КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2014, том 52, № 1, с. 63-70
УДК 539.1
КВАЗИПЕРИОДИЧЕСКИЕ ОНЧ ИЗЛУЧЕНИЯ: АНАЛИЗ ПЕРИОДОВ НА РАЗЛИЧНЫХ ВРЕМЕННЫХ МАСШТАБАХ © 2014 г. Ю. Маннинен1, Е. Е. Титова2, А. Г. Демехов3, А. Е. Козловский1, Д. Л. Пасманик3
Геофизическая обсерватория Соданкюля, Финляндия 2Полярный геофизический институт КНЦ РАН, г. Апатиты, Институт космических исследований РАН, г. Москва 3Институт прикладной физики РАН, г. Нижний Новгород lena.titova@gmail.com Поступила в редакцию 21.03.2013 г.
Исследованы свойства квазипериодических ^Р) КНЧ/ОНЧ излучений, зарегистрированных 24.XII.2011 от 15 ИТ до 22 ИТ на наземной станции в северной Финляндии. Проанализированы характерные периоды в спектрах QP излучений на различных временных масштабах и их динамика во время рассматриваемого события. Показано, что наблюдались два типа вариаций периодов QP излучений: регулярное увеличение периодов со временем от 1 мин до 2.5 мин и значительные вариации периодов в диапазоне 1—10 мин во время суббурь. Указанные вариации периодов объясняются на основе свойств автоколебательного режима циклотронной неустойчивости в магнитосфере. Анализ тонкой структуры спектров QP элементов показал, что в низкочастотной области спектра (/ < 2.5 кГц) наблюдалась короткопериодическая модуляция с периодом около 3 с, а в высокочастотной области (/ > 2.5 кГц) — с периодом около 6 с, причем последний совпадал с периодом двухскачкового распространения свистящих атмосфериков. Присутствие такой короткопериодической модуляции может быть связано с пассивной синхронизацией мод в магнитосферном циклотронном мазере.
Б01: 10.7868/80023420614010051
ВВЕДЕНИЕ
ОНЧ излучения часто характеризуются периодической или квазипериодической модуляцией интенсивности волн с периодами от нескольких секунд до минут. Регулярную модуляцию с периодами ниже 10 с, как правило, идентифицируют с двухскачковым периодом распространения свистовых волн, и такие излучения называют периодическими или короткопериодическими излучениями [1, 2, 3]. Другой класс — это излучения с периодами от 10 с до нескольких минут. К этим более длиннопериодным эмиссиям наиболее часто относят термин "квазипериодические", и такую модуляцию интенсивности волн обычно связывают с нестационарными режимами электронной циклотронной неустойчивости в магнитосфере [4, 5]. В работе [6] было предложено разделять QP излучения на два класса: QP1 эмиссии, которые связаны с геомагнитными пульсациями с тем же периодом и QP2 эмиссии, которые не коррелируют с геомагнитными пульсацииями.
Первая теоретическая модель для объяснения механизма формирования событий класса QP2 была предложена в работах [7, 8]. Модель основана на упрощенных уравнениях самосогласованной теории циклотронного взаимодействия. Бы-
ли найдены режимы релаксационных колебаний с периодической генерацией затухающих всплесков интенсивности при наличии постоянного источника энергичных частиц с анизотропной функцией распределения. Дальнейшие исследования [9] показали, что при определенных условиях релаксационные колебания могут перейти в автоколебательный режим. Аналогичные результаты были получены в работе [10] на основе феноменологической модели.
В работах [11, 12] предложена модель проточного циклотронного мазера для объяснения формирования пульсирующих пятен полярных сияний. Эта модель позволяет описывать различные режимы периодической генерации волн с различными формами их динамического спектра. Исследования возможных режимов генерации в рамках этой модели были проведены в работе [13]. Полученные результаты были использованы для интерпретации нескольких событий с QP излучениями, зарегистрированными на спутниках ¥ге]а и Magion 5 [14].
Для короткопериодических излучений с повторяющимся от импульса к импульсу динамическим спектром Беспалов [17] предложил механизм формирования, основанный на взаимной компенсации эффектов дисперсии групповой
скорости и дисперсии, связанной с циклотронным усилением. Этот механизм, по существу, основан на режиме пассивной синхронизации в магнитосферном циклотронном мазере.
Как следует из теорий генерации РР излучений, периоды их следования в значительной степени зависят от свойств источника энергичных электронов [4, 8], а динамические спектры РР элементов и их тонкая структура определяются режимом генерации циклотронной неустойчивости [5, 13]. Однако число работ, в которых наблюдаемые в эксперименте РР излучения идентифицируются с режимом циклотронного мазера и сопоставляются со свойствами источника, весьма ограничено (см., например, [14, 16]). Данная работа посвящена именно попытке определить режимы генерации РР излучений и выявить эволюцию источника частиц на основе наземных наблюдений. Для этого мы определили характерные периоды в спектрах РР излучений на различных временных масштабах, проанализировали их величины и связь с магнитными возмущениями. Наблюдаемые в эксперименте характеристики различных типов РР излучений удалось качественно объяснить на основе различных режимов циклотронного мазера.
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА И ДАННЫХ НАБЛЮДЕНИЙ
Наблюдения ОНЧ волн проводились в северной Финляндии на станции Каннуслехто (Каппи-81еИЮ); (ф = 67.74° N к = 26.27° Е; Ь = 5.3) во время специальной компании в декабре 2011 г.-ян-варе 2012 г. В этот период были зарегистрированы различные типы РР излучений, некоторые спектральные особенности которых и их связь с параметрами солнечного ветра обсуждались в работах [16, 17]. В данной статье подробно рассматриваются квазипериодические КНЧ/ОНЧ излучения, зарегистрированные во время этой кампании 24.XII.2011 с 15 до 22 иТ. Низкая магнитная активность, отсутствие геомагнитных пульсаций с периодами, соответствующими периодам РР излучений и характерный вид динамических спектров с повышающимися по частоте РР элементами позволили нам отнести рассматриваемые сигналы к типу РР2.
ОНЧ излучения на станции Каннуслехто регистрировались в полосе 0.5-10 кГц с помощью двух вертикальных рамочных магнитных антенн, ориентированных в направлении север-юг и восток-запад. Размер рамки 3 х 3 м и эффективная площадь 2300 м2. Регистрация ОНЧ излучений на две вертикальные магнитные антенны позволяет определить поляризацию регистрируемых ОНЧ сигналов. Чувствительность приемника около 1 фТл на частоте 5 кГц, что обычно ниже уровня естественного шума.
24.Х11.2011на станции Каннуслехто квазипериодические ОНЧ излучения наблюдались в вечернее время в течение около 7 часов, начиная приблизительно с 15 и почти до 22 иТ. Спектрограмма РР излучений показана на рис. 1, верхняя панель. РР излучения регистрировались преимущественно в полосе частот 1-2.5 кГц. После 18.40 ЦТ некоторые РР элементы сопровождались более высокочастотными (2.5-5 кГц) излучениями, представлявшими собой либо всплески шума, либо последовательности дискретных элементов, причем частоты как шумовых, так и дискретных излучений возрастали со временем.
Декабрь 2011 г. характеризовался очень низкой магнитной активностью, и 24.XI 1.2011 геомагнитная обстановка также была спокойная; Кр (0+, 1.0), Б,, (0, 1 нТ). После 18 ЦТ часов были зарегистрированы три слабых суббуревых активизации с максимальным АЕ около 300 нТл (рис. 1, средняя панель). Видно, что последняя интенсификация РР эмиссий около 21 ЦТ коррелировала с АЕ индексом, а периоды РР излучений менялись во время развития суббури. В целом для события 24.Х11.2011периоды РР эмиссий изменялись в пределах 1-10 мин.
Анализ поляризации РР сигналов показал, что сначала они регистрировались как левополяризо-ванные на частотах выше частоты отсечки волновода земля-ионосфера 1.7 кГц. РР сигналы с правой поляризацией появились только после 16.30 ЦТ, причем интенсивность правополяризованных волн постепенно увеличивалась, а левополяризо-ванных уменьшалась. Поскольку волны левой и правой поляризации по-разному затухают в волноводе Земля-ионосфера [18], анализ отношения их интенсивности позволяет судить о близости к области выхода ОНЧ излучений. Вблизи точки выхода из магнитосферы волны, как правило, имеют правую поляризацию [19], однако волны правой поляризации сильнее затухают в волноводе Земля-ионосфера, поэтому при удалении от источника левая компонента возрастает и становится преобладающей. Таким образом, преобладание волн с правой поляризацией по мере развития события свидетельствует о приближении станции к области выхода РР эмиссий в волновод Земля-ионосфера. Нижняя частота РР сигналов уменьшается со временем (см рис. 1) и становится существенно меньше 1.7 кГц (частота отсечки основной моды волновода), что также подтверждает приближение станции к области выхода ОНЧ волн.
АНАЛИЗ ПЕРИОДОВ РР ИЗЛУЧЕНИЙ
Рассмотрим периоды РР эмиссий, наблюдавшихся 24.XII.2011. Обычно для РР излучений периодом называют интервал времени между сосед-
15.00
16.00
17.00
18.00
19.00
20.00
я 5
м 4
л 3 н
8 2
8 1 ^ 1
ч 300
и 200 100
КАННУСЛЕХТО
21.00 22.00 ИТ
я °
^ 6 Рч
а 4
< 2
Ц/
V/
15.00
16.00
17.00
18.00
19.00
20.00
21.00
22.00 ИТ
Рис. 1. (а) — спектрограмма QP эмиссий, (б) — вариации АЕ индекса, (в) — временные интервалы между QP элементами.
ними QP элементами, определенный на некоторой конкретной частоте, и это время между элементами часто мало меняется в течение длительного времени по сравнению с периодом QP. Поэтому для анализа периодов QP излучений мы поступили аналогичным образом и проанализировали интервалы времени между QP элементами АТ. Поведение АТ для события 24.Х11.2011пока-зано на нижней панели рис. 1. Явно выделяется два типа поведения временных интервалов АТ между QP элементами: плавное увеличение АТ в течение 4-х часов с 15.30 до 19.30 ИТ от 1 мин до 2.5 мин, и значительные вариации АТ в диапазоне 2—10 мин, связанные с субурями. Поведение периодов во время суббурь показывает повторяющиеся изменения, большие АТ наблюдаются в начале суббурь, затем АТ уменьшаются и вновь увеличиваются к концу событий.
Высыпания электронов во время суббурь могут приводить к появлению спорадических Е слоев и изменениям коэффициента отражения волн Я. На рис. 2 приведены критические частоты спорадического Е, сл
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.