Москва, Россия
Работа посвящена радарным УНЧ-наблюдениям в высокоширотной ионосфере. Проведен анализ доплеровских данных норвежского радара STARE в условиях умеренной магнитной бури наблюдавшейся 31.12.1999–01.01.2000 гг. После усреднения доплеровских сигналов вдоль лучей радара определена спектральная мощность сигнала как функция частоты в диапазоне 1–10 мГц для каждого луча. На всех лучах радара обнаружено резкое падение (около 10 дБ) спектральной мощности с ростом частоты. Проведен вариационный анализ спектральной мощности методом наименьших квадратов, в котором падение мощности моделировалось ступенчатым профилем, составленным из средних значений мощности до и после падения. Посредством вариационного анализа для каждого луча определена частота, на которой произошло падение спектральной мощности. Усредненное по всем лучам значение такой частоты составило 4.8 ± 0.5 мГц. Полученные результаты интерпретируются как эффект резонансного поглощения ультранизкочастотных (УНЧ) волн на собственных частотах магнитных силовых линий по мере распространения волн от магнитопаузы в глубину магнитосферы.
УНЧ-волны, электрические поля, высокоширотная ионосфера
ВВЕДЕНИЕ
Происхождение ультранизкочастотных (УНЧ) колебаний магнитных и электрических полей часто связывают с возбуждением магнитогидродинамических (МГД) резонансов в околоземной плазме, вмороженной в геомагнитное поле. В работах [Chen, Hasegawa, 1974; Southwood, 1974] дан теоретический анализ возбуждения в магнитосфере резонансных УНЧ-колебаний магнитных силовых линий поверхностными МГД-волнами. Резонансные частоты таких колебаний неоднократно рассчитывались численными методами как для дипольной [Lee, Lysak, 1989] так и недипольной [Cheng, Zaharia, 2003] моделей геомагнитного поля. Численные расчеты установили типичные значения минимальных резонансных частот 3–5 мГц (на дневной стороне магнитосферы) для спокойных геомагнитных условий. Существенное ограничение таких исследований состояло в приближении бесконечно большой ионосферной проводимости. Данное приближение ограничило резонансы магнитных силовых линий только собственными колебаниями так называемой классической полуволновой моды, т. е. стоячими волнами, для которых вдоль силовой линии между сопряженными ионосферами укладывается целое число полуволн. В этом случае резонансные колебания магнитной силовой линии аналогичны акустическим колебаниям струны, концы которой закреплены в E-слое сопряженных ионосфер [Нишида, 1980].
Учет конечной проводимости ионосферы прежде всего обнаружил значительный декремент затухания основной гармоники полуволновой моды для достаточно низкой ионосферной проводимости [Newton et al., 1978]. Кроме того, конечная проводимость ионосферы добавила к резонансам магнитных силовых линий четвертьволновые колебания, для которых между сопряженными ионосферами укладывается нечетное число четвертей длины волны [Allan, Knox, 1979]. Такие колебания аналогичны акустическим колебаниям трубы, один конец которой закреплен, а другой остается свободным. В отличие от симметричных относительно экваториальной плоскости полуволновых колебаний четвертьволновые колебания асимметричны и для их возбуждения необходима асимметричная конфигурация проводимости, например ΣPN<ΣW<ΣPS, где ΣW — волновая проводимость магнитосферы, ΣPN и ΣPS — интегральные проводимости Педерсена сопряженных ионосфер в Северном и Южном полушариях соответственно [Alperovich, Fedorov, 2007].
Конечная проводимость ионосферы ограничивает добротность магнитосферного МГД-резонатора. В работе [Yumoto et al., 1995] проведен подробный теоретический анализ влияния омической диссипации энергии в ионосфере на добротность магнитосферного резонатора. Для благоприятных дневных условий на средних широтах такие теоретические оценки дают значения добротности Q~10–102. Однако экспериментальные оценки дают гораздо меньшие значения. Например, в работе [Menk et al., 2000] получена экспериментальная оценка Q≈2 для L≈2 в дневных условиях. Различия между экспериментальными и теоретическими оценками могут объясняться сильным влиянием на добротность резонатора недиссипативных потерь энергии [Poulter, Allan, 1985]. В высоких широтах, т. е. при L~10 и при низкой ионосферной проводимости в условиях полярной зимы, теоретическая оценка добротности, учитывающая только омическую диссипацию [Yumoto et al., 1995], дает величину Q1~1. В высоких широтах появляются дополнительные недиссипативные потери, обусловленные, например, магнитосферной конвекцией. Действительно, траектории конвекции в общем случае не совпадают с магнитными поверхностями постоянного периода резонанса магнитных силовых линий. В процессе дрейфового движения магнитосферная плазма вместе с продольными токами уходит из области резонанса, что приводит к дополнительным потерям энергии резонатора и снижает добротность. При низкой добротности резонатора амплитуда собственных колебаний не будет превышать амплитуду фоновых волн и это обстоятельство затрудняет наблюдение резонансных УНЧ-колебаний в высоких широтах.
1. Бадин В.И. Возбуждение и поглощение УНЧ-колебаний по доплеровским радарным наблюдениям в высоких широтах // Геомагнетизм и аэрономия. 2016. Т. 56, № 1. С. 93-101.
2. Белаховский В.Б., Козловский А.Е., Пилипенко В.А. Определение широтного профиля резонансной частоты Pc5 пульсаций по данным радара EISCAT // Вестник Кольского научного центра РАН. 2015. Т. 22, № 3. С. 64-72.
3. Гульельми А.В., Потапов А.С. Об особенности поля МГД-волны в неоднородной плазме // Иссл. по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. 1984. Вып. 70. С. 149-157.
4. Кринберг И.А., Тащилин А.В. Ионосфера и плазмосфера. М.: Наука, 1984. 189 с.
5. Леонович А.С., Мазур В.А. Собственные сверхнизкочастотные магнитозвуковые колебания ближнего плазменного слоя // Космические исследования. 2008. Т. 46, № 4. С. 336−343.
6. Нишида А. Геомагнитный диагноз магнитосферы. М.: Мир, 1980. 299 с.
7. Allan W., Knox F.B. A dipole field model for axisymmetric Alfven waves with finite ionosphere conductivities // Planetary Space Sci. 1979. V. 27, N. 1. P. 79-85.
8. Allan W., Poulter E.M., Nielsen E. STARE observations of a Pc5 pulsation with large azimuthal wave number // J. Geophys. Res. 1982. V. 87, N. A8. P. 6163-6172.
9. Alperovich L.S., Fedorov E.N. Hydromagnetic waves in the magnetosphere and the ionosphere. New York: Springer, 2007. 421 p.
10. Anderson B.J., Engebretson M.J., Zanetti L.J. Distortion effects in spacecraft observations of MHD toroidal standing waves: Theory and observations // J. Geophys. Res. 1989. V. 94, N A10. P. 13425-13445.
11. Bland E.C., McDonald A.J. High spatial resolution radar observations of ultralow frequency waves in the southern polar cap // J. Geophys. Res. Space Phys. 2016. V. 121. P. 4005-4016. DOI:https://doi.org/10.1002/2015JA022235.
12. Chelpanov M.A., Mager P.N., Klimushkin D.Yu., Berngardt O.I., 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. V. 121. P. 1315-1326. DOI:https://doi.org/10.1002/2015JA022155.
13. Chen L., Hasegawa A. A theory of long-period magnetic pulsations: 1. Steady state excitation of field line resonance // J. Geophys. Res. 1974. V. 79, N A7. P. 1024-1032.
14. Cheng C.Z., Zaharia S. Field line resonances in quiet and disturbed time three-dimensional magnetospheres // J. Geophys. Res. 2003. V. 108, N A1. 1001. DOIhttps://doi.org/10.1029/2002JA009471.
15. Greenwald R.A., Weiss W., Nielsen E., Thomson N.R. STARE: A new radar auroral backscatter experiment in northern Scandinavia // Radio Sci. 1978. V. 13, N 6. P. 1021-1039.
16. Hardy D.A., Gussenhoven M.S., Raistrick R., McNeil W.J. Statistical and functional representations of the pattern of auroral energy flux, number flux, and conductivity // J. Geophys. Res. 1987. V. 92, N A11. P. 12275-12294.
17. James M.K., Yeoman T.K., Mager P.N., Klimushkin D.Yu. Multiradar observations of substorm-driven ULF waves // J. Geophys. Res. Space Phys. 2016. V. 121. P. 5213-5232. DOIhttps://doi.org/10.1002/2015JA022102.
18. Kivelson M.G., Southwood D.J. Coupling of global magnetospheric MHD eigenmodes to field line resonances // J. Geophys. Res. 1986. V. 91, N A4. P. 4345-4351.
19. Lanzerotti L.J., Shono A., Fukunishi H., Maclennan C.G. Long-period hydromagnetic waves at very high geomagnetic latitudes // J. Geophys. Res. 1999. V. 104, N A12. P. 28423-28435.
20. Lee D.-H., Lysak R.L. Magnetospheric ULF wave coupling in the dipole model: Impulsive excitation // J. Geophys. Res. 1989. V. 94, N A12. P. 17097-17103.
21. Mager P.N., Berngardt O.I., Klimushkin D.Yu., 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. V. 130-131. P. 112-126.
22. Menk F.W., Waters C.L., Fraser B.J. Field line resonances and waveguide modes at low latitudes. 1. Observations // J. Geophys. Res. 2000. V. 105, N A4. P. 7747-7761.
23. Newton R.S., Southwood D.J., Hughes W.J. Damping of geomagnetic pulsations by the ionosphere // Planet. Space Sci. 1978. V. 26, N 3. P. 201-209.
24. Poulter E.M., Allan W. Transient ULF pulsation decay rates observed by ground based magnetometers: The contribution of spatial integration // Planet. Space Sci. 1985. V. 33, N 6. P. 607-616.
25. Pilipenko V., Belakhovsky V., Kozlovsky A., Fedorov E., Kauristie K. Determination of the wave mode contribution into the ULF pulsations from combined radar and magnetometer data: Method of apparent impedance // J. Atm. Solar-Terr. Phys. 2012. V. 77, N 1. P. 85-95.
26. Roelof E.C., Sibeck D.G. Magnetopause shape as a bivariate function of interplanetary magnetic field Bz and solar wind dynamic pressure // J. Geophys. Res. 1993. V. 98, N A12. P. 21421-21450.
27. Southwood D.J. Some features of field line resonances in the magnetosphere // Planet. Space Sci. 1974. V. 22, N 3. P. 483-491.
28. Tsyganenko N.A. Modeling the Earth's magnetospheric magnetic field confined within a realistic magnetopause // J. Geophys. Res. 1995. V. 100, N A4. P. 5599-5612.
29. Urban, K.D., Gerrard A.J., Bhattacharya Y., Ridley A.J., Lanzerotti L.J., Weatherwax A.T. Quiet time observations of the open-closed boundary prior to the CIR-induced storm of 9 August 2008 // Space Weather. 2011. V. 9. S11001. DOI:https://doi.org/10.1029/20 11SW000688.
30. Walker A.D.M., Greenwald R.A., Stuart W.F., Green C.A. Stare auroral radar observations of Pc5 geomagnetic pulsations // J. Geophys. Res. 1979. V. 84, N A7. P. 3373-3388.
31. Wallis D.D., Budzinski E.E. Empirical models of height integrated conductivities // J. Geophys. Res. 1981. V. 86, N A1. P. 125-137.
32. Yumoto K., Pilipenko V., Fedorov E., Kurneva N., Shiokawa K. The mechanisms of damping of geomagnetic pulsations // J. Geomagnetism Geoelectricity. 1995. V. 47, N 1. P. 163-176.
