Moscow, Russian Federation
Borok, Russian Federation
We consider a problem of the interpretation of the so-called "serpentine emission" (SE), which is ULF electromagnetic emission in the range of Pc1–2 (0.1–5 Hz) found in Antarctica. A distinctive feature of SE complicating its understanding within the standard theory of the magnetospheric oscillations is a deep modulation of the SE carrier-frequency. The characteristic time of the frequency modulation varies from case to case from 1 minute to 1 hour. It is assumed that the frequency-modulated oscillations penetrate into the polar caps from the interplanetary medium, where they are excited in the form of ion-cyclotron waves as a result of the instability of plasma with anisotropic ion velocity distribution. To verify the hypothesis of the SE extra-magnetospheric origin a test is proposed. A previously unknown property of SE is discovered, which supports the hypothesis. The property is that at times the emission carrier frequency undergoes a pronounced 5-minute modulation. Apparently, a 5-minute modulation SE is genetically related to the 5-minute oscillations of the solar photosphere.
serpentine emission, ion-cyclotron waves, Alfvén waves, photospheric oscillations, solar-terrestrial relations
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. Asheim S. Serpentine emissions in the polar magnetic field. Oslo, 1983, Rep. ser. Inst. of Physics. no. 83-38, 8 р.
2. Belcher J.W., Davis L., Jr. Large-amplitude Alfvén waves in the interplanetary medium: 2. J. Geophys. Res. 1971, vol. 76, pp. 3534-3563. DOI:https://doi.org/10.1029/JA076i016p03534.
3. Erdélyi R., Pintér B., Malins C. Leakage of photospheric motions into the magnetic solar atmosphere: New prospects of magneto-seismology. Astron. Nachr. 2007, vol. 328, pp. 305-308. DOI:https://doi.org/10.1002/asna.200610734.
4. Fraser-Smith A.C. ULF/lower-ELF electromagnetic field measurements in the polar caps. Rev. Geophys. Space Phys. 1982, vol. 20, pp. 497-512. DOI:https://doi.org/10.1029/RG020i003p00497.
5. Guglielmi A. Diagnostics of the magnetosphere and interplanetary medium by means of pulsations. Space Sci. Rev. 1974, vol. 16, pp. 331-345.
6. Guglielmi A.V. MGD volny v okolozemnoi plazme [MHD Waves in the Near-Terrestrial Plasma], Mos-cow, Nauka Publ., 1979, 139 p. (in Russian).
7. Guglielmi A.V., Dovbnya B.V. Hydromagnetic emission of the interplanetary plasma. Pisma v ZhETF [Letters to the Journal of Experimental and Theoretical Physics], 1973, vol. 18, iss. 10, pp. 601-604 (in Russian).
8. Guglielmi A.V., Dovbnya B.V. Hydromagnetic emission of the interplanetary plasma. Astrophys. Space Sci. 1974, vol. 31, pp. 11-29.
9. Guglielmi A.V., Dovbnya B.V. Observations of geomagnetic pulsations in the range of 0-2 Hz with deep modulation of the carrying frequency. Geomagnetizm i Aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy], 1974, vol. 14, no. 5, pp. 868-870 (in Rus-sian).
10. Guglielmi A.V., Pokhotelov O.A. Geoelectromagnetic Waves. Bristol, Philadelphia, IOP Publ. Ltd., 1996. 402 p.
11. 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).
12. Hundhausen A.J. Coronal Expansion and Solar Wind. Berlin, Springer-Verlag, 1972. 238 p. (Russ. ed.: Hundhausen A.J. Rasshirenie korony i solnechny veter. Moscow, Mir Publ., 1976, 302 p.)
13. 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, vol. 676, no. 1, pp. L85-L88.
14. Leighton R.B., Noyes R.W., Simon G.W. Velocity fields in the solar atmosphere. I. Preliminary report. Astrophys. J. 1962, vol. 135, pp. 474-520. DOI:https://doi.org/10.1086/147285.
15. Lessing L. Man of High Fidelity: Edwin Howard Armstrong. Philadelphia, New York, J. B. Lippincott company, 1956, 320 p.
16. Mathioudakis M., Jess D.B., Erdélyi R. Alfven waves in the solar atmosphere. From theory to observations. Space Sci. Rev. 2013, vol. 175, pp. 1-27. DOI:https://doi.org/10.1007/s11214-012-9944-7.
17. Morris R.J., Cole K.D. “Serpentine emission” at the high latitude station Davis (17-23 September 1981). Exploration Geophys. 1986, vol. 17, p. 15. DOI:https://doi.org/10.1071/EG986015.
18. Morris R.J., Cole K.D. “Serpentine emission” at the high latitude Antarctic station, Davis. Planet. Space Sci. 1987, vol. 35, pp. 313-328. DOI:https://doi.org/10.1016/0032-0633(87)90158-9.
19. Potapov A.S. Excitation of geomagnetic pulsations of Pc3 type before the front of the Earth’s bow shock by the beam of reflected protons. Issledovaniya po geomagnetizmu, aeronomii i fizike Solntsa [Investigations on Geomagnetism, Aeronomy and Solar Physics]. 1974, iss. 34, pp. 3-12 (in Russian).
20. Potapov A.S., Polyushkina T.N., Pulyaev V.A. ULF wave observations on the Sun and at the Earth´s orbit in the solar wind. Solnechno-zemnaya fizika [Solar-Terrestrial Physics]. 2012, iss. 20, pp. 45-49 (in Russian).
21. Potapov A.S., Polyushkina T.N., Pulyaev V.A. Ob-servations of ULF waves in the solar corona and in the solar wind at the Earth´s orbit. J. Atmos. Solar-Terrestrial Phys. 2013, vol. 102, pp. 235-242. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp.2013.06.001.
22. Tomczyk S., McIntosh S.W., Keil S.L., Judge P.G., Schad T., Seeley D.H., Edmondson J. Waves in the solar corona. Science. 2007, vol. 317 (5842), pp. 1192-1196. DOI: 10.1126/ science.1143304.
23. 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.
24. Ulrich R.K. The five-minute oscillations on the solar surface. Astrophys. J. 1970, vol. 162, pp. 993-1002.
25. Vorontsov S.V., Zharkov V.N. Free oscillations of the Sun and the giant planets. Sov. Phys. Usp. 1981, vol. 24, no. 8, pp. 697-716. DOI:https://doi.org/10.1070/PU1981v024n08ABEH004837. (in English). Uspekhi Fizicheskikh Nauk [Advances in Physical Sciences]. 1983, vol. 134, iss. 4, pp. 675-710 (in Russian).
