounder // Ann. Geophys. 1999. V. 17. P. 1493–1497. DOI: 10.1007/s00585-999-1493-3.

42. Yeoman T.K., James M., Mager P.N., Klimushkin D.Yu. SuperDARN observations of high-m ULF waves with curved phase fronts and their interpretation in terms of transverse resonator theory // J. Geophys. Res. 2012. V. 117. A06231. DOI: 10.1029/2012JA017668.

43. Zolotukhina N.A., Mager P.N., Klimushkin D.Yu. Pc5 waves generated by substorm injection: A case study // Ann. Geophys. 2008. V. 26. P. 2053–2059. DOI: 10.5194/angeo-26-2053-2008.

Войти или Создать
* Забыли пароль?