Геофизический центр РАН
Иркутск, Россия
Иркутск, Россия
В рамках гирокинетики показана возможность существования в магнитосфере дрейфово-компрессионных волн, распространяющихся в направлении дрейфа энергичных электронов. Предполагается, что плазма состоит в основном из холодных частиц с примесью горячих: протонов с распределением Максвелла и электронов с инверсным распределением по энергиям. Найдены условия существования этих волн и их усиления за счет резонансного взаимодействия с энергичными электронами c инверсным распределением по энергиям (дрейфовая неустойчивость). Результаты работы могут быть полезны при интерпретации наблюдений волновых явлений в магнитосфере с частотами в диапазоне геомагнитных пульсаций Pc5 и ниже.
магнитосфера, УНЧ-волны, взаимодействие волна-частица
ВВЕДЕНИЕ
В магнитосферной плазме наблюдается широкий спектр ультранизкочастотных (УНЧ) колебаний, называемых также геомагнитными пульсациями. Их отождествляют с магнитогидродинамическими (МГД) волнами. Как с наблюдательной, так и с теоретической точки зрения их можно разделить на две большие группы: волны с малыми значениями азимутального волнового числа m и волны с большими значениями m [Yeoman et al., 1992; Leonovich, Mazur, 1993; Fenrich et al., 1995].
Волны с малыми значениями азимутального волнового числа имеют преимущественно тороидальную поляризацию, т. е. силовые линии магнитного поля волны осциллируют в азимутальном направлении. Они имеют большие азимутальные размеры и могут наблюдаться при помощи наземных магнитометров. Их иногда называют поперечно-крупномасштабными колебаниями. Обычно их отождествляют с альфвеновскими модами, источники которых находятся во внешней магнитосфере. Предполагается, что быстрая магнитозвуковая (БМЗ) волна, рожденная на магнитопаузе или в солнечном ветре, распространяется во внутреннюю магнитосферу, где генерирует альфвеновскую моду на резонансной L-оболочке, на которой частота БМЗ-волны совпадает с локальной собственной частотой альфвеновского резонанса [Chen, Hasegawa, 1974; Southwood, 1974].
Волны с большими значениями азимутального волнового числа имеют преимущественно полоидальную поляризацию, т. е. силовые линии магнитного поля волны осциллируют в радиальном направлении. Они имеют малые азимутальные размеры и представляют собой более локальные события, чем осцилляции с малыми m. Их можно назвать поперечно-мелкомасштабными. Эти волны обычно отождествляют с полоидальными альфвеновскими модами. Считается, что они возникают в результате процессов во внутренней магнитосфере. Из-за экранировки ионосферой экспериментальное изучение геомагнитных колебаний с большими азимутальными волновыми числам возможно только посредством искусственных спутников Земли или радарных установок.
Среди волн с большими m в диапазоне Pc5 можно выделить группу буревых компрессионных колебаний, частоты которых могут быть существенно ниже основной частоты альфвеновского резонанса на данной L-оболочке. Подобные колебания регистрируются как при наблюдении со спутников [Barfield, McPherron, 1972], так и при наземных радарных исследованиях [Allan et al., 1982].
По поводу физической природы буревых компрессионных колебаний в диапазоне Pc5 пока нет единого мнения. С точки зрения магнитогидродинамической теории это должна быть самая низкочастотная мода — медленная магнитозвуковая (ММЗ) мода. Однако не вполне очевидно, будет ли справедливо МГД-приближение для описания колебаний с частотами значительно ниже альфвеновского диапазона в бесстолкновительной плазме, поскольку в этом случае необходимо учитывать баунс-частоты, а корректно это сделать можно только при кинетическом подходе [Hurricane et al., 1994]. Иногда буревые Pc5-колебания ассоциируют с дрейфовыми зеркальными модами, которые имеют кинетическую природу [Kremser et al., 1981, Pokhotelov et al., 2001]. Однако, чтобы удовлетворять условиям зеркальной неустойчивости, необходима сильная температурная анизотропия в магнитосферной плазме.
На наш взгляд, наиболее подходящими для интерпретации большинства буревых компрессионных пульсаций Pc5 являются дрейфово-компрессионные моды. Они являются наиболее общими компрессионными модами в кинетике, поскольку для их существования достаточно только конечного давления плазмы и ее неоднородности поперек магнитных оболочек. При этом неустойчивость дрейфово-компрессионных мод может возникнуть из-за пространственных градиентов концентрации горячей плазмы [Crabtree et al., 2003; Klimushkin, Mager, 2011], инверсности распределения горячих протонов по энергиям [Mager et al., 2013] или сцепления с альфвеновской модой вследствие кривизны линий магнитного поля [Klimushkin et al., 2012]. Инверсным мы называем немонотонное распределение по скоростям с максимумом в высокоэнергичной части, по аналогии с [Hughes et al., 1978]. Характерной особенностью дрейфово-компрессионных волн является зависимость их частоты от азимутального волнового числа. Подобное поведение было обнаружено в данных радарных исследований [Mager et al., 2015; Chelpanov et al., 2016].
Ранее было показано, что дрейфово-компрессионные моды, распространяющиеся в направлении дрейфа высокоэнергичных протонов, резонансно взаимодействуют с ними. При росте температуры и падении концентрации частиц с удалением от Земли это может приводить к неустойчивости и самопроизвольной раскачке волн, направление фазовой скорости которых совпадает с направлением дрейфа протонов [Mager et al., 2013]. Порог неустойчивости снижается, если функция распределения протонов имеет инверсный характер. Однако, как показано в работе [James et al., 2013], в некоторых случаях наблюдались волны, распространяющиеся и в обратном направлении, т. е. в направлении дрейфа электронов. Поэтому в статье рассмотрена ситуация, когда волна распространяется в одном направлении с дрейфом электронов. При этом мы предположили, что в плазме присутствуют горячие протоны и электроны, причем последние имеют инверсное распределение по энергиям.
1. 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:https://doi.org/10.1029/JA087 iA08p06163.
2. 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:https://doi.org/10.1029/JA077i025p04720.
3. Chelpanov M.A., Mager P.N., Klimushkin D.Y., et al. Experimental evidence of drift compressional waves in the magnetosphere: an Ekaterinburg coherent decameter radar case study // J. Geophys. Res. Space Phys. 2016. V. 121. P. 1315-1326. DOI:https://doi.org/10.1002/2015JA022155.
4. Chen L., Hasegawa A. A theory of long period magnetic pulsation. 1. Steady state excitation of a field line resonance // J. Geophys. Res. 1974. V. 79. P. 1024-1032. DOI:https://doi.org/10.1029/JA079 i007p01024.
5. Chen L., Hasegawa A. Kinetic theory of geomagnetic pulsations. 1. Internal excitations by energetic particles // J. Geophys. Res. 1991. V. 96. P. 1503-1512. DOI:https://doi.org/10.1029/90JA 02346.
6. Crabtree C., Horton W., Wong H.V., van Dam J.W. Bounce-averaged stability of compressional modes in geotail flux tubes // J. Geophys. Res. 2003. V. 108. P. 1084. DOI: 10.1029/ 2002JA009555.
7. 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. 21,535-21,548. DOI:https://doi.org/10.1029/95JA02024.
8. Hamlin D.A., Karplus R., Vik R.C., Watson K.M. Mirror and azimuthal drift frequencies for geomagnetically trapped particles // J. Geophys. Res. 1961. V. 66, N 1. P. 1-4. DOI:https://doi.org/10.1029/JZ066i001p00001.
9. Higuchi T., Kokubun S. Waveform and polarization of compressional Pc 5 waves at geosynchronous orbit // J. Geophys. Res. 1988. V. 93. P. 14,433-14,443. DOI:https://doi.org/10.1029/JA0 93iA12p14433.
10. Hughes W.J., Southwood D.J., Mauk B., et al. Alfvén waves generated by an inverted plasma energy distribution // Nature. 1978. V. 275. P. 43-45. DOI:https://doi.org/10.1038/275043a0.
11. Hurricane O.A., Pellat R., Coroniti F. V. The kinetic response of a stochastic plasma to low frequency perturbations // Geophys. Res. 1994. V. 21, N 4. P. 253-256. DOI: 10.1029/ 93GL03533.
12. 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. V. 118. P. 1737-1749. DOI:https://doi.org/10.1002/jgra.50131.
13. Klimushkin D.Y., Mager P.N. Spatial structure and stability of coupled Alfvén and drift compressional modes in non-uniform magnetosphere: gyrokinetic treatment // Planet. Space Sci. 2011. V. 59. P. 1613-1620. DOI:https://doi.org/10.1016/j.pss.2011. 07.010.
14. Klimushkin D.Y., Mager P.N., Pilipenko V.A. On the ballooning instability of the coupled Alfvén and drift compressional modes // Earth, Planets and Space. 2012. V. 64. P. 777-781. DOI:https://doi.org/10.5047/eps.2012.04.002.
15. 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:https://doi.org/10.1029/JA086iA05 p03345.
16. Leonovich A.S., Mazur V.A. Resonance excitation of standing Alfvén waves in an axisymmetric magnetosphere (Monochromatic oscillations) // Planet. Space Sci. 1989. V. 37. P. 1095-1108.
17. Leonovich A.S., Mazur V.A. A theory of transverse small-scale standing Alfvén waves in an axially symmetric magnetosphere // Planet. Space Sci. 1993. V. 41. P. 697-717. DOI:https://doi.org/10.1016/0032-0633(93)90055-7.
18. Mager P.N., Berngardt O.I., Klimushkin D.Y., et al. First results of the high-resolution multibeam ULF wave experiment at the Ekaterinburg SuperDARN radar: ionospheric signatures of coupled poloidal Alfvén and drift-compressional modes // J. Atmos. Solar. Terr. Phys. 2015. V. 130-131. P. 112-126. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp.2015.05.017.
19. Mager P.N., Klimushkin D.Y., 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:https://doi.org/10.1002/jgra.50471.
20. Pokhotelov O.A., Onishchenko O.G., Balikhin M.A., et al. Drift mirror instability in space plasmas. 2. Nonzero electron temperature effects // J. Geophys. Res. 2001. V. 106. P. 13,237-13,246.
21. Southwood D.J. Some features of field line resonances in the magnetosphere // Planet. Space Sci. 1974. V. 22. P. 483-491. DOI:https://doi.org/10.1016/0032-0633(74)90078-6.
22. Walker A.D.M. Magnetohydrodynamic Waves in Geospace. The Theory of ULF Waves and their Interaction with Energetic Particles in the Solar-Terrestrial Environment. 2005. P. 503-506.
23. Yeoman T.K., Tian M., Lester M., Jones T.B. A study of Pc5 hydromagnetic waves with equatorward phase propagation // Planet. Space Sci. 1992. V. 40. P. 797-810. DOI:https://doi.org/10.1016/0032-0633(92)90108-Z.
