с 01.01.2013 по 01.01.2021
Иркутск, Иркутская область, Россия
Иркутск, Россия
В обзоре излагается современное состояние теории короткопериодных УНЧ-волн, учитывающей наличие в плазме магнитосферы примеси тяжелых ионов (ионов, масса которых существенно превышает массу протонов). Наличие тяжелых ионов влияет на спектр и характеристики распространения волн диапазона Рс1. Рассмотрены элементы теории квазипродольных и квазипоперечных короткопериодных УНЧ-волн. Квазипродольные ионно-циклотронные волны, как правило, имеют левую круговую поляризацию. Квазипоперечные ионно-ионные гибридные волны имеют линейную поляризацию и могут быть полоидальными и торои-дальными. Рассмотрена теория экваториального резонатора для волн Рс1, размер которого определяется концентрацией тяжелых ионов. В радиальном направлении волны могут быть заперты в окрестности плазмопаузы или в области локального минимума плотности тяжелых ионов. Рассмотрены размеры экваториального резонатора при произвольных значениях компонент волнового вектора. Отмечено, что ионно-ионные гибридные волны в отличие от альфвеновских волн имеют большую продольную компоненту магнитного поля.
геомагнитные пульсации Pc1, УНЧ-волны, ионно-ионные гибридные волны, многокомпонентная плазма, тяжелые ионы
1. Брюнелли Б.Е., Намгаладзе А.А. Физика ионосферы. М.: Наука, 1988. 528 с.
2. Гинцбург М.А. Низкочастотные волны в многокомпонентной плазме. Геомагнетизм и аэрономия. 1963. T. 3. С. 757-761.
3. Гульельми А.В. О природе гидромагнитных свистов. Доклады АН СССР. 1967. T. 174, № 7. С. 1076-1078.
4. Гульельми А.В. Циклотронная неустойчивость протонов внешнего радиационного пояса. Геомагнетизм и аэрономия. 1968. T. 8, № 7. C. 412-419.
5. Гульельми А.В., Потапов А.С. Влияние тяжелых ионов на спектр колебаний магнитосферы. Космические исследования. 2012. Т. 50. С. 283-291.
6. Гульельми А.В., Потапов А.С. Проблемы теории магнитосферных волн Рс1. Обзор. Солнечно-земная физика. 2019. Т. 5. С. 102-109. DOI:https://doi.org/10.12737/szf-53201910.
7. Гульельми А.В., Потапов А.С. Частотно-модулиро-ванные ультранизкочастотные волны в околоземном космическом пространстве. УФН. 2021. Т. 191, № 5. С. 475-491. DOI:https://doi.org/10.3367/UFNr.2020.06.038777.
8. Гульельми А.В., Троицкая В.А. Геомагнитные пульсации и диагностика магнитосферы. М.: Наука, 1973. 208 с.
9. Климушкин Д.Ю. Метод описания альфвеновской и магнитозвуковой ветвей колебаний неоднородной плазмы. Физика плазмы. 1994. Т. 20, № 3. C. 309-315.
10. Кролл Н., Трайвелпис A. Основы физики плазмы. М.: Мир, 1975. 525 с.
11. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Курс теоретичесой физики. Квантовая механика (нерелятивистская теория). М.: Физмалит, 2004. 800 с.
12. Леонович А.С., Мазур В.А. Линейная теория МГД-колебаний магнитосферы. М.: Физмалит, 2016. 480 с.
13. Михайлова О.С. О возможности локализации волн Рс1 вблизи ионосферы с учетом наличия тяжелых ионов в плазме. Солнечно-земная физика. 2011. Т. 19.С. 83-87.
14. Михайлова О.С. Исследование структуры УНЧ-коле-баний вблизи плазмопаузы при наличии в магнитосферной плазме тяжелых ионов. Солнечно-земная физика. 2013. T. 23. C. 84-90.
15. Abramowitz M., Stegun I.A. Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs and Mathematical Tables. National Bureau of Standarts Applied Mathematics Series. Washington, 1964.
16. Anderson B.J., Erlandson R.E., Zanetti L.J. A statistical study of Pc1-2 magnetic pulsations in the equatorial magnetosphere: 1. Equatorial occurrence distributions. J. Geophys. Res. 1992a. P. 3075-3088. DOI:https://doi.org/10.1029/91JA02706.
17. Anderson B.J., Erlandson R.E., Zanetti L.J. A statistical study of Pc1-2 magnetic pulsations in the equatorial magnetosphere: 2.Wave properties. J. Geophys. Res. 1992b. Vol. 97, no. A3. P. 3089-3101. DOI:https://doi.org/10.1029/91JA02697.
18. Anderson B.J., Denton R.E., Ho G., et al. Observational test of local proton cyclotron instability in the Earth’s magnetosphere. J. Geophys. Res.: Space Phys. 1996. Vol. 101, no. A10. P. 21527-21543. DOI:https://doi.org/10.1029/96JA01251.
19. Buchsbaum S.J. Ion resonance in a multicomponent plasma. Phys. Rev. Lett. 1960. Vol. 5, no. 11. P. 495-497. DOI: 10.1103/ PhysRevLett.5.495.
20. Chen L., Thorne R.M., Horne R.B. Simulation of EMIC wave excitation in a model magnetosphere including structured high-density plumes. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2009. Vol. 114, no. A7. DOI:https://doi.org/10.1029/2009JA014204.
21. Cornwall J.M. Cyclotron instabilities and electromagnetic emission in the ultra low frequency and very low frequency ranges. J. Geophys. Res. 1965. Vol. 70, no. 1. P. 61-69. DOI:https://doi.org/10.1029/JZ070i001p00061.
22. Demekhov A.G. Coupling at the atmosphere-ionosphere-magnetosphere interface and resonant phenomena in the ULF range. Space Sci. Rev. 2012. Vol. 168, no. 1. P. 595-609. DOI:https://doi.org/10.1007/s11214-011-9832-6.
23. Dmitrienko I.S., Mazur V.A. On waveguide propagation of Alfvén waves at the plasmapause. Planetary Space Sci. 1985. Vol. 33, no. 5. P. 471-477. DOI:https://doi.org/10.1016/0032-0633(85)90092-3.
24. Dmitrienko I.S., Mazur V.A. The spatial structure of quasi- circular Alfvén modes of waveguide at the plasmapause - interpretation of Pc1 pulsations. Planetary Space Sci. 1992. Vol. 40. P. 139-148. DOI:https://doi.org/10.1016/0032-0633(92)90156-I.
25. Engebretson M.J., Peterson W.K., Posch J.L., et al. Observations of two types of Pc1-2 pulsations in the outer dayside magnetosphere. J. Geophys. Res. 2002. Vol. 107, no. A12. DOI:https://doi.org/10.1029/2001JA000198.
26. Engebretson M.J., Keiling A., Fornacon K.-H., et al. Cluster observations of Pc1-2 waves and associated ion distributions during the October and November 2003 magnetic storms. Planetary Space Sci. 2007. Vol. 55, no. 6. P. 829-848. DOI:https://doi.org/10.1016/j.pss.2006.03.015.
27. Engebretson M.J., Posch J.L., Westerman A.M., et al. Temporal and spatial characteristics of Pc1 waves observed by ST5. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2008. Vol. 113, no. A7. DOI:https://doi.org/10.1029/2008JA013145.
28. Farmer W.A., Morales G.J. Propagation of shear Alfvén waves in two-ion species plasmas confined by a nonuniform magnetic field. Phys. Plasmas.2013. Vol. 20, no. 8. P. 082132. DOI:https://doi.org/10.1063/1.4819776.
29. Fedorov E., Mazur N., Pilipenko V., Engebretson M. Interaction of magnetospheric Alfvén waves with the ionosphere in the Pc1 frequency band. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2016. Vol. 121, no. 1. P. 321-337. DOI:https://doi.org/10.1002/2015JA021020.
30. Fraser B.J., Nguyen T.S. Is the plasmapause a preferred source region of electromagnetic ion cyclotron waves in the magnetosphere? J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2001. Vol. 63. P. 1225-1247. DOI:https://doi.org/10.1016/S1364-6826(00)00225-X.
31. Fraser B.J., Lotoániu T.M., Singer H.J. Electromagnetic ion cyclotron waves in the magnetosphere. В. Magnetospheric ULF waves: synthesis and new directions. American Geophysical Union (AGU). 2006. P. 195-212. DOI:https://doi.org/10.1029/169GM13.
32. Glassmeier K.-H., Mager P.N., Klimushkin D.Yu. Concerning ULF pulsations in Mercury’s magnetosphere. Geophys. Res. Lett. 2003. Vol. 30, no. 18. DOI:https://doi.org/10.1029/2003GL017175.
33. Glassmeier K.-H., Klimushkin D., Othmer C., Mager P. ULF waves at Mercury: Earth, the giants, and their little brother compared. Adv. Space Res. 2004. Vol. 33. P. 1875-1883. DOI:https://doi.org/10.1016/j.asr.2003.04.047.
34. Guglielmi A., Kangas J. Pc1 waves in the system of solar-terrestrial relations: new reflections. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2007. Vol. 69. P. 1635-1643. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp.2007.01.015.
35. Guglielmi A.V., Potapov A.S., Russell C.T. The ion cyclotron resonator in the magnetosphere. JETP Lett. 2000. Vol. 72, no. 6. P. 298-300.
36. Guglielmi A., Kangas J., Potapov A. Quasiperiodic modulation of the Pc1 geomagnetic pulsations: an unsettled problem. J. Geophys. Res. 2001. Vol. 106, no. A11. P. 25847-25855. DOI:https://doi.org/10.1029/2001JA000136.
37. Gurnett D.A., Shawhan S.D., Brice N.M., et al. Ion cyclotron whistlers. J. Geophys. Res. 1965. Vol. 70, no. 7. P. 1665-1688. DOI:https://doi.org/10.1029/JZ070i007p01665.
38. Horne R.B., Thorne R.M. On the preferred source location for the convective amplification of ion cyclotron waves. J. Geophys. Res.: Space Phys.1993. Vol. 98, no. A6. P. 9233-9247. DOI:https://doi.org/10.1029/92JA02972.
39. Horne R.B., Thorne R.M. Wave heating of He+ by electromagnetic ion cyclotron waves in the magnetosphere: heating near the H+ − He+ bi-ion resonance frequency. J. Geo-phys. Res.: Space Phys. 1997. Vol. 102, no. A6. P. 11457-11471. DOI:https://doi.org/10.1029/97JA00749.
40. Jacobs J.A., Watanabe T. Micropulsation whistlers. J. Atmos. Terr. Phys. 1964. Vol. 26, no. 8. P. 825-829. DOI:https://doi.org/10.1016/0021-9169(64)90180-1.
41. Kazakov Ye.O., Fülöp T. Mode conversion of waves in the ion-cyclotron frequency range in magnetospheric plasmas. Phys. Rev. Lett. 2013. Vol. 111 (12). P. 125002. DOI:https://doi.org/10.1103/Phys RevLett.111.125002.
42. Kennel C.F., Petschek H.E. Limit on stably trapped particle fluxes. J. Geophys. Res. 1966. Vol. 71, no. 1. P. 1-28. DOI:https://doi.org/10.1029/JZ071i001p00001.
43. Kim E.-H., Johnson J.R. Comment on mode conversion of waves in the ion-cyclotron frequency range in magnetospheric plasmas. Phys. Rev. Lett. 2014. No. 113. P. 089501.
44. Kim E.-H., Johnson J.R. Full-wave modeling of EMIC waves near the He+ gyrofrequency. Geophys. Res. Lett. 2016. Vol. 43, no. 1. P. 13-21. DOI:https://doi.org/10.1002/2015GL066978.
45. Kim E.-H., Johnson J.R., Lee D.-H. Resonant absorption of ULF waves at Mercury’s magnetosphere. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2008. Vol. 113, no. A11. DOI:https://doi.org/10.1029/2008 JA013310.
46. Kim E.-H., Johnson J.R., Cairns I.H., Lee D.-H. Waves in Space Plasmas. AIP Conference Proc. 2009. Vol. 1187, no. 1. P. 13-20. DOI:https://doi.org/10.1063/1.3273713.
47. Kim E.-H., Johnson J.R., Lee D.-H. ULF wave absorption at Mercury. Geophys. Res. Lett. 2011. Vol. 38, no. 16. P. L16111. DOI:https://doi.org/10.1029/2011GL048621.
48. Kim E.-H., Johnson J.R., Lee D.-H., Pyo Y.S. Field-line resonance structures in Mercury’s multi-ion magnetosphere. Earth, Planets and Space. 2013. Vol. 65, no. 5. P. 6. DOI:https://doi.org/10.5047/eps.2012.08.004.
49. Kim E.-H., Johnson J.R., Lee D.-H. Localization of ultra-low frequency waves in multi-ion plasmas of the planetary magnetosphere. J. Astron. Space Sci. 2015a. Vol. 32. P. 289-295. DOI:https://doi.org/10.5140/JASS.2015.32.4.289.
50. Kim E.-H., Johnson J.R., Kim H., Lee D.-H. Inferring magnetospheric heavy ion density using EMIC waves. J. Geo-phys. Res.: Space Phys. 2015b. Vol. 120, no. 8. P. 6464-6473. DOI:https://doi.org/10.1002/2015JA021092.
51. Kim E.-H., Johnson J.R., Lee D.-H. Electron inertial effects on linearly polarized electromagnetic ion cyclotron waves at Earth’s magnetosphere. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2019. Vol. 124, no. 4. P. 2643-2655. DOI:https://doi.org/10.1029/2019JA026532.
52. Klimushkin D.Yu. Resonators for hydromagnetic waves in the magnetosphere. J. Geophys. Res. 1998. Vol. 103. P. 2369-2375. DOI:https://doi.org/10.1029/97JA02193.
53. Klimushkin D.Y., Mager P.N. The Alfvén mode gyrokinetic equation in finite-pressure magnetospheric plasma. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2015. Vol. 120. P. 4465-4474. DOI:https://doi.org/10.1002/2015JA021045.
54. Klimushkin D.Yu., Mager P.N., Glassmeier K.-H. Toroidal and poloidal Alfvén waves with arbitrary azimuthal wave numbers in a finite pressure plasma in the Earth’s magnetosphere. Ann. Geophys. 2004. Vol. 22. P. 267-288. DOI:https://doi.org/10.5194/angeo-22-267-2004.
55. Klimushkin D.Yu., Mager P.N., Glassmeier K.-H. Axi-symmetric Alfvén resonances in a multi-component plasma at finite ion gyrofrequency. Ann. Geophys. 2006. Vol. 24. P. 1077-1084. DOI:https://doi.org/10.5194/angeo-24-1077-2006.
56. Klimushkin D.Yu., Mager P.N., Marilovtseva O.S. Parallel structure of Pc1 ULF oscillations in multi-ion magnetospheric plasma at finite ion gyrofrequency. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2010. Vol. 72, no. 18. P. 1327-1332. DOI: 10.1016/ j.jastp.2010.09.019.
57. Lee D.-H., Johnson J.R., Kim K., Kim K.-S. Effects of heavy ions on ULF wave resonances near the equatorial region. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2008. Vol. 113, no. A11. DOI:https://doi.org/10.1029/2008JA013088.
58. Leonovich A.S., Mazur V.A. A theory of transverse small-scale standing Alfvén waves in an axially symmetric magnetosphere. Planetary Space Sci. 1993. Vol. 41. P. 697-717. DOI:https://doi.org/10.1016/0032-0633(93)90055-7.
59. Leonovich A.S., Mazur V.A. Magnetospheric resonator for transverse-small-scale standing Alfvén waves. Planetary Space Sci. 1995. Vol. 43. P. 881-883. DOI:https://doi.org/10.1016/0032-0633(94)00206-7.
60. Leonovich A.S., Mazur V.A. A model equation for monochromatic standing Alfvén waves in the axially-symmetric magnetosphere. J. Geophys. Res. 1997. Vol. 102. P. 11443-11456. DOI:https://doi.org/10.1029/96JA02523.
61. Leonovich A.S., Klimushkin D.Yu., Mager P.N. Experimental evidence for the existence of monochromatic transverse small-scale standing Alfvén waves with spatially dependent polarization. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2015. Vol. 120. P. 5443-5454. DOI:https://doi.org/10.1002/2015JA021044.
62. Lessard M.R., Lund E.J., Kim H.M. Pi1B pulsations as a possible driver of Alfvénic aurora at substorm onset. J. Geo-phys. Res.: Space Phys. 2011. Vol. 116, no. A6. DOI: 10.1029/ 2010JA015776.
63. Lotoaniu T.M. Propagation of electromagnetic ion cyclotron wave energy in the magnetosphere. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2005. Vol. 110, iss. A7. CiteID A07214. DOI:https://doi.org/10.1029/2004JA010816.
64. Lundin R., Guglielmi A. Ponderomotive forces in cosmos. Space Sci. Rev. 2006. Vol. 127. P. 1-116. DOI:https://doi.org/10.1007/s11214-006-8314-8.
65. Mager P.N., Klimushkin D.Yu. Giant pulsations as modes of a transverse Alfvénic resonator on the plasmapause. Earth, Planets and Space. 2013. Vol. 65. P. 397-409. DOI:https://doi.org/10.5047/eps. 2012.10.002.
66. Mager P.N., Mikhailova O.S., Mager O.V., Klimushkin D.Yu. Eigenmodes of the transverse Alfvénic resonator at the plasmapause: a Van Allen Probes case study. Geophys. Res. Lett. 2018. Vol. 45. P. 10,796-10,804. DOI:https://doi.org/10.1029/2018GL079596.
67. Mikhailova O.S. The spatial structure of ULF-waves in the equatorial resonator localized at the plasmapause with the admixture of the heavy ions. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2014. Vol. 108. P. 10-16. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp.2013.12.007.
68. Mikhailova O.S., Mager P.N., Klimushkin D.Yu. Two modes of ion-ion hybrid waves in magnetospheric plasma. Plasma Physics and Controlled Fusion. 2020a. Vol. 62, no. 2. P. 025026. DOI:https://doi.org/10.1088/1361-6587/ab5b32.
69. Mikhailova O.S., Mager P.N., Klimushkin D. Yu. Transverse resonator for ion-ion hybrid waves in dipole magnetospheric plasma. Plasma Physics and Controlled Fusion. 2020b. Vol. 62, no. 9. P. 095008. DOI:https://doi.org/10.1088/1361-6587/ab9be9.
70. Mishin V.V., Lunyushkin S.B., Mikhalev A.V., et al. Extreme geomagnetic and optical disturbances over Irkutsk during the 2003 November 20 superstorm. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2018. Vol. 181. P. 68-78. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp.2018.10.013.
71. Mishin V.V., Tsegmed B., Klibanova Yu.Yu., Kurika-lova M.A. Burst geomagnetic pulsations as indicators of substorm expansion onsets during storms. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2020. Vol. 125, no. 10. DOI:https://doi.org/10.1029/2020JA 028521.
72. Mithaiwala M., Rudakov L., Ganguli G. Generation of a ULF wave resonator in the magnetosphere by neutral gas release. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2007. Vol. 112, no. A9. P. A09218. DOI:https://doi.org/10.1029/2007JA012445.
73. Mursula K. Satellite observations of Pc1 pearl waves: the changing paradigm. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2007. Vol. 69, no. 14. P. 1623-1634. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp.2007.02.013.
74. Mursula K., Blomberg L.G., Lindqvist P.-A., et al. Dispersive Pc1 bursts observed by Freja. Geophys. Res. Lett. 1994. Vol. 21, no.17. P. 1851-1854. DOI:https://doi.org/10.1029/94GL01584.
75. Mursula K., Bräysy T., Niskala K., et al. Pc1 pearls revisited: Structured electromagnetic ion cyclotron waves on Polar satellite and on ground. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2001. Vol. 106, no. A12. P. 29543-29553. DOI:https://doi.org/10.1029/2000JA003044.
76. Obayashi T. Hydromagnetic whistlers. J. Geophys. Res. 1965. Vol. 70, no. 5. P. 1069-1078. DOI:https://doi.org/10.1029/JZ070i005p01069.
77. Polyakov A.R. The structure of equidistant-frequency groups in the oscillation spectra of the dayside magnetosphere. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2019. Vol. 189. P. 44-51. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp.2019.04.008.
78. Rauch J.L., Roux A. Ray tracing of ULF waves in a multicomponent magnetospheric plasma: Consequences for the generation mechanism of ion cyclotron waves. J. Geophys. Res. 1982. Vol. 87, no. A10. P. 8191-8198. DOI:https://doi.org/10.1029/JA087iA 10p08191.
79. Smith R.L., Brice N. Propagation in multicomponent plasmas. J. Geophys. Res. 1964. Vol. 69, no. 23. P. 5029-5040. DOI:https://doi.org/10.1029/JZ069i023p05029.
80. Southwood D.J., Saunders M.A. Curvature coupling of slow and Alfvén MHD waves in a magnetotail field configuration. Planetary Space Sci. 1985. Vol. 33. P. 127-134. DOI: 10.1016/ 0032-0633(85)90149-7.
81. Sucksdorff E. Occurrences of rapid micropulsations at Sodankylä during 1932 to 1935. Terrestrial Magnetism and Atmospheric Electricity. 1936. Vol. 41, no. 4. P. 337-344. DOI:https://doi.org/10.1029/TE041i004p00337.
82. Swanson D.G. Plasma Waves. 2nd Edition. Bristol: IOP, 2003. DOI:https://doi.org/10.1201/b15744.
83. Takahashi K., Denton R.E., Anderson R.R., et al. Mass density inferred from toroidal wave frequencies and its comparison to electron density. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2006. Vol. 111, iss. A1. CiteID A01201. DOI:https://doi.org/10.1029/2005JA011286.
84. Tamao T. Magnetosphere-ionosphere interaction through hydromagnetic waves. Achievements of the International Magnetospheric Study (IMS). 1984. P. 427-435. (ESA Special Publication, vol. 217).
85. Usanova M.E., Drozdov A., Orlova K., et al. Effect of EMIC waves on relativistic and ultrarelativistic electron populations: ground-based and Van Allen Probes observations. Geophys. Res. Lett. 2014. Vol. 41, no. 5. P. 1375-1381. DOI:https://doi.org/10.1002/2013GL059024.
86. Yahnin A.G., Yahnina T.A., Frey H.U. Subauroral proton spots visualize the Pc1 source. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2007. Vol. 112, no. A10. DOI:https://doi.org/10.1029/2007JA012501.
87. Yang B., Zong Q.-G., Wang Y.F., et al. Cluster observations of simultaneous resonant interactions of ULF waves with energetic electrons and thermal ion species in the inner magnetosphere. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2010. Vol. 115, no. A2. DOI:https://doi.org/10.1029/2009JA014542.
88. 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. P. A06231. DOI: 10.1029/ 2012JA017668.
89. Young D.T., Perraut S., Roux A., et al. Wave-particle interactions near ωHe+ observed on GEOS 1 and 2: 1. Propagation of ion cyclotron waves in He+-rich plasma. J. Geophys. Res.: Space Phys. 1981. Vol. 86, no. A8. P. 6755-6772. DOI:https://doi.org/10.1029/JA086iA08p06755.
