РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 49, № 11, с. 1373-1381
РАДИОФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ И ПЛАЗМЕ
УДК 523.62-726
СПЕКТРАЛЬНЫЕ ЛИНИИ ЭКСПОНЕНЦИАЛЬНОГО ТИПА В ДИАПАЗОНЕ УЛЬТРАНИЗКИХ ЧАСТОТ ПЕРЕД ОКОЛОЗЕМНЫМ УДАРНЫМ ФРОНТОМ
© 2004 г. В. А. Морозов, А. В. Элбакидзе
Поступила в редакцию 02.12.2003 г.
По данным векторных измерений магнитного поля на спутнике КЕЕ-1 в предударной области магнитосферы ("область форшока") исследованы энергетические и амплитудно-фазовые спектры волновых пакетов, с узкополосными спектральными линиями (СЛ) экспоненциального типа. Экспоненциальное изменение спектральной плотности на крыле СЛ отмечено в диапазоне до 30 дБ. Форма СЛ и поляризационные характеристики исследованных волновых пакетов согласуются с их формированием по механизму ионно-циклотронной неустойчивости плазмы солнечного ветра в присутствии пучков встречных надтепловых протонов. Дано экспериментальное обоснование привлечению формы крыльев СЛ при диагностике источника наблюдаемых на Земле магнитных пульсаций.
ВВЕДЕНИЕ
В данной работе впервые представлены энергетические спектры пульсаций магнитного поля диапазона Рс3 (периоды ~15...45 с) перед околоземным ударным фронтом ("зона форшока"), содержащие спектральные линии (СЛ) с приближенно-экспоненциальным ходом спектральной плотности на крыльях линий. Исходными для анализа были данные векторных измерений магнитного поля на спутниках ISEE-1, -2, представленные на сайте Института геофизики космической физики Калифорнийского университета (IG-SP UCLA [1]). Время движения спутника в зоне форшока определяли по данным, представленным в работе [2].
В рамках линейной модели резонансной неустойчивости плазмы солнечного ветра в присутствии встречных потоков ионов [3] наблюдаемый нами в зоне форшока экспоненциальный спад спектральной плотности пульсаций на крыльях СЛ хорошо согласуется с линейным в первом порядке по волновому числу ходом инкремента неустойчивости на крыльях его резонансной кривой. Ниже приведены примеры энергетических спектров, содержащих относительно узкополосные СЛ (Af/fm < 1, где fm и А/ - резонансная частота и полоса частот на уровне -3 дБ соответственно), у которых приближенно экспоненциальный ход спектральной плотности на крыльях СЛ прослеживается с точностью ~(0.5...1.5) дБ в диапазоне до 30 дБ.
Поляризация изучаемых пульсаций на частотах вблизи максимума СЛ - приближенно круговая, левосторонняя в системе спутника; пространственная структура поля с высокой точностью со-
ответствует плоской волне, распространяющейся под небольшим углом к основному полю; плотность энергии волнового пакета существенно меньше плотности энергии основного поля (слабые возмущения). Все эти особенности хорошо согласуются с моделью резонансной ионно-циклотронной неустойчивости магнитозвуковой волны правой поляризации в системе солнечного ветра в присутствии встречного потока ионов [3, 4]. (Волновой пакет ^И-поляризации распространяется "к Солнцу", солнечный ветер сносит пакет "от Солнца"; в системе спутника поляризация становится левой (ЬИ), см. ниже.)
Ранее СЛ с экспоненциальным убыванием спектральной плотности на крыльях линии были обнаружены у поверхности Земли [5]. Спектральные линии с крыльями экспоненциального типа (ЭТ) не согласуются с их формированием по механизму пассивных резонансов магнитосферы, которым на крыльях СЛ соответствует степенная (в частности, лоренцева) зависимость спектральной плотности от частоты. В то же время в рамках линейной модели ионно-циклотронной неустойчивости плазмы в зоне форшока СЛ экспоненциального типа согласуются с их формированием по механизму резонансной неустойчивости среды, учитывая приближенно линейную зависимость инкремента от волнового числа на крыле резонансной кривой инкремента [3-5]. Указанные обстоятельства позволили выдвинуть гипотезу о существовании в зоне форшока магнитных пульсаций с СЛ ЭТ [6]. Данная работа дает экспериментальное подтверждение этой гипотезы.
1. ОСНОВНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
Известно, что в плазме солнечного ветра перед околоземной ударной волной (зона форшока) на удалениях ~(10.. .20)КЕ (ЯЕ - радиус Земли) наблюдаются плазменные потоки, дрейфующие в сторону Солнца и связанные с ними волновые пакеты пульсаций магнитного поля в диапазоне Рс3. Обширный материал о потоках частиц (электронов и протонов) и о пульсациях магнитного поля в зоне форшока был получен в результате прямых измерений на спутниках КЕЕ-1, -2 (1977-87 гг.) [7].
Установлено, что встречные (в сторону Солнца) потоки (пучки) ионов с относительно низкой плотностью пВ ~ 10-2п5Ж, скоростью дрейфа УВР ~
2 У,
1.5.2.5 Уш и температурой ТВР > Т,
приводят к неустойчивости ионно-циклотронных волн в области форшока; здесь индекс указывает на плазму солнечного ветра, индекс ВР - на встречный поток (пучок) надтепловых протонов,
ТВР ^ ТБЖ.
Характерные значения: ~ 10 см3 (бесстолк-новительная плазма), > УА, где УА - скорость альвеновских и магнитозвуковых волн в длинно-
2 2
волновом пределе (УА = В0 /4пр, В0 - основное магнитное поле ~ единиц нанотесла (~4...10у), р - плотность плазмы) Уш - 300.500 км/с, УА ~ 30.50 км/с. В магнитном поле солнечного ветра сверхальвеновские встречные пучки вызывают неустойчивость ионно-циклотронных волн. Наиболее интенсивная перекачка энергии пучка в волну происходит в условиях синхронизма:
- кУ = -Оп,
где - частота волны в системе солнечного ветра, к - волновой вектор, Оп - гиромагнитная частота протонов (Оп = епВ0/тпс), ^п[Гц] = Оп/2п ~ ~ В0 [нТл]/65.5, еп и тп - заряд и масса протона).
В типичных условиях слабой температурной анизотропии пучка наименьшим порогом неустойчивости по параметру
У0
МА = 7Г (У0= УВР -
УА
обладают так называемые резонансные магнито-звуковые волны; при распространении вдоль пучка параллельно или под малым углом к основному полю они обладают правой круговой поляризацией в системе солнечного ветра (резонансные ^Я-волны, направление вращения магнитного поля волны - правое, аналогично вращению электронов в поле Во) [3].
Для ^Я-волны распространяющейся параллельно пучку (к || Увр ), при параллельных к, Уо, Во и при |Уо| > У а условию синхронизма соот-
к
ветствует |к| ~ О/У0 и <§ Оп. Более точный анализ дисперсионных соотношений с учетом присутствующих в зоне форшока популяций частиц дает для резонансной неустойчивости ^Я-моды значения ~ (0.1.. .0.2)0п.
Учет разброса скоростей ионов пучка (ТВР > Тш) приводит к размыванию резонансной характеристики инкремента неустойчивости у(к). Максимальные значения инкремента ^Я-волны дости-
> ^
гаются при прочих равных условиях при (к || Уо) и к параллельно (или антипараллельно) Во.
Следует отметить, что при сверхальвеновских
пучках
МА =
Уо
Уа
> 1 фазовая и групповая скоро-
сти резонансной ^Я-волны существенно отличаются от их значений для пассивной среды (У0 = 0) [3-5].
Движение плазмы солнечного ветра от солнца приводит к сносу волновых пакетов по потоку в сторону ударного фронта. Для наблюдателя на спутнике это приводит к доплеровскому сдвигу
наблюдаемых частот спектра волнового пакета
> >
на величину (к • Уяж): = + к • Уяж; так
как здесь | кУяж ~ Оп > и к • Уяж < 0 (волна направлена по направлению пучка, т.е. вверх по потоку солнечного ветра), то формально приходим к ю5Р < 0. Поскольку при описании волны частота волны принимается положительной, этому соответствует обращение знака круговой поляризации волны в системе координат спутника. Таким образом, ^Я-поляризация волнового пакета в системе солнечного ветра становится ¿Я-поляриза-цией в системе спутника [7, 8].
При У0/УА > 1 в теоретической зависимости инкремента резонансной неустойчивости ^Я-волны
у(к) при малых углах между к и Во хорошо выражены приближенно линейные участки крыльев спектральной зависимости,
У( к )-у( к о) + (Щ ^ * А к, (1)
где Ак = к - к0 (см. [3-5]. В таком случае распространение исходно широкополосного волнового пакета в среде с инкрементом (1) будет сопровождаться экспоненциальной деформацией его энергетического спектра на крыльях СЛ по мере перемещения пакета.
При переносе волнового пакета на длине L для его энергетического спектра GL(юSW) = G(юSW, L) можем записать [9]:
G(®sw, L) ~ exp{-2y(fflSW)T(fflSW)},
(2)
где у(ю^) = у[ю^к)], т(ю^) - время переноса на длине L узкополосного волнового пакета в малой
окрестности частоты ю^
=
v гр №swY
где ^(ю^) - групповая скорость резонансной ^Я-волны в системе солнечного ветра при дисперсионной зависимости ю^ = ю^к):
vrp (®SW) =
дю
SW
дк "
Ход дисперсионной зависимости ю5^к) при типичных значениях параметров солнечного ветра и встречных пучков указывает на приближенно постоянный наклон ю(к) в полосе частот, включающей окрестность максимума у(к) ([у(к) —► max] при к = кт) и значительный участок крыльев СП [3, 4]. При t(o>sw) ~ const и зависимости y(o>SW) на крыльях линии, линейной в первом порядке по к, приходим, согласно формулам (1), (2), к приближенно экспоненциальной зависимости G^SW) на крыльях СЛ.
Доплеровский сдвиг (o>SW —► ю5Р), определяемый сносом волнового пакета солнечным ветром вниз по потоку, приводит к значительному изменению абсолютных значений частоты, но не изменяет качественно экспоненциального характера энергетического спектра на крыльях СЛ. Низкий уровень плотности энергии волнового пакета Wm в сравнении с основным полем (Wm/W0 < 1) дает основание проведению анализа в рамках линейной модели.
2. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ.
МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ
Исходными были массивы пространственных составляющих и модуля поля в системе координат GSE, полученные на спутнике ISEE-1 [1] на участках орбиты в зоне форшока [2]. (Эти измерения, усредненные на интервалах длительности T0 = 12 c, представлены на сайте IGPP UCLA с шагом At = 4 с.)
Первоначальный отбор временных реализаций на участках орбиты в зоне форшока проводился по признаку достаточно большого числа периодов (> 7...10) квазимонохроматических колебаний составляющих поля при отсутствии на выбранных фрагментах явных скачков амплитуды или фазы (первая стадия отбора).
Дополнительным условием первоначального отбора было отсутствие на выбранном
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.