Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН
Москва, Россия
Москва, Россия
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН
Геофизический Центр РАН
Москва, Россия
Москва, Россия
Москва, Россия
Исследованы вариации геомагнитного поля диапазона 2.5–12 Гц в F-слое ионосферы выше максимума электронной концентрации по данным измерений на двух спутниках миссии SWARM. Для анализа использовались данные, полученные в условиях слабой и умеренной геомагнитной возмущенности в течение двенадцати дней в сентябре и декабре 2016 г. Для разделения пространственных неоднородностей и временных вариаций магнитного поля изучались временные формы сигналов и кросс-спектры, в скользящем окне длительностью 2.56 с. На широтах вблизи и выше полярной границы аврорального овала, соответствующих входным слоям магнитосферы и области дневного полярного каспа/клефта, обнаружены максимумы вероятности появления колебаний и их спектральной плотности мощности. Типичные высокоширотные колебания представляют собой волновые пакеты длительностью 5–10 периодов, наблюдаемые с малой задержкой на спутниках, разнесенных на расстояние 40–100 км. Предположительно, эти колебания являются ионосферным проявлением электромагнитных ионно-циклотронных волн, которые генерируются во внеэкваториальных областях внешней магнитосферы вблизи полярного каспа. Детально рассматриваются волновые формы и кросс-спектры колебаний для двух событий с отличающимися пространственными распределениями магнитного поля в ионосфере. Для условий в ионосфере, соответствующих событию 1 (17 сентября, геомагнитная широта 80°, послеполуденный сектор), в рамках модели о падении на ионосферу пучка альфвеновских волн конечного радиуса [Fedorov et al., 2018] оценены пространственные распределения магнитного поля волны в ионосфере и на поверхности Земли.
ионосфера, полярный касп, геомагнитные пульсации
1. Гульельми А.В., Потапов А.С., Довбня Б.В. О происхождении частотной модуляции серпентинной эмиссии. Солнечно-земная физика. 2015. Т. 1, № 2. С. 85-90. DOI: 10.12737/ 9617.
2. Дженкинс Г., Ваттс Д. Спектральный анализ и его приложения. Вып. 2. М.: Мир, 1972. 287 с.
3. Ермакова Е.Н., Яхнин А.Г., Яхнина Т.А. и др. Спорадические геомагнитные пульсации на частотах до 15 Гц в период магнитной бури 7-14 ноября 2004 г.: Особенности амплитудных и поляризационных спектров и связь с ионно-циклотронными волнами в магнитосфере. Известия вузов. Радиофизика. 2015. Т. 58, № 8. С. 607-621.
4. Леонович А.С., Мазур В.А., Сенаторов В.А. Альфвеновский волновод. ЖЭТФ. 1983. Т. 85, вып. 1. С. 141-145.
5. Михайлова О.С., Климушкин Д.Ю., Магер П.Н. Современное состояние теории УНЧ-пульсаций диапазона Рс1 в плазме магнитосферы с тяжелыми ионами: обзор. Солнечно-земная физика. 2022. Т. 8, № 1. С. 3-18. DOI:https://doi.org/10.12737/szf-81202201.
6. Пархомов В.А., Застенкер Г.Н., Рязанцева М.О. и др. Всплески геомагнитных пульсаций в частотном диапазоне 0.2-5 Гц, возбуждаемые большими скачками давления солнечного ветра. Космические исследования. 2010. Т. 48, № 1. С. 87-101.
7. Пархомов В.А., Довбня Б.В., Бородкова Н.А. и др. Импульсные всплески геомагнитных пульсаций в частотном диапазоне 0.2-7 Гц как первый сигнал о взаимодействии межпланетных ударных волн с магниосферой. Солнечно-земная физика. 2014. Т. 25. С. 21-28.
8. Пилипенко В.А., Полозова Т.Л., Энгебретсон М. Пространственно-временная структура ионно-циклотронных волн в верхней ионосфере по наблюдениям на спутниках ST-5. Космические исследования. 2012. Т. 50, № 5. С. 355-365.
9. Поляков С.В., Рапопорт В.О. Ионосферный альфвеновский резонатор. Геомагнетизм и аэрономия. 1981. T. 21, № 5. C. 610-614.
10. Сагдеев Р.З., Шафранов В.Д. О неустойчивости плазмы с анизотропным распределением скоростей в магнитном поле. ЖЭТФ. 1960. Т. 39. С.181-184.
11. Фельдштейн Я.И. Некоторые вопросы морфологии полярных сияний и магнитных возмущений в высоких широтах. Геомагнетизм и аэрономия. 1963. Т. 3, № 2. С. 227-239.
12. Allen R.C., Zhang J.-C., Kistler L.M., et al. A statistical study of EMIC waves observed by Cluster: 1. Wave properties. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2015. Vol. 120. P. 5574-5592. DOI:https://doi.org/10.1002/2015JA021333.
13. Allen R.C., Zhang J.-C., Kistler L.M., et al. A statistical study of EMIC waves observed by Cluster: 2. Associated plasma conditions. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2016. Vol. 121. P. 6458-6479. DOI:https://doi.org/10.1002/2016JA022541.
14. Arnoldy R.L., Engebretson M.J., Denton R.E., et al. Pc 1 waves and associated unstable distributions of magnetospheric protons observed during a solar wind pressure pulse. J. Geophys. Res. 2005. Vol. 110, A07229. DOI:https://doi.org/10.1029/2005JA011041.
15. Belyaev P.P., Bosinger T., Isaev S.V., et al. First evidence at high latitude for the ionospheric Alfven resonator. J. Geophys. Res. 1999. Vol. 104. P. 4305-4318. DOI: 10.1029/ 1998JA900062.
16. Bilitza D., Reinisch B. International Reference Ionosphere. Improvements and new parameters. Adv. Space Res. 2008. Vol. 42. P. 599-609. DOI:https://doi.org/10.1016/j.asr.2007.07.048.
17. Blum L.W., MacDonald E.A., Gary S.P., et al. Ion observations from geosynchronous orbit as a proxy for ion cyclotron wave growth during storm times. J. Geophys. Res. 2009. Vol. 114, A10214. DOI:https://doi.org/10.1029/2009JA014396.
18. Bogdanova Y.V., Fazakerley A.N., Owen C.J., et al. Correlation between suprathermal electron bursts, broadband extremely low frequency waves, and local ion heating in the midaltitude cleft/low-latitude boundary layer observed by Cluster. J. Geophys. Res. 2004. Vol. 109, A12226. DOI:https://doi.org/10.1029/2004JA010554.
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. Engebretson M.J., Onsager T.G., Rowland D.E., et al. On the source of Pc1-2 waves in the plasma mantle. J. Geophys. Res. 2005. Vol. 110, A06201. DOI:https://doi.org/10.1029/2004JA010515.
21. Engebretson M.J., Posch J.L., Westerman A.M., et al. Temporal and spatial characteristics of Pc1 waves observed by ST5. J. Geophys. Res. 2008. Vol. 113, A07206. DOI: 10.1029/ 2008JA013145.
22. Fedorov E.N., Pilipenko V.A., Engebretson M.J., Hartinger M.D. Transmission of a magnetospheric Pc1 wave beam through the ionosphere to the ground. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2018. Vol. 123. P. 3965-3982. DOI:https://doi.org/10.1029/2018 JA025338.
23. Francia P., Regi M., de Lauretis M., et al. A case study of correspondence between Pc1 activity and ionospheric irregularities at polar latitudes. Earth Planets Space. 2020. Vol. 72, 59. DOI:https://doi.org/10.1186/s40623-020-01184-4.
24. Holzworth R.H., Meng C.-I. Mathematical representation of the auroral oval. Geophys. Res. Lett. 1975. Vol. 2. P. 377-380. DOI:https://doi.org/10.1029/GL002i009p00377.
25. Jacobsen K.S., Moen J.I. On the correlation between broad-band ELF wave power and ion fluxes in the cusp. Ann. Geophys. 2010. Vol. 28. P. 1249-1261. DOI:https://doi.org/10.5194/angeo-28-1249-2010.
26. Juusola L., Kauristie K., Vanhamäki H., et al. Comparison of auroral ionospheric and field-aligned currents derived from Swarm and ground magnetic field measurements. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2016. Vol. 121. P. 9256-9283. DOI: 10.1002/ 2016JA022961.
27. Kataoka R., Fukunishi H., Lanzerotti L.J. Statistical identification of solar wind origins of magnetic impulse events. J. Geophys. Res. 2003. Vol. 108, A12. P. 1436. DOI: 10.1029/ 2003JA010202.
28. Kim H., Lessard M.R., Engebretson M.J., Young M.A. Statistical study of Pc1-2 wave propagation characteristics in the high-latitude ionospheric waveguide. J. Geophys. Res. 2011. Vol. 116, A07227. DOI:https://doi.org/10.1029/2010JA016355.
29. Kim H., Shiokawa K., Park J., et al. Statistical analysis of Pc1 wave ducting deduced from Swarm satellites. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2021. Vol. 126, e2020JA029016. DOI: 10.1029/ 2020JA029016.
30. Lanzerotti L.J., Konik R.M., Wolfe A., et al. Maclennan, Cusp latitude magnetic impulse events: 1. Occurrence statistics. J. Geophys. Res. 1991. Vol. 96. P. 14009-14022. DOI:https://doi.org/10.1029/91JA00567.
31. Le Queau D., Roux A. Heating of oxygen ions by resonant absorption of Alfvén waves in a multicomponent plasma. J. Geophys. Res. 1992, Vol. 97. P. 14929-14946. DOI: 10.1029/ 92JA01052.
32. 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. Vol. 116, iss. A08. DOI:https://doi.org/10.1029/2011JA016574.
33. Liu S., Xia Z., Chen L., et al. Magnetospheric Multiscale Observation of quasiperiodic EMIC waves associated with enhanced solar wind pressure. Geophys. Res. Lett. 2019. Vol. 46, iss. 13. P. 7096-7104. DOI:https://doi.org/10.1029/2019GL083421.
34. Loto’aniu T.M., Fraser B.J., Waters C.L. Propagation of electromagnetic ion cyclotron wave energy in the magnetosphere. J. Geophys. Res. 2005. Vol. 110, iss. A07. DOI: 10.1029/ 2004JA010816.
35. Lühr H., Park J., Gjerloev J.W., et al. Field-aligned currents’ scale analysis performed with the Swarm constellation. Geophys. Res. Lett. 2015. Vol. 42. P. 1-8. DOI:https://doi.org/10.1002/2014GL062453.
36. Mazur N.G., Fedorov E., Pilipenko V.A., Vakhnina V. ULF electromagnetic field in the upper ionosphere excited by lightning. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2018. Vol. 123. P. 6692-6702. DOI:https://doi.org/10.1029/2018JA025622.
37. McCollough J.P., Elkington S.R., Usanova M.E., et al. Physical mechanisms of compressional EMIC wave growth. J. Geophys. Res. 2010. Vol. 115, A10214. DOI:https://doi.org/10.1029/2010JA 015393.
38. McCollough J.P., Elkington S.R., Baker D.N. The role of Shabansky orbits in compression-related electromagnetic ion cyclotron wave growth. J. Geophys. Res. 2012. Vol. 117, A01208. DOI:https://doi.org/10.1029/2011JA016948.
39. Newell P.T., Sotirelis T., Ruohoniemi J.M., et al. OVATION: Oval variation, assessment, tracking, intensity, and online nowcasting. Ann. Geophys. 2002. Vol. 20. P. 1039-1047. DOI:https://doi.org/10.5194/angeo-20-1039-2002.
40. Newell P.T., Sotirelis T., Liou K., et al. Predictive ability of four auroral precipitation models as evaluated using Polar UVI global images. Space Weather. 2010. Vol. 8, S12004. DOI:https://doi.org/10.1029/2010SW000604.
41. Ni B.-B., Zheng-Yu Zhao. Spatial observations of Schumann resonance at the ionospheric altitude. Chinese Journal of Geophysics. 2005. Vol. 48. P. 818-826.
42. Nykyri K., Grison B., Cargill P.J., et al. Origin of the turbulent spectra in the high-altitude cusp: Cluster spacecraft observations. Ann. Geophys. 2006. Vol. 24. P. 1057-1075. DOI:https://doi.org/10.5194/angeo-24-1057-2006.
43. Olsen N., Friis-Christensen E., Floberghagen R., et al. The Swarm satellite constellation application and research facility (SCARF) and Swarm data products. Earth Planets Space. 2013. Vol. 64. P. 1189-1200. DOI:https://doi.org/10.5047/eps.2013.07.001.
44. Papitashvili V.O., Papitashvili N.E., King J.H. Magnetospheric geomagnetic coordinates for space physics data presentation and visualization. Adv. Space Res. 1997. Vol. 20. P. 1097-1100. DOI:https://doi.org/10.1016/S0273-1177(97)00565-6.
45. Rakov V.A., Uman M.A. Lightning: Physics and Effects. Cambridge U. Press, New York, 2003. 687 p.
46. Rème H., Aoustin C., Bosqued J.M., et al. First multispacecraft ion measurements in and near the Earth’s magnetosphere with the identical Cluster ion spectrometry (CIS) experiment. Ann. Geophys. 2001. Vol. 19, is.10-12. P. 1303-1354. DOI:https://doi.org/10.5194/angeo-19-1303-2001.
47. Sato M., Fukunishi H., Lanzerotti L.J., Maclennan C.G. Magnetic impulse events and related Pc1 bursts observed by the Automatic Geophysical Observatories network in Antarctica. J. Geophys. Res. 1999. Vol. 104. P. 19971-19982. DOI:https://doi.org/10.1029/1999JA900111.
48. Shabansky V.P. Some processes in the magnetosphere. Space Sci. Rev. 1971. Vol. 12. P. 299-418. DOI:https://doi.org/10.1007/BF00165511.
49. Simões F., Pfaff R.F., Freudenreich H. Observation of Schumann resonances in the Earth’s ionosphere. Geophys. Res. Lett. 2011. Vol. 38, L22101. DOI:https://doi.org/10.1029/2011GL049668.
50. Slavin J.A., Le G., Strangeway R.J., et al. Space Technology 5 multi-point measurements of near-Earth magnetic fields: Initial results. Geophys. Res. Lett. 2008. vol. 35, L02107. DOI:https://doi.org/10.1029/2007GL031728.
51. Surkov V.V., Nosikova N.S., Plyasov A.A., et al. Penetration of Schumann resonances into the upper ionosphere. J Atmos. Solar-Terr. Phys. 2013. Vol. 97. P. 65-74. DOI: 10.1016/ j.jastp.2013.02.015.
52. Usanova M.E., Mann I.R., Bortnik J., et al. THEMIS observations of electromagnetic ion cyclotron wave occurrence: Dependence on AE, SYM-H, and solar wind dynamic pressure. J. Geophys. Res. 2012. Vol. 117, A10218. DOI:https://doi.org/10.1029/2012 JA018049.
53. Vines S.K., Allen R.C., Anderson B.J., et al. EMIC waves in the outer magnetosphere: Observations of an offequator source region. Geophys. Res. Lett. 2019. Vol. 46. P. 5707-5716. DOI:https://doi.org/10.1029/2019GL082152.
54. URL: https://swarm-diss.eo.esa.int (дата обращения 16 ноября 2022 г.).
55. URL: https://cdaweb.gsfc.nasa.gov (дата обращения 16 ноября 2022 г.).
