ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2012, том 52, № 4, с. 501-509
УДК 550.386
ИССЛЕДОВАНИЕ ШИРОКОПОЛОСНОЙ ELF ТУРБУЛЕНТНОСТИ
ПО ДАННЫМ СПУТНИКА FAST
© 2012 г. И. В. Головчанская, Б. В. Козелов, И. В. Дэспирак
ФГБУнауки Полярный геофизический институт КНЦРАН, г. Апатиты (Мурманская обл.)
e-mail: golovchanskaya@pgia.ru Поступила в редакцию 26.01.2011 г.
После доработки 05.04.2011 г.
По данным спутника FAST с частотой дискретизации 512 с-1 исследованы соотношения подобия (скейлинг) мелкомасштабных (от ~30 м до 2 км) электрических полей в высокоширотной ионосфере в шестнадцати событиях широкополосной ELF турбулентности. Показано, что в исследуемом интервале масштабов s, мощность турбулентных флуктуаций электрического поля обнаруживает степенную зависимость ~sa от масштаба. Индекс а, определенный из наклона логарифмических диаграмм (ЛД), построенных с использованием дискретного вейвлет разложения, оценивается а = = 2.2 ± 0.3. Эта оценка оказывается близкой к оценке а, полученной ранее для масштабов 1-30 км по измерениям электрических полей в верхней ионосфере спутником Dynamics Explorer 2. Проанализирован характер изменения индекса а для локальных электрических полей вблизи инерционной длины электрона Xe = с/ю0 (ю0 — плазменная частота электронов), которая на рассмотренных высотах (700—2500 км) составляет 100—900 м. Показано, что для размеров структур <Xe обычно имеет место уменьшение наклона ЛД и ее продолжение в область малых масштабов с меньшим наклоном. В обсуждении отмечено, что данная особенность не может быть интерпретирована как начало диффузионного диапазона, связанного с диссипацией турбулентности.
1. ВВЕДЕНИЕ
Мелкомасштабные электрические и магнитные поля, наблюдаемые ракетами и низковысотными спутниками в широкой полосе частот ULFELF диапазона на авроральных магнитных силовых линиях (с меньшей интенсивностью — в полярной шапке) интенсивно исследовались, начиная с работ [Kelley and Mozer, 1972; Дубинин и др., 1985, 1986; Weimer et al., 1985]. Однако до сих пор существуют разные точки зрения на их природу.
По данным КА Интеркосмос-Болгария-1300 был показан электромагнитный характер рассматриваемых структур [Дубинин и др., 1985, 1986]. Волновой интерпретации, согласно которой доминирующей компонентой в сигнале являются электромагнитные (альвеновские) волны, также придерживались авторы [Gurnett et al., 1984] на основании обнаруженного спутником Dynamics Explorer 1 в единичном событии уменьшения спектральной плотности электрической компоненты на частоте ~32 Гц, отождествленной с локальной гирочастотой иона кислорода О+. Поскольку пространственные структуры не должны давать особенность в спектре на гироча-стоте ионосферных ионов, а альвеновские волны, распространяющиеся вдоль магнитного поля (т.е. с k± = 0), напротив, обнаруживают вблизи нее затухание, связанное с циклотронным резонансом и частичной передачей энергии волны ионам [Stix, 1962], данный экспериментальный факт
был интерпретирован как доказательство волновой природы сигнала.
Другая точка зрения состоит в том, что частоты от долей Гц до ~500 Гц появляются в спектрах регистрируемых сигналов из-за эффекта Допплера, связанного с движением спутника через статические структуры с масштабами от ~10 м до первых десятков км. Такая интерпретация (назовем ее "пространственная") получила существенное подтверждение в работе [Temerin, 1978], автор которой на основе изучения интерференционных эффектов в спектре низкочастотного электрического шума, регистрируемого спутником S3-3, показал, что в системе отсчета плазмы частота регистрируемого сигнала близка к нулю. Исследуемый сигнал получил название "не распространяющаяся турбулентность, сдвинутая в область ULF-ELF частот эффектом Допплера", было показано присутствие в нем пространственных масштабов вплоть до ~5 м, а также установлено, что сигнал поляризован в плоскости, перпендикулярной внешнему магнитному полю. Термин "турбулентность" в названии возмущения в ранних работах использовался не строго, в основном, на основании степенного характера спектров сигналов, полученных методом Фурье (например, [Kintner, 1976]).
Известно также, что электрические возмущения на частотах >0.1—0.2 Гц (масштабы <30 км) обнаруживают явно выраженную сезонную вари-
ацию. Как показано авторами [Неррпег й а1., 1993; Оо1оуеИап5кауа, 2007], в зимний период амплитуды электрических полей оказываются, в среднем, в три раза большими, чем в летний. До сих пор объяснение этому эффекту дано только в рамках пространственной интерпретации возмущений, предполагающей замыкание продольных токов в мелкомасштабных статических структурах на ионосферу, проводимость которой зависит от сезона.
В ряде работ с целью отличить пространственные неоднородности от временных вариаций исследовалось отношение г = ЪЕ^/ЪБ^, где 5Е±, 8Б1 — взаимно перпендикулярные магнитная и электрическая компоненты сигнала на заданной частоте (как правило, при этом предполагалась линейная поляризация электрического и магнитного возмущений и для вычисления г рассматривались 5Ем-8 и 8Б^е). Оказалось, что на низких частотах
1
(больших масштабах) отношение r близко к
И P
где ZP — интегральная по высоте педерсеновская проводимость ионосферы, что является признаком статических структур, продольный ток в которых замкнут в проводящем слое ионосферы [Sugiura et al., 1982; Kozelov et al., 2008]. С ростом частоты (уменьшением масштаба), r увеличивается и принимает значения, во много раз превышающие альвеновскую скорость vA [Stasiewicz et al., 2000 и ссылки там]. Этот экспериментальный факт противоречит не только статической интерпретации, но и объяснению широкополосной ULF-ELF турбулентности в терминах свободно распространяющихся альвеновских волн (с k± = = 0), для которых отношение SE/SB не зависит от частоты и равно альвеновской скорости vA. Однако данную трудность удалось обойти, как в статической, так и в волновой интерпретациях наблюдений.
Статическая модель была дополнена продольными электрическими полями, которые возникают в плазме с конечной проводимостью вдоль магнитного поля (заметим, что продольная проводимость Ст|| конечна не только в области основного продольного ускорения авроральных электронов на высотах h ~ 4000—6000 км, но и в верхней ионосфере [Forget et al., 1991]). В этом случае
дБ
1 -(L + k2L L2),
(1)
8В ц 0£ Р
где характерный масштаб Ь = (£Р/стц)1/2, и отношение полей, таким образом, возрастает с увеличением поперечного волнового числа возмущения [Ьузак, 1998].
В волновой интерпретации, вместо продольно распространяющихся альвеновских волн, в рассмотрение вводятся наклонно распространяющие-
ся дисперсионные альвеновские волны (k± Ф 0). В приближении малого плазменного параметра в <
< me/m, которое выполняется на высотах h <
< 4RE, эти волны, называемые инерционными альвеновскими волнами (ИАВ), по сути являются результатом взаимодействия обычных альве-новских волн с электронными плазменными колебаниями [Goertz and Boswell, 1979].
Для ИАВ справедливо соотношение
SE
SB
= v a (1 + k2±X У2,
(2)
где Хе = е/ю0 — инерционная длина электрона (здесь — альвеновская скорость, е — скорость света, ю0 — плазменная частота электронов), что предполагает рост отношения г с ростом к±. Из дисперсионного уравнения для ИАВ
ю
, 2 2 k||v A
1 + 2
(3)
можно видеть, что для больших к±, фазовая скорость ИАВ в поперечном направлении мала (оценки дают величину почти на порядок меньшую, чем скорость спутников на высотах 1000— 2000 км, которая составляет ~7 км/с). При этом, как и для статических структур, в спектре сигнала будут доминировать допплеровские частоты, появляющиеся при пересечении спутником неод-нородностей, связанных, в этом случае, с волной.
Следует подчеркнуть, что интерпретация ULF-ELF турбулентности в рамках концепции инерционных альвеновских волн, в основном, основана на дисперсионных уравнениях, полученных в линейном приближении. Использование этого приближения не согласуется с наблюдениями больших значений амплитуд и, главное, степенного вида спектра турбулентности, который обычно связывают с прямым или обратным каскадом в к-пространстве в результате нелинейных взаимодействий.
В настоящей работе по наблюдениям электрических полей спутником FAST экспериментально исследуется инерционный диапазон [Frish, 1995] широкополосной ULF-ELF турбулентности. Используемая частота дискретизации 512 с-1 позволяет рассматривать масштабы от ~30 м до 1 км, недоступные в случае использования данных более ранних ионосферных спутников (Hawkeye 1, Интеркосмос-Болгария 1300, Dynamics Explorer 2, AUREOL-3, HILAT, и других), разрешение которых не превышало 20 с-1.
2. ИЗМЕРЕНИЯ МЕЛКОМАСШТАБНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ
В ВЫСОКОШИРОТНОЙ ИОНОСФЕРЕ СПУТНИКОМ FAST
Спутник FAST был выведен на эллиптическую орбиту с перигеем 350 км, апогеем 4175 км и наклонением 83° (http://sprg.ssl.berkeley.edu/fast/intro.html) 21 августа 1996 г. Плоскость спина спутника совпадала с плоскостью обращения и не отклонялась более чем на 6° от плоскости локальной силовой линии геомагнитного поля. Период вращения был равен 5 с, период нутации — 30 с.
Измерения электрического поля осуществлялись с помощью десяти сферических датчиков, восемь из которых были установлены попарно на концах четырех 28-метровых проводящих штанг в плоскости спина и два — на штанге, ориентированной вдоль оси спина спутника [Ergun et al., 2001]. Электрическое поле вычислялось по разности потенциалов между двумя датчиками (одна из штанг в плоскости спина не раскрылась, но и оставшихся трех оказалось достаточно для определения полного вектора электрического поля). Сферические датчики также могли работать в режиме зонда Ленгмюра, в котором измеряется концентрация плазмы.
Разрешение в режиме, ориентированном на более высокочастотные (>1—10 кГц) волновые поля, составляло 2 х 106 с—1, в обычном режиме менялось от 512 с—1 до 2000 с—1, в медленном режиме было равно 125 с—1. В настоящей работе мы используем измерения электрических полей с разрешением 512 с—1.
Спектральная обработка сигналов спутников (для данных спутника FAST она охватывает
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.