ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2015, том 41, № 3, с. 277-285
КОСМИЧЕСКАЯ ПЛАЗМА
УДК 533.95
ВЛИЯНИЕ НЕОДНОРОДНОСТИ КОНЦЕНТРАЦИИ ПЛАЗМЫ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА ГЕНЕРАЦИЮ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ШУМА В АВРОРАЛЬНОЙ ЗОНЕ
© 2015 г. А. А. Чернышов*, А. А. Ильясов*' **, М. М. Могилевский*, И. В. Головчанская***, Б. В. Козелов***
* Институт космических исследований РАН, Москва, Россия ** Московский физико-технический институт, Долгопрудный, Россия *** Полярный геофизический институт РАН, Апатиты, Россия e-mail: achernyshov@iki.rssi.ru, asjosik@mail.ru, mogilevsky@romance.iki.rssi.ru, golovchanskaya@pgia.ru, boris.kozelov@gmail.com Поступила в редакцию 26.05.2014 г. Окончательный вариант получен 01.07.2014 г.
Для изучения неустойчивостей, к которым приводят неоднородное распределение электрического поля и концентрации плазмы в авроральной области, разработаны вычислительные алгоритмы и проведено численное моделирование при различных условиях фоновой плазмы. Для этого проанализировано нелокальное дисперсионное уравнение для данного типа волн и показано, что оно имеет неустойчивые решения для широкого набора частот и волновых чисел, которые проявляются в спутниковых измерениях как широкополосный спектр электростатических возмущений. Проведено сравнение двух механизмов генерации широкополосного электростатического шума: при наличии градиентов плотности и электрического поля.
DOI: 10.7868/S0367292115030014
1. ВВЕДЕНИЕ
Течения плазмы и потоки частиц как вдоль, так и поперек магнитного поля Земли встречаются повсеместно в околоземной среде. Они играют важную роль в динамике и эволюции магнито-сферно-ионосферной системы, к тому же являются, по сути, резервуаром свободной энергии, который может поддерживать различные плазменные эффекты. Один из основных источников свободной энергии в ионосфере и магнитосфере Земли — ток вдоль силовых линий магнитного поля, приводящий к возникновению возбуждаемой током ионной циклотронной неустойчивости (current-driven electrostatic ion-cyclotron instability (CDEICI)) [1, 2]. В рамках классической теории генерации электростатических ионно-цикло-тронных волн продольным током, разработанной Драммондом и Розенблютом [1], предполагается, что продольная токовая скорость постоянна и используется локальное приближение [1]. Ломи-надзе и Степанов [3] в рамках этой теории учли эффект конечного ларморовского радиуса. Применительно к ионосфере данная неустойчивость рассматривалась впервые в работе [4], в которой авторы анализировали наблюдения электростатических ионно-звуковых и электростатических ионно-циклотронных волн в авроральной обла-
сти. Рассмотрев эффекты, связанные с продольными токами, авторы показали, что данная неустойчивость имеет низкий порог возбуждения в ионосферной плазме. В плазме с двумя видами ионов возбуждаемая током ионная циклотронная неустойчивость исследовалась в статье [5], где указывалось, что в плазме существуют два вида ионных циклотронных волн с циклотронными частотами тяжелых и легких ионов, причем для каждого вида волн обнаружена зависимость от относительной концентрации как порога неустойчивости, так и отклонения частоты колебаний от циклотронной частоты. Несмотря на то, что этот механизм часто привлекался для объяснения низкочастотных волн в ионосфере, более поздние исследования подвергли сомнениям то, что эта модель корректно воспроизводит источники ионосферной турбулентности [6]. В частности, в последнее время часто сообщается о наблюдениях широкополосных низкочастотных возмущений (broadband ELF turbulence) в магни-тосферно-ионосферной системе высоких широт, которые регистрируются при различных условиях в околоземной плазме [7—11] (пример развития широкополосной электростатической турбулентности на внешнем градиенте электрического поля по наблюдениям спутника FAST в дневной ав-
Eperp, mV/m 200
UT 07:03:00 ILAT 68.9 MLT 14.2 ALT 1027.4
07:03:20 67.8 14.2 1027.4
07:03:40 66.7 14.3 1027.4
07:04:00 65.5 14.3 948.7
Рис. 1. Пример развития широкополосной электростатической турбулентности на внешнем градиенте электрического поля по наблюдениям спутника FAST в дневной авроральной ионосфере.
роральной ионосфере Земли представлен на рис. 1). Согласно наблюдениям, широкополосный электростатический шум генерируется в верхней ионосфере и в ближней магнитосфере только в областях неоднородностей, что делает невозможным его описание в рамках теории Киндела и Кеннела [4], развитой для однородной бесконечной плазмы. К тому же, известный эффект нагрева ионов широкополосной турбулентностью должен приводить к подавлению ионно-циклотронной неустойчивости, что не наблюдается в действительности [12].
Из известных в настоящее время теорий наиболее подходящей для интерпретации широкополосного электростатического шума в аврораль-ной зоне является теория электростатических ионно-циклотронных волн, возбуждаемых локализованными электрическими полями, которые, как и продольные токи, присутствуют в аврораль-ной ионосфере и достигают больших значений в событиях альфвеновской турбулентности [13], а также комбинацией продольных токов и локализованных электрических полей. Впервые теория возбуждения электростатических ионно-цикло-тронных волн локализованными поперечными электрическими полями в отсутствие продольных токов вдоль магнитного поля была предложена в работах [14—16]. Позже теория была обобщена и включила как локализованные электрические поля, так и продольные потоки электронов и ионов, неоднородные в поперечном направлении [17—19]. В рамках этой теории предполагается, что возмущение вызывается неустойчивостью вследствие вследствие неоднородности в распределении плотности энергии (тИото§епеош епег-
gy-density-driven instability (IEDDI)), к которой приводит неоднородное электрическое поле, связанное со сдвигом скорости в плоскости, перпендикулярной магнитному полю. Следует заметить, что в этом случае свободная энергия, необходимая для раскачки неустойчивости, заключена в поперечном сдвиге скорости. Неустойчивость IEDDI была изучена и подтверждена экспериментально в ряде работ [20—23]. В зависимости от величины сдвига скорости и параметров фоновой плазмы, частота неустойчивости IEDDI может быть как ниже ионно-циклотронной частоты, так и выше. Соответственно длины волн также могут быть меньше, чем ионный гирорадиус, или составлять несколько ионных гирорадиусов.
Как известно, сдвиг скорости ионов может быть также причиной низкочастотной и длинноволновой неустойчивости Кельвина-Гельмголь-ца [24—28], причем даже небольшой сдвиг скорости может привести к ее развитию [29]. Важно отметить, что моды, вызванные развитием неустойчивости IEDDI, не будут всего лишь продолжением ветви классических колебаний Кельвина—Гельмгольца в более высокочастотную и коротковолновую область, так как неустойчивость Кельвина—Гельмгольца — гидродинамическая и ею можно пренебречь в кинетическом режиме вследствие эффекта, связанного с конечным Ларморовским радиусом [30]. Есть несколько принципиальных различий между IEDDI неустойчивостью и неустойчивостью Кельвина—Гельмгольца. Например, для неустойчивости Кельвина—Гельмгольца необходимо, чтобы kz ~ 0, а для IEDDI наоборот; неустойчивость Кельвина—Гельмгольца стабилизируется градиентом концентрации, тогда как IEDDI-неустойчивость дестабилизируется, и т.д. К тому же, неустойчивость Кельвина—Гельмгольца поддерживается наличием градиента сдвига
2 2
(dVEfdx ), а для IEDDI неустойчивости это не является обязательным условием, поскольку данная неустойчивость поддерживается неоднородным распределением плотности энергии [30, 31].
Недавно теория генерации IEDDI неустойчивости была применена к исследованию ионосферных событий по данным спутника FAST. Сопровождающий альфвеновскую турбулентность электростатический широкополосный шум, проявляющийся в области частот 0.01—1 кГц в системе отсчета спутника, является составляющей широкополосных возмущений в верхней ионосфере Земли. Он может быть идентифицирован как разновидность ионно-циклотронных волн, возбуждаемых электростатической ионной неустойчивостью, для развития которой необходимы локализованные электрические поля альфвеновской турбулентности [32].
Однако несмотря на то, что данная теория активно развивается в последнее время, основное внимание главным образом уделяется неоднородным локализованным электрическим полям. Проведены подробные теоретические и численные исследования при различных условиях, в которых может находиться плазма. В частности, чтобы уменьшить необходимое значение сдвига скорости, при котором возникает 1ЕВБ1-не-устойчивость, вместе с локализованными электрическими полями рассматривался продольный ток [17, 19, 33], или вводилась многослойная фоновая конфигурация [32, 34]. Но до сих пор не была рассмотрена возможность генерации 1ЕВБ1-неустойчивости неоднородностями концентрации плазмы (отдельно или совместно с неоднородными электрическими полями). Это особенно важно в задачах космической физики. Известно, что авроральная ионосфера и магнитосфера Земли — это неоднородные среды, где существуют неоднородности плотности плазмы, градиенты концентрации на границах авроральной области и полярной шапки, а каверны плотности часто сопровождают развитие широкополосной турбулентности. Учет неоднородностей плазменной концентрации может привести к изменению порога возбуждения неустойчивости и, следовательно, изменению инкремента неустойчивости. Кроме того, необходимо отметить, что неустойчивости данного типа могут приводить к нагреву ионов в ионосфере Земли и последующему оттоку ионов в магнитосферу внутри локализованной области с сильным сдвигом скорости, где фрикционный нагрев является минимальным [35].
Изучению этого вопроса и посвящена представленная работа, в которой будет исследовано влияние неоднородности концентрации плазмы на генерацию широкополосного электростатического шума. Будет проведено сравнение и анализ двух механизмов генерации — при наличии градиентов плотности и электрического поля.
Структура статьи следующая. В разд. 2 приводятся основные уравнения и теоретическое обоснование возбуждения 1ЕВБ1-неустойчивости в
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.