МОРФОЛОГИЯ И ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ ИОНОСФЕРНОГО АЛЬВЕНОВСКОГО РЕЗОНАТОРА
Рубрики: ОБЗОРЫ
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Слоистость ионосферы приводит к образованию различного рода резонаторов и волноводов. Одним из наиболее известных является ионосферный альвеновский резонатор (ИАР), излучение которого может наблюдаться как на земной поверхности, так и в космосе, в виде веерообразного набора дискретных спектральных полос (ДСП), частота которых плавно меняется в течение суток. Полосы формируются альвеновскими волнами, захваченными между нижней частью ионосферы и перегибом высотного профиля альвеновской скорости в области перехода от ионосферы к магнитосфере. ИАР является одним из важных механизмов ионосферно-магнитосферного взаимодействия. Частота излучения лежит в диапазоне от десятых долей герца до примерно 8 Гц — частоты первой гармоники шумановского резонанса. В обзоре подробно описана морфология явления. Подчеркивается, что излучение ИАР является перманентным явлением, вероятность наблюдения которого в первую очередь определяется чувствительностью аппаратуры и отсутствием помех естественного и искусственного происхождения. Ежедневная длительность наблюдения ДСП зависит от условий освещенности нижней ионосферы: полосы хорошо видны только тогда, когда слой D затенен. Систематизированы многочисленные теоретические модели ИАР. Все они основаны на анализе возбуждения и распространения альвеновских волн в неоднородной ионосферной плазме и различаются в основном источниками генерации колебаний и методами учета различных факторов, таких как взаимодействие волновых мод, дипольная геометрия магнитного поля, частотная дисперсия волн. Предсказываемая всеми моделями резонатора и многократно подтвержденная экспериментально тесная связь изменений частоты ДСП с вариациями критической частоты fоF2 служит основой поиска способов определения в реальном времени электронной концентрации ионосферы по измерениям частоты излучения ИАР. Возможна также оценка профиля ионного состава над ионосферой по данным о частотной структуре излучения ИАР. В обзоре уделяется внимание и другим результатам из широкого диапазона исследований ИАР. Упоминаются результаты, выявившие влияние ориентации межпланетного магнитного поля на колебания резонатора, и факты воздействия на ИАР сейсмических возмущений.

Ключевые слова:
спектральные полосы, ультранизкочастотное излучение, резонатор, стоячие альвеновские волны, гармоническая структура, волновые моды, электронная концентрация, диагностика
Текст
Текст произведения (PDF): Читать Скачать
Список литературы

1. Беляев П.П., Поляков С.В., Рапопорт В.О., Трахтенгерц В.Ю. Обнаpужение pезонансной стpуктуpы спектpа атмосферного электpомагнитного шумового фона в диапазоне коpоткопеpиодных геомагнитных пульсаций. Докл. АН СССР. 1987. Т. 297. С. 840–843.

2. Беляев П.П., Поляков С.В., Ермакова Е.Н., Исаев С.В. Экспериментальные исследования ионосферного альвеновского резонатора по наблюдениям электромагнитного шумового фона в солнечном цикле 1985–1995 гг. Изв. ВУЗов. Радиофизика. 1997. Т. 40, № 10. С. 1305–1319.

3. Гохберг М.Б. Новый тип электромагнитной эмиссии в диапазоне короткопериодных геомагнитных колебаний. Доклады Академии наук. 1998. Т. 359, № 4. С. 543.

4. Гульельми А.В., Потапов А.С. Частотно-модули-рованные ультранизкочастотные волны в околоземном космическом пространстве. УФН. 2021. Т. 191, № 5. С. 475–491. DOI: 10.3367/UFNr.2020.06.038777.

5. Гульельми А.В., Довбня Б.В., Потапов А.С., Хаякава М. Эффект часовых меток в активности электромагнитных колебаний Рс1 как свидетельство антропогенного воздействия на ионосферу и магнитосферу. Солнечно-земная физика. 2011. Вып. 19. С. 88–92.

6. Довбня Б.В., Гульельми А.В., Потапов А.С., Клайн Б.И. О существовании надионосферного резонатора Альфвена. Солнечно-земная физика. 2013а. Вып. 22. С. 12–15.

7. Довбня Б.В., Гульельми А.В., Потапов А.С., Рахматулин Р.А. Дополнительный резонатор для ультранизкочастотных волн. Геофизические исследования. 2013б. Т. 14, № 2. С. 49–58.

8. Довбня Б.В., Клайн Б.И., Куражковская Н.А. Динамика ионосферных альвеновских резонансов (ИАР) с конца 21 по 24 цикл солнечной активности. Геомагнетизм и аэрономия. 2019a. Т. 59, № 1. С. 39–49. DOI: 10.1134/S00167 94019010061.

9. Довбня Б.В., Клайн Б.И., Куражковская Н.А. Влияние суббуревой активности на формирование шумовых УНЧ-излучений в диапазоне частот 0–7 Гц. Геомагнетизм и аэрономия. 2019б. Т. 59, № 3. С. 325–332. DOI: 10.1134/ S0016794019030076.

10. Ермакова Е.Н., Котик Д.С., Поляков С.В. Исследование особенностей резонансной структуры спектра фонового шума в диапазоне частот 1–10 Гц с учетом наклона магнитного поля Земли. Изв. вузов. Радиофизика. 2008. Т. 51, № 7. С. 575–584.

11. Ермакова Е.Н., Поляков С.В., Семенова Н.В. Исследование тонкой структуры в спектре фонового низкочастотного шума на средних широтах. Physics of Auroral Phenomena. Proc. XXXIV Annual Seminar. Apatity. 2011. Р. 147–150.

12. Колосков А.В., Бару Н.А. Определение критической частоты F-слоя по данным наблюдений ионосферного альфвеновского резонанса. Украинский антарктический журнал. 2011–2012. № 10-11. С. 114–120.

13. Пилипенко В.А. Ультранизкочастотные волны в космосе и на Земле. Очерки геофизических исследований: к 75-летию Объединенного института физики Земли им. О.Ю. Шмидта. М.: ОИФЗ РАН, 2003. С. 216–228.

14. Полюшкина Т.Н., Довбня Б.В., Потапов А.С. и др. Частотная структура спектральных полос ионосферного альвеновского резонатора и параметры ионосферы. Геофизические исследования. 2015. Т. 16. № 2. С. 39–57.

15. Поляков С.В. О свойствах ионосферного альвеновского резонатора. Тезисы докладов Симпозиума КАПГ по солнечно-земной физике. Часть 3. М.: Наука, 1976. C. 72–73.

16. Поляков С.В., Рапопорт В.О. Ионосферный альвеновский резонатор. Геомагнетизм и аэрономия. 1981. Т. 21. № 5. С. 816–822.

17. Потапов А.С., Довбня Б.В., Цэгмед Б. О воздействии землетрясений на ионосферные резонансы Альвена. Физика Земли. 2008. № 4. C. 93–96.

18. Потапов А.С., Полюшкина Т.Н., Ойнац А.В. и др. Первый опыт оценки ионного состава над ионосферой по данным о частотной структуре излучения ИАР. Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2016. Т. 13. № 2. С. 192–202. DOI: 10.21046/2070-7401-2016-13-2-192-202.

19. Baru N., Koloskov A., Yampolsky Y., Rakhmatulin R. Multipoint observations of Ionospheric Alfvén Resonance. Adv. Astron. Space Phys. 2016. Vol. 6, no. 1. P. 45–49. DOI: 10.17721/2227-1481.6.45-49.

20. Belyaev P.P., Polyakov S.V., Rapoport V.O., Trakhtengerts V.Y. Theory for the formation of resonance structure in the spectrum of atmospheric electromagnetic background noise in the range of short-period geomagnetic pulsations. Radiophys. Quantum Electron. 1989. Vol. 32, no. 7. P. 594–601.

21. Belyaev P.P., Polyakov S.V., Rapoport V.O., Trakhtengerts V.Yu. The ionospheric Alfvén resonator. J Atmos. Terr. Phys. 1990. Vol. 52, no. 9. P. 781–788.

22. Belyaev P.P., Bösinger T., Isaev S.V., Kangas J. First evidence at high latitudes for the ionospheric Alfvén resonator. J. Geophys. Res. 1999. Vol. 104, iss. A3. P. 4305–4317. DOI: 10.1029/1998JA900062.

23. Bösinger T., Haldoupis C., Belyaev P.P., et al. Special properties of the ionospheric Alfvén resonator observed at a low-latitude station (L=1.3). J. Geophys. Res. 2002. Vol. 107, A10. P. 1281–1289. DOI: 10.1029/2001JA005076.

24. Bösinger T., Demekhov A.G., Trakhtengerts V.Y. Fine structure in ionospheric Alfvèn resonator spectra observed at low latitude (L=1.3). Geophys. Res. Lett. 2004. Vol. 31, L18802. DOI: 10.1029/2004GL020777.

25. Chaston C.C., Bonnell J.W., Carlson C.W., et al. Electron acceleration in the ionospheric Alfvén resonator. J. Geophys. Res. 2002. Vol. 107, no. A11. P. 1413. DOI: 10.1029/2002JA009272.

26. Demekhov A.G., Belyaev P.P., Isaev S.V., et al. Modelling the diurnal evolution of the resonance spectral structure of the atmospheric noise background in the Pc1 frequency range. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2000. Vol. 62. P. 257–265. DOI: 10.1016/S1364-6826(99)00119-4.

27. Dudkin D., Pilipenko V., Korepanov V., et al. Electric field signatures of the IAR and Schumann resonance in the upper ionosphere detected by Chibis-M microsatellite. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2014. Vol. 117. P. 81–87. DOI: 10.1016/ j.jastp.2014.05.013.

28. Fedorov E., Mazur N., Pilipenko V., Engebretson M. Interaction of magnetospheric Alfvén waves with the ionosphere in the Pc1 frequency band. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2016a. Vol. 121, no. 1. P. 321–337. DOI: 10.1002/2015JA021020.

29. Fedorov E., Mazur N., Pilipenko V., Baddeley L. Modeling the high‐latitude ground response to the excitation of the ionospheric MHD modes by atmospheric electric discharge. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2016b. Vol. 121, iss. 11. P. 11,282–11,301. DOI: 10.1002/2016JA023354.

30. Fedorov E., Mazur N., Pilipenko V., Ermakova E. Modeling diurnal variations of the IAR parameters. Acta Geodaetica et Geophysica. 2016c. Vol. 51, no. 4. P. 597–617. DOI: 10.1007/s40328-015-0158-9.

31. Grimalsky V., Kotsarenko A., Pulinets S., et al. On the modulation of intensity of Alfvén resonances before earthquakes: Observations and model. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2010. Vol. 72, no. 1. P. 1–6. DOI: 10.1016/j.jastp.2009.09.017.

32. Guglielmi A.V., Potapov A.S. Influence of the interplanetary magnetic field on ULF oscillations of the ionospheric resonator. Cosmic Res. 2017. Vol. 55, no. 4. P. 248–252. DOI: 10.1134/S0010952517030042.

33. Guglielmi A., Zotov O. The human impact on the Pc1 wave activity. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2007. Vol. 69. P. 1753–1758.

34. Guglielmi A., Potapov A., Tsegmed B., et al. On the earthquake effects in the regime of ionospheric Alfven resonances. Physics and Chemistry of the Earth. 2006. Vol. 31. P. 469–472.

35. Guglielmi A.V., Klain B.I., Potapov A.S. Discrete spectrum of ULF oscillations of the ionosphere. 2021. arXiv:2105.01871 [physics.geo-ph].

36. Hasegawa A., Chen L. Theory of magnetic pulsations. Space Sci. Rev. 1974. Vol. 16, no. 3. P. 347–359. DOI: 10.1007/ BF00171563.

37. Hebden S.R., Robinson T.R., Wright D.M., et al. A quantitative analysis of the diurnal evolution of Ionospheric Alfvén resonator magnetic resonance features and calculation of changing IAR parameters. Ann. Geophys. 2005. Vol. 23. P. 1711–1721. DOI: 10.5194/angeo-23-1711-2005.

38. Ivanov N.V., Tereshchenko E.D., Tereshchenko P.E., Kopytenko Y.A. Features of resonance structures in natural electromagnetic noise spectra in the region of the main ionospheric trough. Geomagnetism and Aeronomy. 2017. Vol. 57, no. 6. P. 752–760. DOI: 10.1134/S0016793217050097.

39. Lysak R.L. Feedback instability of the ionospheric resonant cavity. J. Geophys. Res. 1991. Vol. 96, no. A2. P. 1553–1568. DOI: 10.1029/90JA02154.

40. Lysak R.L. Magnetosphere–ionosphere coupling by Alfvén waves at midlatitudes. J. Geophys. Res. 2004. Vol. 109, A07201. DOI: 10.1029/2004JA010454.

41. Lysak R.L., Yoshikawa A. Resonant cavities and waveguides in the ionosphere and atmosphere. Magnetospheric ULF Waves: Synthesis and New Directions. Geophys. Monograph Ser. 2006. Vol. 169. P. 289–306. Washington: American Geophysical Union Publ., DC, USA, 2006.

42. Lysak R.L., Waters C.L., Sciffer M.D. Modeling of the ionospheric Alfvén resonator in dipolar geometry. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2013. Vol. 118, no. 4. P. 1514–1528. DOI: 10.1002/jgra.50090.

43. Molchanov O.A., Schekotov A.Yu., Fedorov E., Hayakawa M. Ionospheric Alfvén resonance at middle latitudes: Results of observations at Kamchatka. Physics and Chemistry of the Earth. 2004. Vol. 29. P. 649–655. DOI: 10.1016/j.pce.2003.09.022.

44. Nosé M., Uyeshima M., Kawai J., Hase H. Ionospheric Alfvén resonator observed at low-latitude ground station, Muroto. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2017. Vol. 122. P. 7240–7255. DOI: 10.1002/2017JA024204.

45. Parent A., Mann I.R., Rae I.J. Effects of substorm dynamics on magnetic signatures of the ionospheric Alfvén resonator. J. Geophys. Res. 2010. Vol. 115, iss. A2, CiteID A02312. DOI: 10.1029/2009JA014673.

46. Pilipenko V., Dudkin D., Fedorov E., et al. IAR signatures in the ionosphere: Modeling and observations at the Chibis-M microsatellite. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2017. Vol. 154. P. 217–225. DOI: 10.1016/j.jastp.2015.12.012.

47. Pokhotelov O.A., Pokhotelov D., Streltsov A., et al. Dispersive ionospheric Alfvén resonator. J. Geophys. Res. 2000. Vol. 105, no. A4. P. 7737–7746. DOI: 10.1029/1999JA900480.

48. Pokhotelov O.A., Khruschev V., Parrot S., et al. Ionospheric Alfvén resonator revisited: Feedback instability. J. Geophys. Res. 2001. Vol. 106, no. A11. P. 25813–258234. DOI: 10.1029/2000JA000450.

49. Pokhotelov O.A., Feygin F.Z., Khabazin Yu, et al. Observations of IAR spectral resonance at a large triangle of geophysical observatories. Physics of Auroral Phenomena. Proc. XXVI Annual Seminar. Apatity: Kola, Science Center, Russian Academy of Science, 2003. P. 123–126.

50. Potapov A.S., Polyushkina T.N. Estimation of the ionosphere critical frequency without radio sounding. IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2020a. Vol. 58, no. 7. P. 5058–5065. DOI: 10.1109/TGRS.2020.2972011.

51. Potapov A.S., Polyushkina T.N. Response of IAR frequency scale to solar and geomagnetic activity in solar cycle 24. AIMS Geosciences. 2020b. Vol. 6, no. 4. P. 545–560. DOI: 10.3934/geosci.2020031.

52. Potapov A.S., Polyushkina T.N., Dovbnya B.V., et al. Emissions of ionospheric Alfvén resonator and ionospheric conditions. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2014. Vol. 119. P. 91–101. DOI: 10.1016/j.jastp.2014.07.001.

53. Potapov A.S., Polyushkina T.N., Tsegmed B., et al. Considering the potential of IAR emissions for ionospheric sounding. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2017. Vol. 164. P. 229–234. DOI: 10.1016/j.jastp.2017.08.026.

54. Potapov A.S., Guglielmi A.V., Klain B.I. Discrete spectrum of ULF oscillations of the ionosphere. IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2021. DOI: 10.1109/TGRS.2021. 3092738.

55. Prikner K., Mursula K., Kangas J., et al. An effect of the ionospheric Alfvén resonator on multiband Pc1 pulsations. Ann. Geophys. 2004. Vol. 22. P. 643–651. DOI: 10.5194/angeo-22-643-2004.

56. Samadani R., Fraser-Smith A.C., Villard Jr. O.G. Possible change in natural Pc1 pulsation activity caused by BART. J. Geophys. Res. 1981. Vol. 86. P. 9211–9214. DOI: 10.1029/ JA086iA11p09211.

57. Schekotov A., Pilipenko V., Shiokawa K., Fedorov E. ULF impulsive magnetic response at mid-latitudes to lightning activity. Earth, Planets and Space. 2011. Vol. 63. P. 119–128. DOI: 10.5047/eps.2010.12.009.

58. Sciffer M.D., Waters C.L. Propagation of ULF waves through the ionosphere: Analytic solutions for oblique magnetic fields. J. Geophys. Res. 2002. Vol. 107, no. A10. P. 1297. DOI: 10.1029/2001JA000184.

59. Sciffer M.D., Waters C.L., Menk F.W. A numerical model to investigate the polarisation azimuth of ULF waves through an ionosphere with oblique magnetic fields. Ann. Geophys. 2005. Vol. 23. P. 3457.

60. Semenova N.V., Yahnin A.G. Substorm effect on ground observations of signatures of the ionospheric Alfvén resonator. Proc. International Conference on Substorms‐8. Univ. of Calgary, Banff, Canada. 2005.

61. Semenova N.V., Yahnin A.G. Sudden change in the resonance structure in the electromagnetic noise spectrum in the 0.1–10 Hz range during a substorm. Geomagnetism and Aeronomy. 2014. Vol. 54, no. 3. P. 316–322. DOI: 10.1134/ S0016793214030153.

62. Semenova N.V., Yahnin A.G., Vasil’ev A.N., Amm O. Specific features of resonance structures in spectra of ULF electromagnetic noise at high latitudes (Barentsburg Observatory). Geomagnetism and Aeronomy. 2008. Vol. 48. P. 36–44. DOI: 10.1007/s11478-008-1005-8.

63. Simões F., Klenzing J., Ivanov S., et al. Detection of ionospheric Alfvén resonator signatures in the equatorial ionosphere. J. Geophys. Res. 2012. Vol. 117, A11305. DOI: 10.1029/ 2012JA017709.

64. Southwood D.J. Some features of field line resonances in the magnetosphere. Planet. Space Sci. 1974. Vol. 22, no. 3. P. 483–491. DOI: 10.1016/0032-0633(74)90078-6.

65. Stanislawska I., Juchnikowski G., Gulyaeva T.L. Correlation distances based on ionospheric and geomagnetic catalogues. Proc. STP-V Workshop. Hitachi, Japan. 1997. P. 387–390.

66. Surkov V.V., Pilipenko V.A. Spectral signatures of the ionospheric Alfvén resonator to be observed by low-Earth orbit satellite. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2016. Vol. 121. P. 2783–2794. DOI: 10.1002/2015JA021912.

67. Surkov V.V., Pokhotelov O.A., Parrot M., Fedorov E.N., Hayakawa M. Excitation of the ionospheric resonance cavity by neutral winds at middle latitudes. Ann. Geophys. 2004. Vol. 22. P. 2877–2889. DOI: 10.5194/angeo-22-2877-2004.

68. Surkov V.V., Hayakawa M., Schekotov A.Y., Fedorov E.N., Molchanov O.A. Ionospheric Alfvén resonator excitation due to nearby thunderstorms. J. Geophys. Res. 2006. Iss. A1. CiteID A01303. DOI: 10.1029/2005JA011320.

69. Trakhtengertz V.Yu., Feldstein A.Ya. Turbulent regime of magnetospheric convection. Geomagnetism and Aeronomy. 1987. Vol. 27. P. 221–228.

70. Trakhtengerts V.Yu., Feldstein A.Ya. Turbulent Alfvén boundary layer in the polar ionosphere. 1. Excitation conditions and energetic. J. Geophys. Res. 1991. Vol. 96, no. A11. P. 19363–19374.

71. Yahnin A.G., Semenova N.V., Ostapenko A.A., et al. Morphology of the spectral resonance structure of the electromagnetic background noise in the range of 0.1–4 Hz at L=5.2. Ann. Geophys. 2003. Vol. 21. P. 779–786. DOI: 10.5194/angeo-21-779-2003.

72. Zhao Z.Y., Ni B.B. Signatures of the ionospheric Alfvén resonator from AUREOL-3 ULF/ELF fluctuation measurements. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2006. Vol. 68. P. 191–201. DOI: 10.1016/j.jastp.2005.10.009.

73. Zotov O.D., Guglielmi A.V. Diversity of geophysical manifestations of the ponderomotive forces. Proc. The 8th International Conference “Problems of Geocosmos”. St. Petersburg. Petrodvorets. 20–24 Sept. 2010. P. 294–299.

74. URL: https://omniweb.sci.gsfc.nasa.gov/vitmo/cgm.html (дата обращения 19 апреля 2021 г.).

75. URL: https://omniweb.gsfc.nasa.gov/ow.html (дата обращения 19 апреля 2021 г.).

76. URL: http://ckp-rf.ru/ckp/3056 (дата обращения 19 апреля 2021 г.).