ВВЕДЕНИЕ
В магнитосферной плазме наблюдается широкий спектр ультранизкочастотных (УНЧ) колебаний, называемых также геомагнитными пульсациями. Их отождествляют с магнитогидродинамическими (МГД) волнами. Как с наблюдательной, так и с теоретической точки зрения их можно разделить на две большие группы: волны с малыми значениями азимутального волнового числа m и волны с большими значениями m [Yeoman et al., 1992; Leonovich, Mazur, 1993; Fenrich et al., 1995].
Волны с малыми значениями азимутального волнового числа имеют преимущественно тороидальную поляризацию, т. е. силовые линии магнитного поля волны осциллируют в азимутальном направлении. Они имеют большие азимутальные размеры и могут наблюдаться при помощи наземных магнитометров. Их иногда называют поперечно-крупномасштабными колебаниями. Обычно их отождествляют с альфвеновскими модами, источники которых находятся во внешней магнитосфере. Предполагается, что быстрая магнитозвуковая (БМЗ) волна, рожденная на магнитопаузе или в солнечном ветре, распространяется во внутреннюю магнитосферу, где генерирует альфвеновскую моду на резонансной L-оболочке, на которой частота БМЗ-волны совпадает с локальной собственной частотой альфвеновского резонанса [Chen, Hasegawa, 1974; Southwood, 1974].
Волны с большими значениями азимутального волнового числа имеют преимущественно полоидальную поляризацию, т. е. силовые линии магнитного поля волны осциллируют в радиальном направлении. Они имеют малые азимутальные размеры и представляют собой более локальные события, чем осцилляции с малыми m. Их можно назвать поперечно-мелкомасштабными. Эти волны обычно отождествляют с полоидальными альфвеновскими модами. Считается, что они возникают в результате процессов во внутренней магнитосфере. Из-за экранировки ионосферой экспериментальное изучение геомагнитных колебаний с большими азимутальными волновыми числам возможно только посредством искусственных спутников Земли или радарных установок.
Среди волн с большими m в диапазоне Pc5 можно выделить группу буревых компрессионных колебаний, частоты которых могут быть существенно ниже основной частоты альфвеновского резонанса на данной L-оболочке. Подобные колебания регистрируются как при наблюдении со спутников [Barfield, McPherron, 1972], так и при наземных радарных исследованиях [Allan et al., 1982].
По поводу физической природы буревых компрессионных колебаний в диапазоне Pc5 пока нет единого мнения. С точки зрения магнитогидродинамической теории это должна быть самая низкочастотная мода — медленная магнитозвуковая (ММЗ) мода. Однако не вполне очевидно, будет ли справедливо МГД-приближение для описания колебаний с частотами значительно ниже альфвеновского диапазона в бесстолкновительной плазме, поскольку в этом случае необходимо учитывать баунс-частоты, а корректно это сделать можно только при кинетическом подходе [Hurricane et al., 1994]. Иногда буревые Pc5-колебания ассоциируют с дрейфовыми зеркальными модами, которые имеют кинетическую природу [Kremser et al., 1981, Pokhotelov et al., 2001]. Однако, чтобы удовлетворять условиям зеркальной неустойчивости, необходима сильная температурная анизотропия в магнитосферной плазме.
На наш взгляд, наиболее подходящими для интерпретации большинства буревых компрессионных пульсаций Pc5 являются дрейфово-компрессионные моды. Они являются наиболее общими компрессионными модами в кинетике, поскольку для их существования достаточно только конечного давления плазмы и ее неоднородности поперек магнитных оболочек. При этом неустойчивость дрейфово-компрессионных мод может возникнуть из-за пространственных градиентов концентрации горячей плазмы [Crabtree et al., 2003; Klimushkin, Mager, 2011], инверсности распределения горячих протонов по энергиям [Mager et al., 2013] или сцепления с альфвеновской модой вследствие кривизны линий магнитного поля [Klimushkin et al., 2012]. Инверсным мы называем немонотонное распределение по скоростям с максимумом в высокоэнергичной части, по аналогии с [Hughes et al., 1978]. Характерной особенностью дрейфово-компрессионных волн является зависимость их частоты от азимутального волнового числа. Подобное поведение было обнаружено в данных радарных исследований [Mager et al., 2015; Chelpanov et al., 2016].
Ранее было показано, что дрейфово-компрессионные моды, распространяющиеся в направлении дрейфа высокоэнергичных протонов, резонансно взаимодействуют с ними. При росте температуры и падении концентрации частиц с удалением от Земли это может приводить к неустойчивости и самопроизвольной раскачке волн, направление фазовой скорости которых совпадает с направлением дрейфа протонов [Mager et al., 2013]. Порог неустойчивости снижается, если функция распределения протонов имеет инверсный характер. Однако, как показано в работе [James et al., 2013], в некоторых случаях наблюдались волны, распространяющиеся и в обратном направлении, т. е. в направлении дрейфа электронов. Поэтому в статье рассмотрена ситуация, когда волна распространяется в одном направлении с дрейфом электронов. При этом мы предположили, что в плазме присутствуют горячие протоны и электроны, причем последние имеют инверсное распределение по энергиям.
