Москва, Россия
Борок, Россия
Данная работа посвящена проблеме интерпретации так называемой “серпентинной эмиссии” (serpentine emission – SE), которая представляет собой УНЧ колебания электромагнитного поля в диапазоне Рс1–2 (0.1–5 Гц), обнаруженные в Антарктиде. Отличительная особенность SE, затрудняющая интерпретацию в рамках стандартной теории колебаний магнитосферы, состоит в глубокой модуляции несущей частоты колебаний. Характерное время частотной модуляции меняется от случая к случаю от 1 мин до 1 ч. Предполагается, что частотно-модулированные колебания проникают в полярные шапки из межпланетной среды, где они возбуждаются в виде ионно-циклотронных волн результате неустойчивости плазмы с анизотропным распределением ионов по скоростям. Предложен тест для проверки гипотезы о внемагнитосферном происхождении SE и обнаружено не известное ранее свойство SE, свидетельствующее в пользу гипотезы. Данное свойство состоит в том, что временами несущая частота колебаний испытывает ярко выраженную 5-минутную модуляцию. Судя по всему, 5-минутная модуляция SE генетически связана с 5-минутными колебаниями солнечной фотосферы.
серпентинная эмиссия, ионно-циклотронные волны, волны Альфвена, колебания фотосферы, солнечно-земные связи
ВВЕДЕНИЕ
В начале 70-х гг. прошлого века в Антарктиде неподалеку от Южного геомагнитного полюса были обнаружены квазимонохроматические ультранизко-частотные (УНЧ) электромагнитные колебания не-обычной формы [Гульельми, Довбня, 1973, 1974; Guglielmi, Dovbnya, 1974]. Они наблюдались часами, а иногда и днями при спокойных геомагнитных условиях в диапазоне частот Рс1-2 (0.1-5 Гц) и ра-дикально отличались от известных ранее перманентных УНЧ-колебаний (см., например, монографию [Гульельми, Троицкая, 1973], в которой изложена морфология и физика перманентных и спорадических УНЧ-колебаний). Отличие состояло в том, что частота колебаний испытывала весьма глубокую модуляцию, изменяясь на одну-две октавы за время от нескольких минут до часа. Это необычное явление было предложено называть «серпентинной эмиссией» (serpentine emission - SE) [Гульельми, Довбня, 1973]. Динамический спектр колебаний действительно напоминает ползущую змею (см. рис. 1).
![Рис. 1. Пример динамического спектра УНЧ-колебаний с глубокой модуляцией несущей частоты. Вид динамического спектра подсказал название «серпентинная эмиссия» для обозначения этих колебаний [Гульельми, Довбня, 1973]](/app/uploads/NPub/9617/eae3ee63648f90a0584d10edb3d2cc02.jpg)
Рис. 1. Пример динамического спектра УНЧ-колебаний с глубокой модуляцией несущей частоты. Вид динамического спектра подсказал название «серпентинная эмиссия» для обозначения этих колебаний [Гульельми, Довбня, 1973]
В работе [Гульельми, Довбня, 1973] сформулирована гипотеза о природе SE, в рамках которой удается придать физический смысл глубокой модуляции несущей частоты SE. Суть гипотезы в том,что колебания проникают в магнитосферу из межпланетной плазмы (о проникновении УНЧ-волн из межпланетной среды в магнитосферу см. в моно-графии [Guglielmi, Pokhotelov, 1996]). В межпланетной плазме колебания возбуждаются в результате ионно-циклотронной неустойчивости на частоте ω′~Ωp, близкой к гирочастоте протонов Ωp, и распространяются вдоль силовых линий межпланетного магнитного поля B (ММП). Вследствие эффекта Доплера наземный наблюдатель зарегистрирует частоту ω=kU+ω′, где U - скорость солнечного ветра перед фронтом магнитосферы, k - волновой вектор, причем k~ω0p/c,ω0p=
, N - концентрация частиц межпланетной плазмы, e и mp - заряд и масса протона, c - скорость света (см., например, [Гульельми, 1979]). Доплеровский сдвиг частоты является сильным (kU?ω′), так что приближенно имеем
ω≈ω0p(U/c)cosψ (1)
Здесь ψ - угол между векторами U и B. Частота, оцененная по формуле (1), изменяется от нескольких герц до нуля при изменении ψ от 0 до π/2.
В работе [Гульельми, Довбня, 1973] было замечено, что угол ψ перед фронтом магнитосферы из-меняется со временем в весьма широких пределах. Изменения ψ связаны с переносом волнообразных структур ММП относительно Земли, а сами эти структуры вызваны преимущественно крупномас-штабными волнами Альфвена солнечного происхождения [Belcher, Davis, 1971]. Вариации cos ψ морфологически весьма напоминают вариации несущей частоты SE. Именно это послужило указанием на правдоподобность предложенной гипотезы.
В свое время SE не вызвала особого интереса специалистов. В работе [Morris, Cole, 1987] перечислен ряд причин, по которым это удивительное природное явление не привлекло внимания научной общественности. Среди прочего указана трудность регистрации SE, необычность свойств SE, а также неуверенность в правильности гипотезы о межпланетном происхождении SE. После первых сообщений о наблюдении SE на станции «Восток» в кулуарах иногда высказывалось предположение о том, что мы имеем дело с какой-то неисправностью регистрирующей аппаратуры, функционирующей в суровых погодных условиях. Напомним, что район станции «Восток» получил название полюса холода Земли. Условия там действительно исключительно суровые, но поверить в связи с этим в идею о какой-то неисправности аппаратуры, пожалуй, даже труднее, чем принять гипотезу о внемагнитосферном происхождении SE.
Анализируя сложившуюся ситуацию, мы увидели интересную возможность для подтверждения гипотезы о внемагнитосферном происхождении SE. Именно этому посвящена данная статья. Вначале мы опишем морфологию SE, известную по данным наблюдений в высоких широтах, а затем представим динамические спектры SE, косвенно свидетельствующие в пользу предложенной гипотезы и, по-видимому, указывающие на необычный аспект проблемы солнечно-земных связей.
1. Воронцов С.В., Жарков В.Н. Собственные колебания Солнца и планет-гигантов // УФН. 1983. Т. 134, вып. 4. С. 675-710.
2. Гульельми А.В. МГД-волны в околоземной плазме. М.: Наука, 1979. 139 с.
3. Гульельми А.В., Довбня Б.В. Гидромагнитное излучение межпланетной плазмы // Письма в ЖЭТФ. 1973. Т. 18, вып. 10. С. 601-604.
4. Гульельми А.В., Довбня Б.В. Наблюдение геомагнитных пульсаций в диапазоне 0-2 Гц с глубокой модуляцией несущей частоты в полярной шапке // Геомагнетизм и аэрономия. 1974. Т. 14, № 5. С. 868-870.
5. Гульельми А.В., Троицкая В.А. Геомагнитные пульсации и диагностика магнитосферы. М.: Наука, 1973. 208 с.
6. Потапов А.С. Возбуждение геомагнитных пульсаций типа Рс3 перед фронтом околоземной ударной волны пучком отраженных протонов // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. 1974. Вып. 34. С. 3-12.
7. Потапов А.С., Полюшкина Т.Н., Пуляев В.А. Наблюдения УНЧ-волн на Солнце и в солнечном ветре на орбите Земли // Солнечно-земная физика. 2012. Вып. 20. С. 45-49.
8. Хундхаузен А. Расширение короны и солнечный ветер. М.: Мир, 1976. 302 с.
9. Asheim S. Serpentine emissions in the polar magnetic field. Oslo, 1983. 8 р. (Rep. ser. No. 83-38 / Inst. of Physics)
10. Belcher J.W., Davis L., Jr. Large-amplitude Alfvén waves in the interplanetary medium: 2. // J. Geophys. Res. 1971. V. 76. P. 3534-3563. DOI:https://doi.org/10.1029/JA076i016p03534.
11. Erdélyi R., Pintér B., Malins C. Leakage of photospheric motions into the magnetic solar atmosphere: New prospects of magneto-seismology // Astron. Nachr. 2007. V. 328. P. 305-308. DOI:https://doi.org/10.1002/asna.200610734.
12. Fraser-Smith A.C. ULF/lower-ELF electromagnetic field measurements in the polar caps // Rev. Geophys. Space Phys. 1982. V. 20. P. 497-512. DOI:https://doi.org/10.1029/RG020i003p00497.
13. Guglielmi A. Diagnostics of the magnetosphere and interplanetary medium by means of pulsa-tions // Space Sci. Rev. 1974. V. 16, N 3. P. 331-345.
14. Guglielmi A.V., Dovbnya B.V. Hydromagnetic emission of the interplanetary plasma // Astrophys. Space Sci. 1974. V. 31. P. 11-29.
15. Guglielmi A.V., Pokhotelov O.A. Geoelectro-magnetic Waves. Bristol; Philadelphia: IOP Publ. Ltd., 1996. 402 p.
16. Khomenko E., Centeno R., Collados M., Trujillo Bueno J. Channeling 5 minute photospheric oscillations into the solar outer atmosphere through small-scale vertical magnetic flux tubes // Astrophys. J. 2008. V. 676, N 1. P. L85-L88.
17. Leighton R.B., Noyes R.W., Simon G.W. Velocity fields in the solar atmosphere. I. Preliminary report // Astrophys. J. 1962. V. 135. P. 474. DOI:https://doi.org/10.1086/147285.
18. Lessing L. Man of High Fidelity: Edwin Howard Armstrong. Philadelphia; New York: J. B. Lippincott company, 1956. 320 p.
19. Mathioudakis M., Jess D.B., Erdélyi R. Alfven waves in the solar atmosphere. From theory to observations // Space Sci. Rev. 2013. V. 175. P. 1-27. DOI:https://doi.org/10.1007/s11214-012-9944-7.
20. Morris R.J., Cole K.D. “Serpentine еmission” at the high latitude station Davis (17-23 September 1981) // Exploration Geophys. 1986. V. 17. P. 15. DOI:https://doi.org/10.1071/EG986015.
21. Morris R.J., Cole K.D. “Serpentine еmission” at the high latitude Antarctic station, Davis // Planet. Space Sci. 1987. V. 35. P. 313-328. DOI:https://doi.org/10.1016/0032-0633(87)90158-9.
22. Potapov A.S., Polyushkina T.N., Pulyaev V.A. Observations of ULF waves in the solar corona and in the solar wind at the Earth´s orbit // J. Atmos. Solar-Terrestrial Phys. 2013. V. 102. P. 235-242. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp.2013.06.001.
23. Tomczyk S., McIntosh S.W., Keil S.L., et al. Waves in the solar corona // Science. 2007. V. 317 (5842). P. 1192-1196. DOI: 10.1126/ sci-ence.1143304.
24. Troitskaya V.A. Geomagnetic pulsations in the polar cap // Magnetospheric Study: Proc. Int. Workshop on Select. Topics of Magnetospheric Phys., Japanese IMS Comm., Tokyo, 1979. pp. 121-123.
25. Ulrich R.K. The five-minute oscillations on the solar surface // Astrophys. J. 1970. V. 162. P. 993-1002.
