Geophysical Center of the Russian Academy of Sciences
Irkutsk, Russian Federation
Irkutsk, Russian Federation
As shown within the limits of gyrokinetics, drift-compression waves can propagate in the magnetosphere in the direction of energetic electron drift. Plasma is assumed to be composed of cold particles with hot additives such as protons with Maxwell distribution and electrons with inverse distribution. We have determined conditions of existence of such waves and their intensification due to resonance interaction with energetic electrons (drift instability). The results can be helpful for interpretation of observation of wave phenomena in the magnetosphere with frequencies in the range of geomagnetic pulsations Pc5 and below.
magnetosphere, ULF waves, wave-particle interaction
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, vol. 87, pp. 6163-6172. DOI:https://doi.org/10.1029/JA087iA08 p06163.
2. 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.
3. Chelpanov M.A., Mager P.N., Klimushkin D.Y., Berngardt O.L., Mager O.V. Experimental evidence of drift compressional waves in the magnetosphere: an Ekaterinburg coherent decameter radar case study. J. Geophys. Res. Space Phys. 2016, vol. 121, pp. 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, vol. 79, pp. 1024-1032. DOI:https://doi.org/10.1029/JA079i 007p01024.
5. Chen L., Hasegawa A. Kinetic theory of geomagnetic pulsations. 1. Internal excitations by energetic particles. J. Geophys. Res. 1991, vol. 96, pp. 1503-1512. DOI: 10.1029/ 90JA02346.
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, vol. 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, vol. 100, pp. 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, vol. 66, no. 1, pp. 1-4. DOI: 10.1029/ JZ066i001p00001.
9. Higuchi T., Kokubun S. Waveform and polarization of compressional Pc5 waves at geosynchronous orbit. J. Geophys. Res. 1988, vol. 93, pp. 14,433-14,443. DOI: 10.1029/ JA093iA12p14433.
10. Hughes W.J., Southwood D.J., Mauk B., McPherron R.L., Barfield J.N. Alfvén waves generated by an inverted plasma energy distribution., Nature. 1978, vol. 275, pp. 43-45. DOI: 10.1038/ 275043a0.
11. Hurricane O.A., Pellat R., Coroniti F.V. The kinetic response of a stochastic plasma to low frequency perturbations. J. Geophys. Res. 1994, vol. 21, no. 4, pp. 253-256. DOI:https://doi.org/10.1029/93 GL03533.
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, vol. 118, pp. 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, vol. 59, pp. 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, vol. 64, pp. 777-781. DOI:https://doi.org/10.5047/eps.2012.04.002.
15. Kremser G., Korth A., Fejer J.A., Wilken B., Gurevich A.V., Amata E. 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:https://doi.org/10.1029/JA086iA05p03345.
16. Leonovich A.S., Mazur V.A. Resonance excitation of standing Alfvén waves in an axisymmetric magnetosphere (Monochromatic oscillations). Planet. Space Sci. 1989, vol. 37, pp. 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, vol. 41, pp. 697-717. DOI:https://doi.org/10.1016/0032-0633(93)90055-7.
18. Mager P.N., Berngardt O.I., Klimushkin D.Y., Zolotukhina N.A., Mager O.V. 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, vol. 130-131, pp. 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, vol. 118, pp. 4915-4923. DOI:https://doi.org/10.1002/jgra.50471.
20. Pokhotelov O.A., Onishchenko O.G., Balikhin M.A., Treumann R.A., Pavlenko V. P. Drift mirror instability in space plasmas. 2. Nonzero electron temperature effects. J. Geophys. Res. 2001, vol. 106, pp. 13,237-13,246.
21. Southwood D.J. Some features of field line resonances in the magnetosphere. Planet. Space Sci. 1974, vol. 22, pp. 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, pp. 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, vol. 40, pp. 797-810. DOI: 10.1016/ 0032-0633(92)90108-Z.
