Solnechno-Zemnaya Fizika Solnechno-Zemnaya Fizika Солнечно-земная физика 2712-9640 27734 10.12737/szf-53201910 Обзоры Reviews Обзоры Problems of the Pc1 magnetospheric wave theory. A review Проблемы теории магнитосферных волн Рс1. Обзор Гульельми Анатолий Владимирович Guglielmi Anatol Vladimirovich guglielmi@mail.ru

доктор физико-математических наук;

doctor of physical and mathematical sciences;

 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;

 Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН Москва Россия Schmidt Institute of Physics of the Earth, RAS Moscow Russian Federation Институт солнечно-земной физики СО РАН Иркутск Россия Institute of Solar-Terrestrial Physics SB RAS Irkutsk Russian Federation 5 3 102 109 https://naukaru.ru/en/nauka/article/27734/view

Ультранизкочастотные электромагнитные волны Рс1 (диапазон частот 0.2–5 Гц), известные также как ожерелья жемчужин (pearl necklace), представляют собой уникальное явление в физике околоземного космического пространства. Многие свойства жемчужин остаются загадкой, несмотря на исследования выдающихся космофизиков на протяжении более полувека. В предлагаемом обзоре мы кратко изложим основные положения так называемой стандартной модели, которая широко используется для интерпретации Рс1. Далее мы сосредоточим внимание на критике стандартной модели и выявлении открытых проблем теории Рс1. Общий вывод состоит в том, что необходима разработка новых идей вне рамок стандартной модели для понимания процессов возбуждения и распространения волн Рс1 в магнитосфере Земли.

The Pc1 ultralow-frequency electromagnetic waves (frequency range 0.2–5 Hz), also known as pearl necklace, are a unique phenomenon in near-Earth space physics. Many properties of pearls remain a mystery, despite the research of prominent cosmophysicists for more than half a century. In the proposed review, we briefly outline the main points of the so-called standard model, which is widely used to interpret Pc1. Next, we focus on the criticism of the standard model and on the identification of open problems in the Pc1 theory. The general conclusion is that it is necessary to develop new ideas outside the framework of the standard model in order to understand the processes of excitation and propagation of Pc1 waves in Earth’s magnetosphere.

 ультранизкочастотные электромагнитные волны радиационный пояс ионно-циклотронный резонатор режим самовозбуждения ultralow-frequency electromagnetic waves radiation belt ion-cyclotron resonator self-excitation mode

Андронов А.А., Фабрикант А.Л. Затухание Ландау, ветровые волны и свисток // Нелинейные волны. М.: Наука, 1979. С. 68-104. Andronov A.A., Fabrikant A.L. Landau damping, wind waves and whistle. Nelinejnye volny [Non-Linear Waves]. Moscow, Nauka Publ., 1979, pp. 68-104. (In Russian). Беспалов П.А., Трахтенгерц В.Ю. Альвеновские мазеры. Горький: ИПФ АН СССР, 1986. 190 с. Bespalov P.A., Trakhtengertz V.Yu. Alvenovskiye mazery [Alfven Masers]. Gorky, IPPh AS USSR, 1986, 190 p. (In Russian). Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. М.: Наука, 1967. 684 с. Cornwall J.M. Cyclotron instabilities and electromagnetic emission in the ultralow frequency and very low frequency ranges. J. Geophys. Res. 1965, vol. 70, pp. 61-69. Градштейн И.С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. М.: Физматгиз, 1962. 1100 с. Demekhov A.G. Recent progress in understanding Pc1 pearl formation. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2007, vol. 69, pp. 1609-1622. DOI: 10.1016/j.jastp.2007.01.014. Гульельми А.В. Циклотронная неустойчивость внешнего радиационного пояса Земли в режиме автомодуляции нарастающих волн // Письма в ЖЭТФ. 1971. Т. 13, № 2. С. 85-88. Feygin F.Z., Kurchashov Yu.P. A quasilinear dynamics of Pc1 geomagnetic pulsations (Pearls). J. of Geomagnetism and Geoelectricity. 1975, vol. 26, pp. 539-548. Гульельми А.В. МГД-волны в околоземной плазме. М.: Наука, 1979. 139 с. Feygin F.Z., Yakimenko V.L. The mechanism of generation and development of “pearls” under the cyclotron instability of the outer proton zone. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 1969, vol. 9, no. 4, pp. 700-705. (In Russian). Гульельми А.В. Ультранизкочастотные электромагнитные волны в коре и магнитосфере Земли // УФН. 2007. Т. 177, № 12. С. 1257-1276. Feygin F.Z., Yakimenko V.L. On the fine structure of micropulsations of the Pc1 type. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 1970, vol. 10, no. 3, pp. 558-560. (In Russian). Гульельми А.В. Нелинейность геоэлектромагнитных волн // Геофизические исследования. 2008. Т. 9, № 3. С. 16-24. Ginzburg V.L. Rasprostranenie elektromagnitnykh voln v plazme [Propagation of electromagnetic waves in plasma]. Moscow, Nauka Publ., 1967, 684 p. (In Russian). Гульельми А.В., Потапов А.С. Влияние тяжелых ионов на спектр колебаний магнитосферы // Космические исследования. 2012. Т. 50, № 4. С. 283-291. Gradshtein I.S., Ryzhik I.M. Table of integrals, series, and products. New York, Academic Press, 1965, 1086 p. Гульельми А.В., Троицкая В.А. Геомагнитные пульсации и диагностика магнитосферы. М.: Наука, 1973. 208 с. Guglielmi A.V. Cyclotron instability of the outer radiation belt of the Earth under conditions of self-modulation of growing waves. JETP Lett. 1971, vol. 13, no. 2, pp. 85-88. (In Russian). Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. Изд. 4-е, стереотипное. М.: Наука, 1988. 736 с. Guglielmi A.V. MGD-volny v okolozemnoi plazme [MHD Waves in the Near-Earth Plasma]. Moscow, Nauka Publ., 1979, 139 p. (In Russian). Лифшиц Е.М., Питаевский Л.П. Физическая кинетика. М.: Наука, 1979. 528 с. Guglielmi A.V. Ultralow-frequency electromagnetic waves in the Earth’s crust and magnetosphere. Physics-Uspekhi. 2007, vol. 50, no. 12, pp. 1197-1216. Некрасов А.К., Фейгин Ф.З. Пондеромоторная сила ионно-циклотронных волн в частотном диапазоне Pс1 с магнитозвуковой дисперсией // Физика Земли. 2018. № 5. C. 81-88. Guglielmi A.V. Nonlinearity of geoelectromagnetic waves. Geofizicheskie issledovaniya [Geophys. Res.]. 2008, vol. 9, no. 3, pp. 16-24. (In Russian). Нишида А. Геомагнитный диагноз магнитосферы. М.: Наука, 1980. 299 с. Guglielmi A.V., Pokhotelov O.A. Geoelectromagnetic Waves. IOP Publ. Ltd. Bristol and Philadelphia, 1996, 402 p. Тагиров В.Р., Трахтенгерц В.Ю., Черноус С.А. О происхождении пульсирующих авроральных пятен // Геомагнетизм и аэрономия. 1986. Т. 26, № 4. С. 600-604. Guglielmi A.V., Potapov A.S. The effect of heavy ions on the spectrum of oscillations of the magnetosphere. Cosmic Res. 2012, vol. 50, no. 4, pp. 263-271. DOI: 10.1134/S0010952512040016. Трахтенгерц В.Ю., Демехов А.Г. Космические циклотронные мазеры // Природа. 2002. № 4. С. 25-31. Guglielmi A.V., Troitskaya V.A. Geomagnitnye pulsatsii i diagnostika magnitosfery [Geomagnetic pulsations and diagnostics of the magnetosphere]. Moscow, Nauka Publ., 1973, 208 p. (In Russian). Трахтенгерц В.Ю., Тагиров В.Р., Черноус С.А. Проточный циклотронный мазер и импульсные ОНЧ-излучения // Геомагнетизм и аэрономия. 1986. Т. 26, № 1. С. 99-106. Guglielmi A., Potapov A., Russell C. The ion cyclotron resonator. JETP Lett. 2000, vol. 72, pp. 432-435. Троицкая В.А. Классификация быстрых вариаций магнитного поля и земных токов // Геомагнетизм и аэрономия. 1964. Т. 4, № 3. С. 615-616. Guglielmi A., Kangas J., Potapov A. Quasi-periodic modulation of the Pc1 geomagnetic pulsations: An unsettled problem. J. Geophys. Res. 2001, vol. 106, no. A11, pp. 25847-25856. Фейгин Ф.З., Якименко В.Л. Механизм генерации и развитие «жемчужин» при циклотронной неустойчивости внешней протонной зоны // Геомагнетизм и аэрономия. 1969. Т. 9, № 4. С. 700-705. Kangas J., Guglielmi A., Pokhotelov O. Morphology and physics of short-period magnetic pulsations (A Review). Space Sci. Rev. 1998, vol. 83, pp. 435-512. Фейгин Ф.З., Якименко В.Л. О тонкой структуре микропульсаций типа Рс1 // Геомагнетизм и аэрономия. 1970. Т. 10, № 3. С. 558-560. Kangas J., Fraser B., Potapov A. Pc1 pearl waves: Discovery, morphology and physics. Preface. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2007, vol. 69, pp. 1599. DOI: 10.1016/j.jastp.2007.06.004 Cornwall J.M. Cyclotron instabilities and electromagnetic emission in the ultralow frequency and very low frequency ranges // J. Geophys. Res. 1965. V. 70. P. 61-69. Klimushkin D.Yu., Mager P.N., Marilovtseva O.S. Parallel structure of Pc1 ULF oscillations in multi-ion magnetospheric plasma at finite ion gyrofrequency. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2010, vol. 72, pp. 1327-1332. DOI: 10.1016/j.jastp.2010.09.019. Demekhov A.G. Recent progress in understanding Pc1 pearl formation // J. Atmosph. Solar-Terr. Phys. 2007. V. 69. P. 1609-1622. DOI: 10.1016/j.jastp.2007.01.014. Kurazhkovskaya N.A., Klain B.I., Dovbnya B.V. Patterns of simultaneous observations of high-latitude magnetic impulses (MIEs) and impulsive bursts in the Pc1-2 band. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2007, vol. 69, pp. 1680-1689. DOI: 10.1016/j.jastp.2006.12.003. Feygin F.Z., Kurchashov Yu.P. A quasilinear dynamics of Pc1 geomagnetic pulsations (Pearls) // J. of Geomagnetism and Geoelectricity. 1975. V. 26. P. 539-548. Landau L.D., Lifshitz E.M. Gidrodinamika [Hydrodynamics]. Moscow: Nauka Publ., 1988, 733 p. (In Russian). Guglielmi A.V., Pokhotelov O.A. Geoelectromagnetic Waves. IOP Publ. Ltd. Bristol and Philadelphia, 1996. 402 p. Lifshitz E.M., Pitaevskii L.P. Physical Kinetics. Course of Theoretical Physics, vol. 10 (1 ed.). Oxford: Pergamon, 1981, 453 p. Guglielmi A., Potapov A., Russell C. The ion cyclotron resonator // JETP Lett. 2000. Т. 72. С. 432-435. Mikhailova O.S. The spatial structure of ULF-waves in the equatorial resonator localized at the plasmapause with the admixture of the heavy ions. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2014, vol. 108, pp. 10-16. DOI: 10.1016/j.jastp.2013.12.007. Guglielmi A., Kangas J., Potapov A. Quasi-periodic modu- lation of the Pc1 geomagnetic pulsations: An unsettled problem // J. Geophys. Res. 2001. V. 106, N A11. P. 25847-25856. Mursula K. Satellite observations of Pc1 pearl waves: The changing paradigm. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2007, vol. 69, pp. 1623-1634. DOI: 10.1016/j.jastp.2007.02.013. Kangas J., Guglielmi A., Pokhotelov O. Morphology and physics of short-period magnetic pulsations (A Review) // Space Sci. Rev. 1998. V. 83. P. 435-512. Nekrasov A.K., Feygin F.Z. Ponderomotive force of ion cyclotron waves in the Pc1 frequency range with magnetosonic dispersion. Izvestiya. Physics of the Solid Earth. 2018, vol. 54, no. 5, pp. 741-748. Kangas J., Fraser B., Potapov A. Pc1 pearl waves: Discovery, morphology and physics. Preface // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2007. V. 69. P. 1599. DOI: 10.1016/j.jastp.2007.06.004. Nishida A. Geomagnetic Diagnosis of the Magnetosphere. New York, Springer-Verlag, 1978, 2013, 256 p. Klimushkin D.Yu., Mager P.N., Marilovtseva O.S. Parallel structure of Pc1 ULF oscillations in multi-ion magnetospheric plasma at finite ion gyrofrequency // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2010. V. 72. P. 1327-1332. DOI: 10.1016/j.jastp.2010.09.019. Paulson K.W., Smith C.W., Lessard M.R., Engebretson M.J., Torbert R.B., Kletzing C.A. In situ observations of Pc1 pearl pulsations by the Van Allen Probes. Geophys. Res. Lett. 2014, vol. 41, pp. 1823-1829. DOI: 10.1002/2013GL059187. Kurazhkovskaya N.A., Klain B.I., Dovbnya B.V. Patterns of simultaneous observations of high-latitude magnetic impulses (MIEs) and impulsive bursts in the Pc1-2 band // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2007. V. 69. P. 1680-1689. DOI: 10.1016/j.jastp.2006.12.003. Paulson K.W., Smith C.W., Lessard M.R., Torbert R.B., Kletzing C.A., Wygant J.R. In situ statistical observations of Pc1 pearl pulsations and unstructured EMIC waves by the Van Allen Probes. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2017, vol. 122, pp. 105-119. DOI: 10.1002/2016JA023160. Mikhailova O.S. The spatial structure of ULF-waves in the equatorial resonator localized at the plasmapause with the admixture of the heavy ions // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2014. V. 108. P. 10-16. DOI: 10.1016/j.jastp.2013.12.007. Raita T., Kultima J. Discovery of the pearl waves by Eyvind Sucksdorff. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2007, vol. 69, pp. 1600-1603. DOI: 10.1016/j.jastp.2007.01.013. Mursula K. Satellite observations of Pc1 pearl waves: The changing paradigm // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2007. V. 69. P. 1623-1634. DOI: 10.1016/j.jastp.2007.02.013. Sucksdorff E. Occurences of rapid micropulsations at Sodankylä during 1932 to 1935. Terrestrial Magnetism and Atmospheric Electricity. 1936, vol. 41, pp. 337-344. Paulson K.W., Smith C.W., Lessard M.R., Engebretson M.J., Torbert R.B., Kletzing C.A. In situ observations of Pc1 pearl pulsations by the Van Allen Probes // Geophys. Res. Lett. 2014. V. 41. P. 1823-1829. DOI: 10.1002/2013GL059187. Tagirov V.R., Trakhtengertz V.Yu., Chernous S.A. On the nature of aurora pulsing spots. Geomagnetizm i aeronomiia [Geomagnetism and Aeronomy]. 1986, vol. 26, no. 4, pp. 600-604. (In Russian). Paulson K.W., Smith C.W., Lessard M.R., Torbert R.B., Kletzing C.A., J.R. Wygant. In situ statistical observations of Pc1 pearl pulsations and unstructured EMIC waves by the Van Allen Probes // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2017. V. 122. P. 105-119. DOI: 10.1002/2016JA023160. Tepley L. Regular oscillations near 1 c/s observed simultaneously at middle and low latitudes. Radio Sci. 1965, vol. 69D, pp. 1089-1105. Raita T., Kultima J. Discovery of the pearl waves by Eyvind Sucksdorff // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2007. V. 69. P. 1600-1603. DOI: 10.1016/j.jastp.2007.01.013. Trakhtengertz V.Yu., Demekhov A.G. Cosmic cyclotron masers. Priroda [Nature]. 2002, no. 4, pp. 25-31. (In Russian). Sucksdorff E. Occurences of rapid micropulsations at Sodankylä during 1932 to 1935 // Terrestrial Magnetism and Atmospheric Electricity. 1936. V. 41. P. 337-344. Trakhtengertz V.Yu., Tagirov V.R., Chernous S.A. A flow- through cyclotron maser and pulsed VLF emission. Geomagnetizm i aeronomiia [Geomagnetism and Aeronomy]. 1986, vol. 26, no. 1, pp. 99-106. (In Russian). Tepley L. Regular oscillations near 1 c/s observed simultaneously at middle and low latitudes // Radio Sci. 1965. V. 69D. P. 1089-1105. Troitskaya V.A. Classification of rapid pulsations of the magnetic field and earth currents. Geomagnetism and Aeronomy. 1964, vol. 4, p. 490-491. Troitskaya V.A., Guglielmi A.V. Geomagnetic micropulsations and diagnostics of the magnetosphere // Space Sci. Rev. 1967. V. 7, N 5/6. P. 689-769. Troitskaya V.A., Guglielmi A.V. Geomagnetic micropulsations and diagnostics of the magnetosphere. Space Sci. Rev. 1967, vol. 7, no. 5/6, pp. 689-769. Yahnin A.G., Yahnina T.A. Energetic proton precipitation related to ion-cyclotron waves // J. Atmosph. Solar-Terr. Phys. 2007. V. 69. P. 1690-1706. DOI: 10.1016/j.jastp.2007.02.010. Yahnin A.G., Yahnina T.A. Energetic proton precipitation related to ion-cyclotron waves. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2007, vol. 69, pp. 1690-1706. DOI: 10.1016/j.jastp.2007.02.010. Yanagihara K. Geomagnetic micropulsations with periods from 0.03 to 10 seconds in auroral zones with special reference to conjugate-point studies // J. Geophys. Res. 1963. V. 68, N 11. P. 3383-3397. Yanagihara K. Geomagnetic micropulsations with periods from 0.03 to 10 seconds in auroral zones with special reference to conjugate-point studies. J. Geophys. Res. 1963, vol. 68, no. 11, pp. 3383-3397. Zolotukhina N., Cao J. Transformation of structured Pc1 into IPDP-like emission under enhanced magnetospheric convection: A case study // J. Atmosph. Solar-Terr. Phys. 2007. V. 69. P. 1668-1679. DOI: 10.1016/j.jastp.2007.01.016. Zolotukhina N., Cao J. Transformation of structured Pc1 into IPDP-like emission under enhanced magnetospheric convection: A case study. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2007, vol. 69, pp. 1668-1679. DOI: 10.1016/j.jastp.2007.01.016.