Иркутск, Иркутская область, Россия
Иркутск, Россия
Иркутск, Россия
В работе представлен анализ магнитосферных пульсаций в диапазоне Pc5 с положительными азимутальными волновыми числами, наблюдавшихся в ночной ионосфере с помощью когерентного среднеширотного радара, расположенного возле Екатеринбурга. Азимутальное волновое число m определяется по данным с высоким временным разрешением соседних лучей, направленных в сторону магнитного полюса. Около 13 % зарегистрированных радаром устойчивых колебаний распространялись на восток. Рассмотрены десять случаев наблюдения Pc5-пульсаций, зарегистрированных с апреля 2014 по март 2015 г. и имеющих положительные m. Ряды данных обработаны с помощью кросс-вейвлет-анализа; для четырех случаев оценена длина волны в радиальном направлении и определено направление распространения колебаний в меридиональной плоскости. В трех из них результаты согласуются с представлениями об альфвеновском резонансе силовых линий. Однако в большинстве случаев частоты волн существенно ниже частот собственных колебаний силовых линий, которые были оценены по спутниковым данным о величине магнитного поля и концентрации частиц в магнитосфере. Предположительно, эти волны могут относиться к дрейфово-компрессионной моде.
УНЧ-волны, радар, магнитосфера
ВВЕДЕНИЕ
Важным параметром УНЧ-волны в магнитосфере, определяющим ее свойства и характер резонансного взаимодействия с заряженными энергичными частицами, является азимутальное волновое число m. Оно представляет собой количество длин волн, которое укладывается в кольцевую траекторию распространения волны вокруг Земли в азимутальном направлении. Азимутальное волновое число определяет энергию вступающих в дрейфовый резонанс с волной частиц. Считается, что волны с внешними и внутренними по отношению к магнитосфере источниками имеют азимутальные волновые числа разного порядка. Так, волны с малыми m, имеющие обычно преимущественно тороидальную поляризацию, связывают с быстрым магнитным звуком, распространяющимся от магнитопаузы или из солнечного ветра внутрь магнитосферы и возбуждающим альфвеновские волны на тех магнитных оболочках, частоты собственных колебаний которых совпадают с его частотой [Chen, Hasegawa, 1974; Southwood, 1974]. Источником волн с большими азимутальными волновыми числами (обычно 20) являются внутримагнитосферные процессы. Эти волны часто идентифицируют как полоидальные альфвеновские моды, хотя разделение по поляризации на тороидальные и полоидальные волны довольно условно, поскольку компоненты колебаний бывают соизмеримы, кроме того, волны могут претерпевать трансформацию из полоидальных в тороидальные [Klimushkin et al., 2004].
Существует несколько способов определения азимутального волнового числа по наземным и спутниковым данным [Zong et al., 2017]. Наиболее прямой из них — определение разности фаз волны между двумя (или более) разнесенными по долготе точками измерения:
(1)
где Δφ — разность между фазами волны в точках измерений, а Δλ — разность их долгот. Положительные значения m соответствуют распространению волны на восток, а отрицательные — на запад. Точки измерений могут находиться как в магнитосфере, на спутниках, так и на поверхности Земли. Но из-за экранирования ионосферой волн с большими азимутальными волновыми числами их практически невозможно регистрировать с помощью наземных магнитометров. Однако возможны наблюдения таких волн с помощью радаров [Yeoman et al., 2012], которые являются удобными инструментами для изучения пространственной структуры колебаний в магнитосфере.
В экспериментах обычно наблюдаются волны с большими m, распространяющиеся на запад (m<0). Такие волны могут эффективно взаимодействовать с высокоэнергичными протонами, скорость дрейфа которых также направлена к западу [Zong et al., 2017]. Волны с m>0, распространяющиеся на восток, наблюдаются сравнительно редко [Eriksson et al., 2006; Le et al., 2011]. Эти волны могут эффективно взаимодействовать с электронами, скорость дрейфа которых направлена на восток, как и фазовая скорость волн с m>0. Энергичные электроны могут генерировать волны с m>0 благодаря дрейфовому резонансу. Действительно, как показано в работах [James et al., 2013; Hori et al., 2018], волны с положительными m наблюдаются к востоку от суббуревых инжекций, что говорит о том, что они генерировались энергичными электронами, инжектированными во время суббурь. Природа азимутально-мелкомасштабных волн с восточным распространением не ясна. В большинстве случаев их связывают с альфвеновскими волнами, однако Костарев и Магер [2017] показали, что в направлении дрейфа электронов могут распространяться также дрейфово-компрессионные волны в диапазоне Pc5. В работе [Takahashi et al., 1987] высказано предположение о том, что волны, с точки зрения неподвижного наблюдателя распространяющиеся на восток за пределами геостационарной орбиты, распространяются к западу относительно облака протонов, дрейфующего на восток под действием электрического поля со скоростью большей, чем фазовая скорость волны.
Что касается волн с малыми азимутальными волновыми числами, то, поскольку их источники находятся в солнечном ветре либо связаны с его взаимодействием с магнитосферой, они преимущественно распространяются в направлении от подсолнечной точки [Мазур, Чуйко, 2011; Mazur, Chuiko, 2013].
В работе рассмотрен ряд наблюдений магнитосферных волн с положительными азимутальными волновыми числами. Использован среднеширотный когерентный радар, расположенный под Екатеринбургом. Колебания наблюдались в течение 2014 г. и трех месяцев 2015 г. Рассмотрено направление их распространения и особенности поляризации. Частично эти данные использовались в работе [Chelpanov et al., 2018], в которой проведено сравнение частот наблюдаемых с помощью радара волн с частотами альфвеновской моды. Эти результаты также учитываются при анализе в данном исследовании.
1. Бернгардт О.И., Кутелев К.А., Куркин В.И. и др. Двухпозиционная локация высокоширотных ионосферных неоднородностей с использованием декаметрового радара EKB и радиотелескопа УТР-2: первые результаты // Известия вузов. Радиофизика. 2015. Т. 58, № 6. С. 433-453.
2. Костарев Д.В., Магер П.Н. Дрейфово-компрессионные волны, распространяющиеся в направлении дрейфа энергичных электронов в магнитосфере // Солнечно-земная физика. 2017. Т. 3, № 3. С. 20-29. DOI:https://doi.org/10.12737/szf-33201703.
3. Леонович А.С., Мазур В.А., Козлов Д.А. МГД-волны в геомагнитном хвосте: обзор // Солнечно-земная физика. 2015. Т. 1, № 1. C. 4-22. DOI:https://doi.org/10.12737/7168.
4. Магер П.Н., Климушкин Д.Ю. Генерация альфвеновских волн движущейся неоднородностью плазмы в магнитосфере // Физика плазмы. 2007. Т. 33, № 5. С. 435-442.
5. Мазур В.А., Чуйко Д.А. Возбуждение магнитосферного МГД-резонатора неустойчивостью Кельвина-Гельмгольца // Физика плазмы. 2011. Т. 37, № 11. С. 979.
6. Anderson B.J., Engebretson M.J., Rounds S.P., et al. A statistical study of Pc 3-5 pulsations observed by the AMPTE/CCE Magnetic Fields Experiment. 1. Occurrence distributions // J. Geophys. Res. 1990. V. 95, iss. A7. P. 10495-10523. DOI:https://doi.org/10.1029/JA095iA07p10495.
7. Baddeley L.J., Lorentzen D.A., Partamies N., et al. Equatorward propagating auroral arcs driven by ULF wave activity: Multipoint ground and space based observations in the dusk sector auroral oval // J. Geophys. Res. Space Phys. 2017. V. 122, iss. 5. P. 5591-5605. DOI:https://doi.org/10.1002/2016JA023427.
8. Chelpanov M.A., Mager P.N., Klimushkin D.Yu., et al. 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.
9. Chelpanov M.A., Mager O.V., Mager P.N., et al. Properties of frequency distribution of Pc5-range pulsations observed with the Ekaterinburg decameter radar in the nightside ionosphere // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2018. V. 167. P. 177-183. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp.2017.12.002.
10. 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, iss. 7. P. 1024-1032. DOI: 10.1029/ JA079i007p01024.
11. Eriksson P.T.I., Blomberg L.G., Glassmeier K.-H. Cluster satellite observations of mHz pulsations in the dayside magnetosphere // Adv. Space Res. 2006. V. 38. P. 1730-1737. DOI:https://doi.org/10.1016/j.asr.2005.04.103.
12. Glassmeier K.-H., Buchert S., Motschmann U., et al. Concerning the generation of geomagnetic giant pulsations by drift-bounce resonance ring current instabilities // Ann. Geophys. 1999. V. 17. P. 338-350. DOI:https://doi.org/10.1007/s00585-999-0338-4.
13. Hori T., Nishitani N., Shepherd S.G., et al. Substorm-associated ionospheric flow fluctuations during the 27 March 2017 magnetic storm: SuperDARN-Arase conjunction // Geophys. Res. Lett. 2018. V. 45, iss. 18. P. 9441-9449. DOI:https://doi.org/10.1029/2018GL079777.
14. 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. V. 118. P. 1737-1749. DOI:https://doi.org/10.1002/jgra.50131.
15. Klimushkin D.Yu., Mager P.N., Glassmeier K.-H. Toroidal and poloidal Alfven waves with arbitrary azimuthal wave numbers in a finite pressure plasma in the Earth’s magnetosphere // Ann. Geophys. 2004. V. 22, iss. 1. P. 267-288. DOI:https://doi.org/10.5194/angeo-22-267-2004.
16. Le G., Chi P.J., Strangeway R.J., Slavin J.A. Observations of a unique type of ULF wave by low-altitude Space Technology 5 satellites // J. Geophys. Res. 2011. V. 116, A08203. DOI:https://doi.org/10.1029/2011JA016574.
17. Mager P.N., Klimushkin D.Yu., Ivchenko N. On the equatorward phase propagation of high-m ULF pulsations observed by radars // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2009. V. 71, iss. 16. P. 1677-1680. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp.2008.09.001.
18. Mathews J.T., Mann I.R., Rae I.J., Moen J. Multi-instrument observations of ULF wave-driven discrete auroral arcs propagating sunward and equatorward from the poleward boundary of the duskside auroral oval // Phys. Plasmas. 2004. V. 11. P. 1250-1259. DOI:https://doi.org/10.1063/1.1647137.
19. 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 Rep. 2013. V. 39, N 6. P. 488-503. DOI:https://doi.org/10.1134/S1063780X13060068.
20. Mazur V.A., Chuiko D.A. Energy flux in 2-D MHD waveguide in the outer magnetosphere // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2017. V. 122. P. 1946-1959. DOI:https://doi.org/10.1002/2016JA023632.
21. Rae I.J., Murphy K.R., Watt C.E.J., et al. Field line resonances as a trigger and a tracer for substorm onset // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2014. V. 119. P. 5343-5363. DOI:https://doi.org/10.1002/20 13JA018889.
22. Southwood D.J. Some features of field line resonances in the magnetosphere // Planet. Space Sci. 1974. V. 22, iss. 3. P. 483-491. DOI:https://doi.org/10.1016/0032-0633(74)90078-6.
23. Takahashi K., Lopez R.E., McEntire R.W., et al. An eastward propagating compressional Pc5 wave observed by AMPTE/CCE in the postmidnight sector // J. Geophys. Res. 1987. V. 92, iss. A12. P. 13472-13484. DOI:https://doi.org/10.1029/JA092iA12p13472.
24. Tian M., Yeoman T., Lester M., Jones T. Statistics of Pc5 pulsation events observed by SABRE // Planet. Space Sci. 1991. V. 39, iss. 9. P. 1239-1247. DOI:https://doi.org/10.1016/0032-0633(91)90037-B.
25. Yeoman T., Tian M., Lester M., Jones T. A study of Pc5 hydromagnetic waves with equatorward phase propagation // Planet. Space Sci. 1992. V. 40, iss. 6. P. 797-810. DOI: 10.1016/ 0032-0633(92)90108-Z.
26. Yeoman T.K., Wright D.M., Chapman P.J., Stockton-Chalk A.B. High-latitude observations of ULF waves with large azimuthal wavenumbers // J. Geophys. Res. 2000. V. 105, iss. A3. P. 5453-5462. DOI:https://doi.org/10.1029/1999JA005081.
27. Yeoman T.K., James M., Mager P.N., Klimushkin D.Y. SuperDARN observations of high-m ULF waves with curved phase fronts and their interpretation in terms of transverse resonator theory // J. Geophys. Res. 2012. V. 117, A06231. DOI:https://doi.org/10.1029/2012JA017668.
28. Walker A.D.M., Greenwald R.A., Stuart W.F., Green C.A. STARE auroral radar observations of Pc 5 geomagnetic pulsations // J. Geophys. Res. 1979. V. 84, iss. A7. P. 3373-3388. DOI:https://doi.org/10.1029/JA084iA07p03373.
29. Zolotukhina N.A., Mager P.N., Klimushkin D.Yu. Pc5 waves generated by substorm injection: a case study // Ann. Geophys. 2008. V. 26. P. 2053-2059. DOI:https://doi.org/10.5194/angeo-26-2053-2008.
30. Zong Q., Rankin R., Zhou X. The interaction of ultra-low-frequency Pc3-5 waves with charged particles in Earth’s magnetosphere // Rev. Mod. Plasma Phys. 2017 V. 1, 10. DOI:https://doi.org/10.1007/s41614-017-0011-4.
31. URL: http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp (дата обращения 9 ноября 2018 г.).
32. URL: http://omniweb.gsfc.nasa.gov (дата обращения 9 ноября 2018 г.).
33. URL: http://iszf.irk.ru (дата обращения 9 ноября 2018 г.).
34. URL: http://cdaweb.gsfc.nasa.gov (дата обращения 9 ноября 2018 г.).
