Irkutsk, Irkutsk region, Russian Federation
Irkutsk, Russian Federation
Irkutsk, Russian Federation
Irkutsk, Russian Federation
Magnetospheric Pc5 pulsations observed on December 26, 2014 are analyzed. They were recorded in the nightside magnetosphere with a mid-latitude coherent decameter radar located near Ekaterinburg. It registers velocity variations in electric drift of ionospheric plasma caused by ULF waves in the magnetosphere. The westward direction of azimuthal propagation of wave coincides with the direction of magnetic drift of protons. A cross-wavelet analysis reveals that the frequency of oscillations depends on the wave number m, and the correlation between them is 0.90. The frequency increase from 2.5 to 5 mHz was followed by an increase in the absolute value m from 20 to 80. These features of the wave under study testify that it should be classified as a drift compressional mode which is typical for the ULF mode in kinetics. Existence conditions for it are the terminal pressure of plasma and its inhomogeneity across magnetic shells.
ULF waves, radar, magnetosphere
ВВЕДЕНИЕ
Одним из важных способов исследования околоземного космического пространства является изучение ультранизкочастотных (УНЧ) волн. Как показали теоретические и экспериментальные исследования, УНЧ-волны могут быть разделены на две группы в соответствии с величиной их азимутального волнового числа m [Агапитов, Черемных, 2011].
УНЧ-волны с малыми значениями m имеют внемагнитосферное происхождение [Козлов и др., 2015]. Быстрые магнитоакустические волны, формирующиеся на магнитопаузе или в солнечном ветре, распространяются внутрь магнитосферы и генерируют альфвеновские моды на тех L-оболочках, где частота волны совпадает с собственной частотой альфвеновских колебаний [Дмитриенко, 2010]. Изначальная быстрая мода может проникнуть в магнитосферу из солнечного ветра [Мазур, 2010; Потапов и др., 2012] или образоваться из-за взаимодействия неоднородностей солнечного ветра с магнитосферой [Золотухина, 2009; Мишин и др., 2013] или в результате МГД-неустойчивости на магнитопаузе [Гульельми и др., 2010; Мазур, Чуйко, 2013].
Эти механизмы генерации неэффективны для волн с большими значениями m, поскольку в этом случае в магнитосферу проникает малая доля энергии колебаний [Гульельми, Потапов, 1984]. Пульсации этого типа отождествляются с полоидальными альфвеновскими модами, генерируемыми благодаря внутренним процессам в магнитосфере, таким как различные плазменные неустойчивости [Southwood, 1980; Baddeley et al., 2005] или переменные токи, создаваемые дрейфующими частицами, инжектированными в магнитосферу во время суббури [Гульельми, Золотухина, 1980; Магер, Климушкин, 2007].
Тем не менее среди волн с большими значениями m можно выделить группу волн с частотами несколько ниже частот альфвеновских волн на соответствующих магнитных оболочках (буревые компрессионные волны Pc5). Волны этой группы были открыты благодаря спутниковым данным [Barfield, McPherron, 1972], а позднее обнаружены и по данным радаров [Allan et al., 1982; Walker et al., 1982].
Природа этих волн пока не ясна. С точки зрения теории МГД кажется очевидным отождествление их с наиболее длиннопериодической МГД-модой - медленным магнитным звуком (ММЗ) [Leonovich, Kozlov, 2013]. Однако не вполне понятно, может ли МГД-подход вообще использоваться для описания компрессионных УНЧ-мод в бесстолкновительной плазме [Hurricane et al., 1994]. Иногда буревые компрессионные Pc5-волны отождествляют с дрейфово-зеркальными модами [Kremser et al., 1981], но не ясно, достаточно ли высока температурная анизотропия магнитосферной плазмы для создания условий для зеркальной неустойчивости. Сомнения в соотнесении буревых компрессионных Pc5-пульсаций с дрейфово-зеркальной модой возникли с самого начала радарных наблюдений УНЧ-волн с m>>1 [Allan, Poulter, 1986].
Вероятно, наиболее подходящим объяснением буревых компрессионных пульсаций является дрейфово-компрессионная мода. Это наиболее типичная компрессионная УНЧ-мода в кинетике. Для ее существования требуются только конечное давление плазмы и неоднородность плазмы поперек магнитных оболочек. Эта мода может быть возбуждена благодаря наличию градиента концентрации горячей плазмы [Crabtree, Chen, 2004; Klimushkin, Mager, 2011], инверсного распределения горячих протонов [Mager et al., 2013] или сцепления с альфвеновской модой из-за кривизны силовых линий [Klimushkin et al., 2012]. Частота этой моды имеет тот же порядок величины, что и диамагнитная частота, хотя и не совпадает с ней [Klimushkin, Mager, 2011; Mager et al., 2013; Naim et al., 2014]. Характерной особенностью дрейфово-компрессионной моды является зависимость ее частоты от волнового числа m.
Цель представленной работы - найти экспериментальные подтверждения того, что дрейфово-компрессионная мода может являться источником буревых компрессионных Pc5-пульсаций.
_____________________________________________________________________________________________
*Английская версия статьи «Experimental evidence of drift compressional waves in the magnetosphere: An Ekaterinburg Coherent Decameter Radar case study» была опубликована ранее в журнале J. Geophys. Res. Space Physics, 2016, V. 121, P. 1315-1326, DOI:10.1002/2015ja022155. На русском языке статья печатается с изменениями.
1. Agapitov A.V., Cheremnykh O.K. Polarization of ULF waves in the earth’s magnetosphere. Kinematics and Physics of Celestial Bodies. 2011, vol. 27, iss. 3, pp. 117-123. DOI:https://doi.org/10.3103/S0884591311030020.
2. Allan W., Poulter E. A note on the driving mechanism of storm-time Pc5 pulsations. Planet. Space Sci. 1986, vol. 34, pp. 571-572. DOI:https://doi.org/10.1016/0032-0633(86)90095-4.
3. Allan W., Poulter E.M., Nielsen E. STARE observations of a Pc5 pulsation with large azimuthal wave number. J. Geophys. Res. 1982, vol. 87, pp. 6163-6172. DOI: 10.1029/ JA087iA08p06163.
4. Baddeley L.J., Yeoman T.K., Wright D.M., et al. On the coupling between unstable magnetospheric particle populations and resonant high-m ULF wave signatures in the ionosphere. Ann. Geophys. 2005, vol. 23, pp. 567-577. DOI:https://doi.org/10.5194/angeo-23-567-2005.
5. Baker K.B., Wing S. A new magnetic coordinate system for conjugate studies at high latitudes. J. Geophys. Res. 1989, vol. 94, pp. 9139-9143. DOI:https://doi.org/10.1029/JA094iA07p09139.
6. Barfield J.N., McPherron R.L. Statistical characteristics of storm-associated Pc5 micropulsations observed at the synchronous equatorial orbit. J. Geophys. Res. 1972, vol. 77, pp. 4720-4733. DOI:https://doi.org/10.1029/JA077i025p04720.
7. Bland E.C., McDonald A.J., Menk F.W., Devlin J.C. Multipoint visualization of ULF oscillations using the Super Dual Auroral Radar Network. Geophys. Res. Lett. 2014, vol. 41, pp. 6314-6320. DOI:https://doi.org/10.1002/2014GL061371.
8. Chisham G., Lester M., Milan S.E., et al. A decade of the Super Dual Auroral Radar Network (SuperDARN): Scientific achievements, new techniques and future directions. Surv. Geophys. 2007, vol. 28, pp. 33-109. DOI:https://doi.org/10.1007/s10712-007-9017-8.
9. Crabtree C., Chen L. Finite gyroradius theory of drift compressional modes. Geophys. Res. Lett. 2004, vol. 31, L17804. DOI:https://doi.org/10.1029/2004GL020660.
10. Dmitrienko I.S. Space-time structure of Alfvén resonant disturbances generated by transversally localized FMA wave. Geomagnetism and Aeronomy. 2010, vol. 50, no. 8 (Special Issue 2), pp. 1025-1029. DOI:https://doi.org/10.1134/S0016793210080141.
11. 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, vol. 100, pp. 21535-21548. DOI:https://doi.org/10.1029/95JA02024.
12. Foster G. Wavelets for period analysis of unevenly sampled time series. Astronomical Journal. 1996, vol. 112, pp. 1709-1729. DOI:https://doi.org/10.1086/118137.
13. Greenwald R.A., Baker K.B., Dudeney J.R., et al. DARN/SuperDARN: A global view of the dynamics of high latitude convection. Space Sci. Rev. 1995, vol. 71, pp. 761-796. DOI:https://doi.org/10.1007/BF00751350.
14. Grossman A., Morlet J. Decomposition of Hardy functions into square integrable wavelets of constant shape. SIAM J. Math. Anal. 1984, vol. 15, no. 4, pp. 723-736. DOI:https://doi.org/10.1137/0515056.
15. Gulielmi A.V., Potapov A.S. Concerning one peculiarity of the MHD-wave field in an inhomogeneous plasma. Issledovaniya po geomagnetizmy, aeronomii I fizike Solntsa [Research. on Geomagnetism, Aeronomy and Solar Physics]. 1984, iss. 70, pp. 149-157. (in Russian).
16. Guglielmi A.V., Potapov A.S., Klain B.I. Rayleigh-Taylor-Kelvin-Helmholtz combined instability at the magnetopause. Geomagnetism and Aeronomy. 2010, vol. 50, iss. 8, pp. 958-962. DOI:https://doi.org/10.1134/S0016793210080050.
17. Guglielmi A.V., Zolotukhina N.A. Excitation of Alfven oscillations of the magnetosphere by the asymmetric ring current. Issledovaniya po geomagnetizmy, aeronomii I fizike Solntsa [Research. on Geomagnetism, Aeronomy and Solar Physics.]. 1980, iss. 50, pp. 129-137. (in Russian).
18. Gustafsson G., Papitashvili N.E., Papitashvili V.O. A revised corrected geomagnetic coordinate system for Epochs 1985 and 1990. J. Atmos. Terr. Phys. 1992, vol. 54, pp. 1609-1631.
19. Hurricane O.A., Pellat R., Coroniti F.V. The kinetic response of a stochastic plasma to low frequency perturbations. Geophys. Res. Lett. 1994, vol. 21, no 4, pp. 253-256. DOI:https://doi.org/10.1029/93GL03533.
20. James M.K., Yeoman T.K., Mager P.N., Klimushkin D.Yu. The spatio-temporal characteristics of ULF waves driven by substorm injected particles. J. Geophys. Res. Space Phys. 2013, vol. 118, pp. 1737-1749. DOI: 10.1002/ jgra.50131.
21. Klimushkin D.Yu., Mager P.N. Spatial structure and stability of coupled Alfven and drift compressional modes in non-uniform magnetosphere: Gyrokinetic treatment. Planet. Space Sci. 2011, vol. 59, pp. 1613-1620. DOI: 10.1016/ j.pss.2011.07.010.
22. Klimushkin D.Yu., Mager P.N. The alfven mode gyrokinetic equation in finite-pressure magnetospheric plasma. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2015, vol. 6, pp. 4465-4474. DOI:https://doi.org/10.1002/2015JA021045, 2015JA021045.
23. Klimushkin D.Yu., Mager P.N., Pilipenko V.A. On the ballooning instability of the coupled Alfven and drift compressional modes. Earth, Planets, and Space. 2012, vol. 64, pp. 777-781. DOI:https://doi.org/10.5047/eps.2012.04.002.
24. 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, vol. 86, pp. 3345-3356. DOI: 10.1029/ JA086iA05p03345.
25. Kozlov D., Leonovich A., Mazur V. MHD-waves in the geomagnetic tail: A review. Solnechno-Zemnaуa Fizika [Solar-Terrestrial Physics]. 2015, vol. 1, pp. 4-22. DOI:https://doi.org/10.12737/7168. (in Russian).
26. Leonovich A.S., Kozlov D.A. Magnetosonic resonances in the magnetospheric plasma. Earth, Planets, and Space. 2013, vol. 65, pp. 369-384. DOI:https://doi.org/10.5047/eps.2012.07.002.
27. Mager P.N., Klimushkin D.Yu. Generation of Alfven waves by a plasma inhomogeneity moving in the Earth’s magnetosphere. Plasma Physics Reports. 2007, vol. 33, pp. 391-398.
28. Mager P.N., Klimushkin D.Yu., Ivchenko N. On the equatorward phase propagation of high-m ULF pulsations observed by radars. J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 2009, vol. 71, pp. 1677-1680. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp.2008.09.001.
29. Mager P.N., Klimushkin D.Yu., Kostarev D.V. Drift-compressional modes generated by inverted plasma distributions in the magnetosphere. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2013, vol. 118, pp. 4915-4923. DOI:https://doi.org/10.1002/jgra.50471.
30. Mager P.N., Berngardt O.I., Klimushkin D.Yu., et al. First results of the high-resolution multibeam ULF wave experiment at the Ekaterinburg SuperDARN radar: Ionospheric signatures of coupled poloidal Alfven and drift-compressional modes. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2015, vol. 130-131, pp. 112-126. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp.2015.05.017.
31. Mazur V.A. Resonance excitation of the magnetosphere by hydromagnetic waves incident from solar wind. Plasma Physics Reports. 2010, vol. 36, iss. 11, pp. 953-963. DOI:https://doi.org/10.1134/S1063780X10110048.
32. Mazur V.A., Chuiko D.A. Kelvin-Helmholtz instability on the magnetopause, magnetohydrodynamic waveguide in the outer magnetosphere, and Alfvén resonance deep in the magnetosphere. Plasma Physics Reports. 2013, vol. 39, iss. 6, pp. 488-503. DOI:https://doi.org/10.1134/S1063780X13060068.
33. Mishin V.V., Klibanova Yu.Yu., Tsegmed B. Solar wind inhomogeneity front inclination effect on properties of front-caused long-period geomagnetic pulsations. Cosmic Research. 2013, vol. 51, iss. 2, pp. 96-107. DOI: 10.1134/ S0010952513020020.
34. Naim H., Bashir M.F., Murtaza G. On the drift magnetosonic waves in anisotropic low beta plasmas. Phys. Plasmas. 2014, vol. 21, no. 10, pp. 102-112. DOI:https://doi.org/10.1063/1.4897370.
35. Potapov A.S., Tsegmed B., Ryzhakova L.V. Relationship between the fluxes of relativistic electrons at geosynchronous orbit and the level of ULF activity on the Earth’s surface and in the solar wind during the 23rd solar activity cycle. Cosmic Research. 2012, vol. 50, iss. 2, pp. 124-140. DOI:https://doi.org/10.1134/S0010952512020086.
36. Ruohoniemi J.M., Greenwald R.A., Baker K.B., Villain J.P., McCready M.A. Drift motions of small-scale irregularities in the high-latitude F region: An experimental comparison with plasma drift motions. J. Geophys. Res. 1987, vol. 92, no. A5, pp. 4553-4564. DOIhttps://doi.org/10.1029/JA092iA05p04553.
37. Southwood D.J. Low frequency pulsation generation by energetic particles. J. Geomagn. Geoelectr. 1980, suppl. II, vol. 32, pp. 75-88.
38. Tian M., Yeoman T.K., Lester M., Jones T.B. Statistics of Pc5 pulsation events observed by SABRE. Planet. Space Sci. 1991, vol. 39, pp. 1239-1247.
39. Walker A.D.M., Greenwald R.A., Korth A., Kremser G. STARE and GEOS-2 observations of a storm time Pc5 ULF pulsation. J. Geophys. Res. 1982, vol. 87, pp. 9135-9146. DOI:https://doi.org/10.1029/JA087iA11p09135.
40. Wright D.M., Yeoman T.K. CUTLASS observations of a high-m ULF wave and its consequences for the DOPE HF Doppler sounder. Ann. Geophys. 1999, vol. 17, pp. 1493-1497. DOI:https://doi.org/10.1007/s00585-999-1493-3.
41. Yeoman T.K., James M., Mager P.N., Klimushkin D.Yu. SuperDARN observations of high-m ULF waves with curved phase fronts and their interpretation in terms of transverse resonator theory. J. Geophys. Res. 2012, vol. 117, A06231. DOI:https://doi.org/10.1029/2012JA017668.
42. Zolotukhina N.A. Resonance properties of Psi5/Psc5 in geostationary orbit. Geomagnetism and Aeronomy. 2009, vol. 49, no. 4, pp. 438-449. DOI:https://doi.org/10.1134/S0016793209040033.
43. Zolotukhina N.A., Mager P.N., Klimushkin D.Yu. Pc5 waves generated by substorm injection: A case study. Ann. Geophys. 2008, vol. 26, pp. 2053-2059. DOI:https://doi.org/10.5194/angeo-26-2053-2008.
