Иркутск, Россия
Иркутск, Россия
Проведен численный анализ пространственной структуры альфвеновских волн в неоднородной плазме конечного давления в дипольной модели магнитосферы. Были рассмотрены три модели магнитосферы, различающиеся максимальным плазменным давлением и градиентом давления. Была рассмотрена задача на собственные значения частоты волны. Установлено, что частота полоидальной моды может быть либо больше частоты тороидальной моды, либо меньше ее в зависимости от давления плазмы и его градиента. Рассмотрена задача на собственные значения радиальной компоненты волнового вектора. Найдены точки отражения альфвеновской волны в различных моделях магнитосферы. Показано, что область распространения волны в модели с холодной плазмой существенно уже, чем в моделях с конечным давлением плазмы. Исследована структура главной гармоники альфвеновской волны при смене ее поляризации в трех моделях магнитосферы. Проведено численное исследование влияния давления плазмы на структуру поведения всех компонент электрического и магнитного поля альфвеновских волн. Установлено, что при определенных параметрах модели магнитосферы магнитное поле может иметь три узла в то время как в модели с холодной плазмой только один. Кроме того, продольная компонента магнитного поля дважды меняет знак вдоль силовой линии магнитного поля.
МГД-волны, дипольная модель магнитосферы, МГД-резонансы
1. Гульельми А.В. Поляризационное расщепление спектра альфвеновских колебаний магнитосферы. Геомагнетизм и аэрономия. 1970. T. 10. С. 524-525.
2. Гульельми А.В., Золотухина Н.А. Возбуждение альфвеновских колебаний магнитосферы асимметричным кольцевым током. Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. 1980. № 50. С. 129-138.
3. Гульельми А.В., Потапов А.С. Об особенности поля МГД-волны в неоднородной плазме. Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. 1984. № 70. С. 149-157.
4. Климушкин Д.Ю. Метод описания альфвеновской и магнитозвуковой ветвей колебаний неоднородной плазмы. Физика плазмы. 1994. Т. 2, № 3. С. 309-315.
5. Климушкин Д.Ю., Магер П.Н., Челпанов М.А. и др. Взаимодействие длиннопериодных УНЧ-волн и заряженных частиц в магнитосфере: теория и наблюдения (обзор). Солнечно-земная физика. 2021. Т. 7, № 4. С. 35-69. DOI:https://doi.org/10.12737/szf-74202105.
6. Леонович А.С., Мазур В.А. Линейная теория МГД-колебаний в магнитосфере. М.: Физматлит, 2016. С. 480.
7. Магер П.Н., Климушкин Д.Ю. Генерация альфвеновских волн движущейся неоднородностью плазмы в магнитосфере. Физика плазмы. 2007. Т. 33, № 5. C. 435-442.
8. Мазур В.А., Чуйко Д.А. Возбуждение магнитосферного МГД-резонатора неустойчивостью Кельвина-Гельмгольца. Физика плазмы. 2011. Т. 37. С. 979-1000.
9. Мазур Н.Г., Федоров Е.Н., Пилипенко В.А. Дисперсионное соотношение для баллонных мод и условие их устойчивости в околоземной плазме. Геомагнетизм и аэрономия. 2012. Т. 52, № 5. С. 639-648.
10. Мазур Н.Г., Федоров Е.Н., Пилипенко В.А. Продольная структура баллонных МГД-возмущений в модельной магнитосфере. Косм. иссл. 2014. Т. 52. С. 1-11. DOI: 10.7868/ S0023420614030078.
11. Мишин В.В., Клибанова Ю.Ю., Цэгмэд Б. Влияние наклона фронта неоднородности солнечного ветра на свойства вызванных им длиннопериодных геомагнитных пульсаций. Косм. иссл. 2013. Т. 51, № 2. С. 107-118. DOI:https://doi.org/10.1134/S0010952513020020.
12. Потапов А.С., Цэгмэд Б., Рыжакова Л.В. Связь потоков релятивистских электронов на геостационарной орбите с уровнем УНЧ-активности на поверхности Земли и в солнечном ветре в 23-м цикле солнечной активности. Косм. иссл. 2012. Т. 50, № 2. С. 130-146. DOI:https://doi.org/10.1134/S0 010952512020086.
13. Сафаргалеев В.В., Мальцев Ю.П. Внутренние гравитационные волны в плазменном слое. Геомагнетизм аэрономия. 1986. Т. 26. С. 220-223.
14. Agapitov A.V., Cheremnykh O.K., Parnowski A.S. Ballooning perturbations in the inner magnetosphere of the Earth: Spectrum, stability and eigenmode analysis. Adv. Space Res. 2008. Vol. 41. P. 1682-1687. DOI:https://doi.org/10.1016/j.asr.2006.12.040.
15. Agapitov O., Glassmeier K.H., Plaschke F., Auster H.U., Constantinescu D., Angelopoulos V., Magnes W., Nakamura R., Carlson C.W., Frey S., McFadden J.P. Surface waves and field line resonances: A THEMIS case study. J. Geophys. Res. 2009. Vol. 114. P. A00C27. DOI:https://doi.org/10.1029/2008JA013553.
16. Chen L., Hasegawa A. Kinetic theory of geomagnetic pulsations: 1. Internal excitations by energetic particles. J. Geophys. Res. 1991. Vol. 96. P. 1503-1512. DOI:https://doi.org/10.1029/90JA02346.
17. Cheremnykh O.K., Parnowski A.S. Flute and ballooning modes in the inner magnetosphere of the Earth: Stability and influence of the ionospheric conductivity. Space Sci.: New Res. New York: Nova Science Publ., 2006. P. 71-108.
18. Clausen L.B., Yeoman T.K. Comprehensive survey of Pc4 and Pc5 band spectral content in Cluster magnetic field data. Ann. Geophys. 2009. Vol. 27, no. 8. P. 3237-3248. DOI: 10.5194angeo-27-3237-2009.
19. Cummings W.D., OS’ullivan R.L., Coleman P.J. Standing Alfvén waves in the magnetosphere. J. Geophys. Res. 1969. Vol. 74, no. 3. P. 778-793.
20. Dai L., Takahashi K., Wygant J.R., et. al. Excitation of poloidal standing Alfvén waves through drift resonance wave particle interaction. Geophys. Res. Lett. 2013. Vol. 40, no. 16. P. 4127-4132.
21. Elsden T., Wright A.N. Polarization properties of 3D field line resonances. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2022. Vol. 127, no. 2. P. 1-18. DOI:https://doi.org/10.1029/2021JA030080.
22. Fedorov E., Pilipenko V. Engebretson M.J. ULF wave damping in the auroral acceleration region. J. Geophys. Res. 2001. Vol. 106, no. A4. P. 6203-6212. DOI:https://doi.org/10.1029/2000JA000022.
23. Glassmeier K.H., Othmer C., Cramm R., Stellmacher M., Engebretson M. Magnetospheric field line resonance: a comparative planetology approach. Surveys in Geophys. 1999. Vol. 20. P. 61-109. DOI:https://doi.org/10.1016/0273-1177(88)90154-8.
24. Hameiri E.P., Mond L.M. The ballooning instability in space plasmas, J. Geophys. Res. 1991. Vol. 96, iss. A2. P. 1513-1526. DOI:https://doi.org/10.1029/90JA02100.
25. Karpman V.I., Meerson B.I., Mikhailovsky A.B., Pokhotelov O.A. The effects of bounceresonances on wave growth rates in the magnetosphere. Planetary and Space Sci. 1977. Vol. 25. P. 573-585. DOI:https://doi.org/10.1016/0032-0633(77)90064-2.
26. Keiling A. The dynamics of the Alfvénic Oval. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2021. Vol. 219. P. 105616. DOI: 10.1016/ j.jastp.2021.105616.
27. Klimushkin D.Yu., Leonovich A.S., Mazur V.A. On the propagation of transversally small-scale standing Alfvén waves in a three-dimensionally inhomogeneous magnetosphere. J. Geophys. Res. 1995. Vol. 100, no. A6. P. 9527-9534. DOI:https://doi.org/10.1029/94JA03233.
28. 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, no. 1. P. 267-288. DOI:https://doi.org/10.5194/angeo22-267-2004.
29. Kostarev D.V., Mager P.N., Klimushkin D.Yu. Alfvén wave parallel electric field in the dipole model of the magnetosphere: gyrokinetic treatment. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2021. Vol. 126, no. 2. P. e2020JA028611. DOI:https://doi.org/10.1029/2020JA 028611.
30. Krylov A.L., Lifshitz A.E. Quasi-Alfvén oscillations of magnetic surfaces. Planetary and Space Sci. 1984. Vol. 32, no. 4. P. 481-492. DOI:https://doi.org/10.1016/0032-0633(84)90127-2.
31. Leonovich A.S., Kozlov D.A. On ballooning instability in current sheets. Plasma Phys. Control. Fusion. 2013. Vol. 55, no. 8. P. 17. DOI:https://doi.org/10.1088/0741-3335/55/8/085013.
32. Leonovich A.S., Mazur V.A. The spatial structure of poloidal Alfvén oscillations of an axisymmetric magnetosphere. Planetary and Space Sci. 1990. Vol. 38. P. 1231-1241. DOI:https://doi.org/10.1016/0032-0633(90)90128-D.
33. Leonovich A.S., Mazur V.A. A theory of transverse small-scale standing Alfvén waves in an axially symmetric magnetosphere. Planetary and Space Sci. 1993. Vol. 41. P. 697-717. DOI:https://doi.org/10.1016/0032-0633(93)90055-7.
34. Leonovich A.S., Mazur V.A. Standing Alfvén waves with m>>1 in an axisymmetric magnetosphere excited by a non-stationary source. Ann. Geophys. 1998. Vol. 16. P. 914-920. DOI:https://doi.org/10.1007/s00585-998-0914-z.
35. 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.
36. Leonovich A.S., Zong Q.G., Kozlov D.A., et al. The field of shock-generated Alfvén oscillations near the plasmapause. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2021. Vol. 126, no. 8. P. 20-55. DOI:https://doi.org/10.1029/2021JA029488.
37. Lysak R.L., Song Y. Magnetosphere-ionosphere coupling by Alfvén waves: Beyond current continuity. Adv. Space Res. 2006. Vol. 38, no. 8. P. 1713-1719.
38. Mager O.V. Alfvén waves generated through the drift bounce resonant instability in the ring current: A THEMIS multi-spacecraft case study. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2021. Vol. 126, no. 11. P. e2021JA029241. DOI:https://doi.org/10.1029/2021 JA029241.
39. Mager P.N., Klimushkin D.Y. The field line resonance in the three-dimensionally inhomogeneous magnetosphere: Principal features. J. Geophys Res.: Space Phys. 2021. Vol. 126, no. 1. DOI:https://doi.org/10.1029/2020JA028455.
40. Mager P.N., Klimushkin D.Yu., Pilipenko V.A., Schafer S. Field-aligned structure of poloidal Alfvén waves in a finite pressure plasma. Ann. Geophys. 2009. Vol. 27, no. 10. P. 3875-3882. DOI: ann-geophys.net/27/3875/2009.
41. 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.
42. Mann I.R., Wright A.N. Finite lifetime of ideal poloidal Alfvén waves J. Geophys. Res. 1995. Vol. 100, no. A12. P. 23677-23686. DOI:https://doi.org/10.1029/95JA02689.
43. Mann I.R., Murphy K.R., Ozeke L.G., et al. The Role of Ultralow Frequency Waves in Radiation Belt Dynamics. Geophys. Monograph Ser. 2012. Vol. 199. P. 69-92. Washington: American Geophysical Union Publ., 2012. P. 69-92. DOI:https://doi.org/10.1029/2012GM001349.
44. Pilipenko V., Fedorov E., Engebretson M.J., Yumoto K. Energy budget of Alfvén wave interactions with the auroral acceleration region. J. Geophys. Res. 2004. Vol. 109, no. A10. P. A10204. DOI:https://doi.org/10.1029/2004JA010440.
45. Pilipenko V., Kozyreva O., Fedorov E., et al. Latitudinal amplitude-phase structure of MHD waves: STARE radar and IMAGE magnetometer observations and modeling. Solar-Terr. Phys. 2016. Vol. 2, no. 3. P. 41-51. DOI:https://doi.org/10.12737/19418.
46. Radoski H.R. Highly asymmetric MHD resonances. The guided poloidal mode. J. Geophys. Res. 1967. Vol. 72, no. 15. P. 4026-4033. DOI:https://doi.org/10.1029/JZ072i015p04026.
47. Rubtsov A.V., Mager P.N., Klimushkin D.Yu. Ballooning instability in the magnetospheric plasma: Two-dimensional eigenmode analysis. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2020. Vol. 125, no. 1. P. e2019JA027024. DOI:https://doi.org/10.1029/2019JA 027024.
48. Samson J.C. ULF wave studies using ground-based arrays. Adv. Space Res. 1988. Vol. 8. P. 399-411. DOI:https://doi.org/10.1016/0273-1177(88)90154-8.
49. Southwood D.J. Wave generation in the terrestrial magnetosphere. Space Sci. Rev. 1983. Vol. 34, no. 3, P. 259-270. DOI:https://doi.org/10.1007/BF00175282.
50. Southwood D.J., Saunders M.A. Curvature coupling of slow and Alfvén MHD waves in a magnetotail field configuration. Planetary and Space Sci. 1985. Vol. 33. P. 127-134. DOI:https://doi.org/10.1016/0032-0633(85)90149-7.
51. Тakahashi K., Claudepierre S.G., Rankin R., et al. Van Allen Probes Observation of a Fundamental Poloidal Standing Alfvén wave event related to giant pulsations. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2018a, Vol. 123. P. 4574-4593. DOI:https://doi.org/10.1029/2017JA025139.
52. Takahashi K., Oimatsu S., Nose M., et al. Van Allen Probes observations of second harmonic poloidal standing Alfvén waves. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2018b. Vol. 123. P. 611-637. DOI:https://doi.org/10.1002/2017JA024869.
53. Tamao T. Magnetosphere-ionosphere interaction through hydromagnetic waves. Achievements of the International Magnetospheric Study (IMS). Vol. 217. ESA Special Publ., 1984. P. 427-435.
54. Walker A.D.M. Theory of magnetospheric standing hydromagnetic waves with large azimuthal wave number. 1. Coupled magnetosonic and Alfvén waves. J. Geophys. Res. 1987. Vol. 92, no. A9. P. 10039-10045. DOI:https://doi.org/10.1029/JA092iA09p10039.
55. Wright A., Degeling A. W., Elsden T. Resonance Maps for 3D Alfvén waves in a compressed dipole field. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2022. Vol. 127, no. 4. P. e2022JA030294. DOI:https://doi.org/10.1029/2022JA030294.
56. Xia Z., Chen L., Zheng L., Chan A.A. Eigenmode analysis of compressional poloidal modes in a selfconsistent magnetic field. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2017. Vol. 122, A11. P. 10369-10381. DOI:https://doi.org/10.1002/2017JA024376.
57. Xing X., Wolf R. A. Criterion for interchange instability in a plasma connected to a conducting ionosphere. J. Geophys. Res. 2007. Vol. 112, no. A12. P. A12209. DOI:https://doi.org/10.1029/2007 JA012535.
58. Zong Q.-G., Rankin R., Zhou X. The interaction of ultra-low-frequency Pc3-5 waves with charged particles in Earth’s magnetosphere. Rev. Modern Plasma Phys. 2017. Vol. 1, no. 1. P. 10. DOI: 10.1007s41614-017-0011-4.
