Борок, Россия
Якутск, Россия
Иркутск, Россия
Иркутск, Россия
Представлены результаты анализа узкополосного излучения в диапазоне Рс1 с возрастающей несущей частотой, продолжавшегося необычайно длительное время — около 9 ч. Явление наблюдалось на фоне главной фазы сильной магнитной бури, вызванной приходом головной ударной волны, предшествовавшей высокоскоростному потоку солнечного ветра, и длительным интервалом отрицательных значений вертикальной компоненты межпланетного магнитного поля. Событие имело локальный характер, проявляясь лишь на трех станциях, находящихся в интервале географических долгот λ=100–130 Е и магнитных оболочек L=2.2–3.4. Несущая частота сигнала возрастала в ступенчатом режиме от 0.5 до 3.5 Гц. Предложена интерпретация данного явления на основе стандартной модели генерации ионно-циклотронных волн в магнитосфере за счет их резонансного взаимодействия с потоками ионов умеренных энергий. Предполагается, что непрерывный сдвиг области генерации, располагающейся во внешней области плазмосферы, на меньшие L-оболочки способен объяснить как локальность явления, так и диапазон повышения частоты. Узкая полоса излучения обязана своим образованием так называемым носовым структурам в энергетическом спектре потоков ионов, внедряющимся из геомагнитного хвоста в магнитосферу. Составлен один из вариантов сценария развития процессов, приводящих к генерации наблюдавшегося излучения, с указанием конкретных значений положения области генерации, плотности плазмы, магнитного поля и энергии резонансных протонов. Обсуждаются морфологические отличия рас-смотренного излучения от известных типов геомагнитных пульсаций и причины, приведшие к столь необычному явлению.
геомагнитные пульсации, ионно-циклотронные волны, плазмопауза, потоки ионов, магнитная буря, межпланетное магнитное поле, высокоскоростной поток солнечного ветра
ВВЕДЕНИЕ
Частотный диапазон 0.2-5 Гц устойчивых регулярных колебаний (Рс1 согласно классификации геомагнитных пульсаций [Гульельми, Троицкая, 1973]) представлен в магнитосфере Земли одним основным видом колебаний, структурированный подвид которых наиболее известен как «жемчужины». Другими подвидами, частота которых хотя бы частично попадает в этот диапазон, являются излучения ионосферного альвеновского резонатора и серпентинная эмиссия, но первые многополосны и занимают более широкий диапазон, вплоть до 8 Гц [Полюшкина и др., 2015], а вторые наблюдаются только в полярных шапках [Гульельми, Довбня, 1973]. И наземные, и спутниковые наблюдения Pc1 показывают, что кроме структурированных жемчужин часто регистрируются неструктурированные излучения в этом же диапазоне, в основном узкополосные. Считается, что и те, и другие возбуждаются в магнитосфере в виде ионно-циклотронных волн (ИЦВ) за счет кинетической неустойчивости потоков ионов средних энергий (3-300 кэВ) [Cornwall, 1965]. Интерес к исследованию Рс1 вполне объясним, если принять во внимание важную роль, которую играют эти пульсации в системе солнечно-земных связей [Guglielmi, Kangas, 2007]. Они чутко реагируют на изменения в динамике и структуре магнитосферы. Излучения эти обладают большим диагностическим потенциалом, позволяя судить по своим характеристикам о различных процессах, протекающих в магнитосфере, получать численные оценки ключевых параметров среды [Гульельми и др., 1972; Матвеева и др., 1972; Гульельми, Троицкая, 1973; Mursula et al., 1999]. В основном это касается жемчужин, наблюдающихся главным образом в спокойные и умеренно возмущенные периоды. Однако значительный интерес при исследовании представляют периоды сильных магнитных возмущений, когда происходит заметная деформация и перестройка всех структурных образований в магнитосфере. Ниже мы будет рассматривать конкретное событие излучения в диапазоне Рс1 именно на фоне сильной магнитосферной бури, начавшейся в 06 UT 17 марта 2013 г. Событие это необычно как своей 9-часовой длительностью, так и исключительно высокой нестационарностью частоты, меняющейся в ходе события почти на три октавы - от 0.5 до 3.5 Гц. Целью работы является интерпретация столь необычного явления на основе сопоставления его свойств с динамикой развития возмущения в ночной магнитосфере. Мы надеемся, что выявленные закономерности на основе этого case study позволят лучше понять явления, приводящие к генерации ИЦВ во время сильных возмущений, и прольют свет на связь поведения возбуждаемых колебаний с протекающими в магнитосфере плазменными процессами.
1. Гульельми А.В., Довбня Б.В. Гидромагнитное излучение межпланетной плазмы // Письма в ЖЭТФ. 1973. Т. 18, вып. 10. С. 601-604.
2. Гульельми А.В., Золотухина Н.А. Генерация МГД-волн возрастающей частоты в земной магнитосфере // Геомагнетизм и аэрономия. 1978. Т. 18, № 2. С. 307-311.
3. Гульельми А.В., Троицкая В.А. Геомагнитные пульсации и диагностика магнитосферы. М.: Наука, 1973. 208 с.
4. Гульельми А.В., Троицкая В.А., Довбня Б.В., Потапов А.С. Диагностика холодной плазмы и энер-гичных частиц путем дисперсионного анализа «жемчужин» // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. 1972. Вып. 24. C. 3-12.
5. Ермакова Е.Н., Яхнин А.Г., Яхнина Т.А. и др. Спорадические геомагнитные пульсации на частотах до 15 Гц в период магнитной бури 7-14 ноября 2004 г.: особенности амплитудных и поляризационных спектров и связь с ионно-циклотронными волнами в магнитосфере // Известия вузов. Радиофизика 2015. Т. 58, № 8. С. 607-622.
6. Золотухина Н.А., Бондаренко Н.М. Формирование энергетического спектра частиц в процессе дрейфа из хвоста вглубь магнитосферы // Иссле¬дования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. 1976. Вып. 39. С. 3-7.
7. Матвеева Э.Т., Калишер А.Л., Довбня Б.В. Физические условия в магнитосфере и межпланетном про-странстве во время возбуждения геомагнитных пульсаций типа Рс1 // Геомагнетизм и аэрономия. 1972. Т. 12. С. 1125-1127.
8. Полюшкина Т.Н., Довбня Б.В., Потапов А.С. и др. Частотная структура спектральных полос ионо-сферного альвеновского резонатора и параметры ионосферы // Геофизические исследования. 2015. Т. 16, № 2. С. 39-57.
9. Сизова Л.З., Шевнин А.Д., Золотухина Н.А. Связь между колебаниями убывающего периода и полем Dst-вариаций // Геомагнетизм и аэрономия. 1977. Т. 17, № 6. С. 1070-1075.
10. Bräysy T., Mursula K., Marklund G. Ion cyclotron waves during a great magnetic storm observed by Freja double-probe electric field instrument // J. Geophys. Res. 1998. V. 103. P. 4145-4155. DOI:https://doi.org/10.1029/97JA02820.
11. Burke W.J., Maynard N.C., Hagan M.P., et al. Electrodynamics of the inner magnetosphere observed in the dusk sector by CRRES and DMSP during the magnetic storm of June 4-6, 1991 // J. Geophys. Res. 1998. V. 103. P. 29399-29418.
12. Carpenter D.L., Anderson R.R. An ISEE/whistler model of equatorial electron density in the magnetosphere // J. Geophys. Res. 1992. V. 97. P. 1097-1108. DOI:https://doi.org/10.1029/91JA01548.
13. Cho J., Lee D.-Y., Kim J.-H., et al. New model fit functions of the plasmapause location determined using THEMIS observations during the ascending phase of solar cycle 24 // J. Geophys. Res. Space Phys. 2015. V. 120. P. 2877-2889. DOI:https://doi.org/10.1002/2015JA021030.
14. Cornwall J.M. Cyclotron instabilities and electromagnetic emission in the ultra-low frequency and very low frequency ranges // J. Geophys. Res. 1965. V. 70, N 1. P. 61-69. DOI:https://doi.org/10.1029/JZ070i001p00061.
15. Dandouras I.S., Reme H., Cao J., Escoubet P. Magnetosphere response to the 2005 and 2006 extreme solar events as observed by the Cluster and Double Star spacecraft // Adv. Space Res. 2009. V. 43. P. 618-623.
16. Feygin F.Z., Kleimenova N.G., Pokhotelov O.A., et al. Nonstationary pearl pulsations as a signature of magnetospheric disturbances // Ann. Geophysicae. 2000. V. 18, N 5. P. 517-522.
17. Ganushkina N.Yu., Pulkkinen T.I., Sergeev V.A., et al. Entry of plasma sheet particles into the inner magneto-sphere as observed by Polar/CAMMICE // J. Geophys. Res. 2000. V. 105. P. 25205-25219.
18. Glangeaud F., Lacoume J.-L. Étude de la propagation des Pc1 en présence de gradients d’ionisation alignés sur le champ magnétique terrestre // Comptes Rendus Hebdomadaires des Séances de l’Académie des Sciences. 1971. Serie B. V. 272, N 6. P. 397-400.
19. Goldstein J., Sandel B.R., Forrester W.T., et al. Global plasmasphere evolution 22-23 April 2001 // J. Geophys. Res. 2005. V. 110, A12218. DOI: 10.1029/ 2005JA011282.
20. Guglielmi A., Kangas J. Pc1 waves in the system of solar terrestrial relations: New reflections // J. Atmosph. Solar-Terrestrial Phys. 2007. V. 69. P. 1635-1643. DOI: 10.1016/ j.jastp.2007.01.015.
21. Kangas J., Guglielmi A., Pokhotelov O. Morphology and physics of short-period magnetic pulsations (a re-view) // Space Sci. Rev. 1998. V. 83. P. 435-512.
22. Kim K.-H., Shiokawa K., Mann I.R., et al. Longitudinal frequency variation of long-lasting EMIC Pc1-Pc2 waves localized in the inner magnetosphere // Geophys. Res. Lett. 2016. V. 43. P. 1039-1046. DOI:https://doi.org/10.1002/2015GL067536.
23. Liu X., Liu W., Cao J.B., et al. Dynamic plasmapause model based on THEMIS measurements // J. Geophys. Res. Space Phys. 2015. V. 120. P. 10543-10556. DOI: 10.1002/ 2015JA021801.
24. Mann I.R., Milling D.K., et al. The upgraded CARISMA magnetometer array in the THEMIS era // Space Sci. Rev. 2008. V. 141. P. 413-451. DOI:https://doi.org/10.1007/s11214-008-9457-6.
25. Mazur V.A., Potapov A.S. The evolution of pearls in the Earth’s magnetosphere // Planet. Space Sci. 1983. V. 31, N 8. P. 859-863.
26. Moldwin M.B., Downward L., Rassoul H.K., et al. A new model of the location of the plasmapause: CRRES results // J. Geophys. Res. 2002. V. 107, N A11. P. 1339. DOI: 10.1029/ 2001JA009211.
27. Mursula K., Kangas J., Kerttula R., et al. New constraints on theories of Pc1 pearl formation // J. Geophys. Res. 1999. V. 104, N A6. P. 12399-12406.
28. Pickett J.S., Grison B., Omura Y., et al. Cluster observations of EMIC triggered emissions in association with Pc1 waves near Earth’s plasmapause // Geophys. Res. Lett. 2010. V. 37. L09104. DOI:https://doi.org/10.1029/2010GL042648.
29. Smith P.H., Hoffman R.A. Direct observations in the dusk hours of the characteristics of the storm time ring current particles during the beginning of magnetic storms // J. Geophys. Res. 1974. V. 79, N 7. P. 966-971. DOI:https://doi.org/10.1029/JA079i007p00966.
30. Søraas F., Laundal K.M., Usanova M. Coincident particle and optical observations of nightside subauroral pro-ton preci-pitation // J. Geophys. Res. Space Phys. 2013. V. 118. P. 1112-1122. DOI:https://doi.org/10.1002/jgra.50172.
31. Verbanac G., Pierrard V., Bandić M., et al. The relationship between plasmapause, solar wind and geomagnetic activity between 2007 and 2011 // Ann. Geophys. 2015. V. 33, N 10. P. 1271-1283.
32. Yahnin A.G., Yahnina T.A., Frey H.U. Subauroral proton spots visualize the Pc1 source // J. Geophys. Res. 2007. V. 112. A10223. DOI:https://doi.org/10.1029/2007JA012501.
33. Zhang J.-C., Kistler L.M., Spence H.E., et al. “Trunk-like” heavy ion structures observed by the Van Allen Probes // J. Geo-phys. Res. Space Phys. 2015. V. 120, N 10. P. 8738-8748. DOI:https://doi.org/10.1002/2015JA021822.
34. URL: http://omniweb.gsfc.nasa.gov/ (дата обращения 5 августа 2016 г.).
35. URL: http://omniweb.gsfc.nasa.gov/vitmo/cgm_vitmo.html (дата обращения 5 августа 2016 г.).
36. URL: http://ccmc.gsfc.nasa.gov/ (дата обращения 5 августа 2016 г.).
37. URL: http://www.sgo.fi/ (дата обращения 5 августа 2016 г.).
38. URL: http://www.carisma.ca/ (дата обращения 5 августа 2016 г.).
39. URL: http://geobrk.adm.yar.ru/ (дата обращения 5 августа 2016 г.).
