ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2007, том 47, № 6, с. 780-791
УДК 533.951
ВОЛНОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ НА СКАЧКЕ ПЛОТНОСТИ ПЛАЗМЫ В АВРОРАЛЬНОЙ ЗОНЕ ВНЕШНЕЙ ИОНОСФЕРЫ ПО ДАННЫМ СПУТНИКА "АПЭКС"
© 2007 г. Н. И. Ижовкина1, И. С. Прутенский1, С. А. Пулинец1,
3. Клос2, X. Роткель2
1Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова
РАН, Троицк (Московская обл.) 2Space Research Center, CBK PAN, Bartycka, 18 a, 00-716, Warsaw, Poland Поступила в редакцию 31.05.2006 г. После доработки 31.01.2007 г.
Представлены данные измерений интенсивности волнового излучения в полосе частот 0.1-10 МГц в ионосфере (спутниковый эксперимент АПЭКС). Во внешней ионосфере на высотах ~1300 км в ав-роральной зоне зарегистрирован скачок плазменной плотности и усиление амплитуды излучения на плазменной частоте. Вблизи стенки плазменного скачка наблюдалось немонотонное вдоль траектории спутника усиление излучения для диапазона свистовых мод. Показано, что вблизи стенки могли сформироваться волноводные каналы при затухании электростатических колебаний, генерируемых высыпающимися электронными потоками. При этом возможно немонотонное в пространстве отслоение волноводных каналов от плазменной неоднородности, вытянутой вдоль силовых линий геомагнитного поля.
PACS: 94.20.Lk; 94.20.wf
1. ВВЕДЕНИЕ
В экспериментах на ракетах и спутниках в авро-ральной ионосфере зарегистрированы интенсивные потоки j > ~109 см-2/с энергичных электронов (энергия электронов порядка и более нескольких кэВ) с продольной питч-угловой анизотропией [Anderson and Cloutier, 1975; Boyd and Davis, 1977; Hultqvist, 1974; Paschman, 1972]. Узкополосное электромагнитное излучение высыпающихся потоков энергичных электронов наблюдается в аврораль-ной ионосфере на модах Бернштейна [Fairfield et al., 1999; Gaezler et al., 1994; Oya et al., 1985; Ижовкина и др., 2005]. Следует отметить, что для ОНЧ-диапазо-на (свисты) узкополосное электромагнитное излучение в ионосфере и магнитосфере также может быть связано с высыпающимися электронными потоками [Ижовкина и др., 1986, 1989а].
Широкополосные спектры электростатического излучения электронного компонента ионосферной плазмы, измеренные в экспериментах на спутниках "Интеркосмос-19" [Ижовкина и др., 1989; 1996] и "АПЭКС" [Ораевский и др., 1992; Ижовкина и др., 1999-2005], зависят от геофизических условий. Выявлена зависимость спектров от освещенности ионосферы, геомагнитной активности, неоднородностей геомагнитного поля [Ижовкина и др., 1989-2005]. Данные измерений можно использовать для исследований электродинамических параметров плазменных неоднородностей с
размерами l > rHi, где rHi - ларморовский радиус ионов. Изменения геомагнитного поля в точке малы, но вихрь - объемная структура с радиусом, превышающим ларморовский радиус ионов. Сверху размеры вихря в однородном магнитном поле определяются только градиентами давления. Геомагнитное поле направлено в верхнюю полусферу по одну сторону от геомагнитной экваториальной поверхности, в нижнюю - по другую сторону. Крупномасштабная плазменная неоднородность - вихрь вовлекается в движение приливного гравитационно-теплового возмущения, связанного со смещением подсолнечной точки. Скорость такого движения имеет составляющую поперек поверхности геомагнитного экватора Vs. Скорость вращения частиц плазмы в вихре Уф связана с дипольным возмущением заряда, потенциалом ф и электрическим полем вихря, Уф =
= с[УфВ0]//. Частицы обладают массой, скоростью и инерцией. Заметим, что и электрическое поле вихря не безинерционно. Оно связано с заряженными частицами вихря. При пересечении поверхности геомагнитного экватора, где поле B0 для объемной структуры - вихрь существенно меняет направление, вихрь рассыпается. Время затухания вихря при этом составляет т ~ R/Vs, где R -радиус вихря. Геомагнитная экваториальная поверхность представляет собой препятствие для вихревого вращения.
Обнаруженное в экспериментах "АПЭКС" и "Космос-900" влияние геомагнитной экваториальной поверхности на неоднородную плазму позволяет предположить, что крупномасштабные ионосферные плазменные неоднородности имеют вихревую структуру [Моисеев и др., 1982; 1983; Незлин и Черников, 1995; Гдалевич и др., 2003; Ижовкина и др., 2004]. Плотность энергии плазменного вихря зависит от градиентов плотности и температуры плазмы. На геомагнитном экваторе одна из компонент геомагнитного поля меняет знак. При изменении направления геомагнитного поля на противоположное скорость движения частиц объемной структуры-вихря должна измениться на противоположную, но вихрь обладает инерцией. При нарушении самосогласованной связи между электрическим полем вихря и частицами, захваченными полем, энергия вихревой рассыпающейся структуры передается хаотическому движению частиц. В возможной области затухания вихрей, например, на геомагнитном экваторе, наблюдается нагрев плазмы [Гдалевич и др., 2003; Ижовкина и др., 2004]. Электрическое поле вихря придает устойчивость плазменной неоднородности, что позволяет ее обнаружить. Вытянутые вдоль геомагнитных силовых линий неоднородности могут служить волно-водными каналами для распространения электромагнитных волн естественного и искусственного происхождений.
Изменение освещенности ионосферы при пересечении терминатора проявляется в данных измерений спектров излучения электронного компонента плазмы [Ижовкина и др., 2005а]. В области терминатора наблюдается изменение плазменной частоты, что связано с различием скорости ионизации компонентов ионосферы прямым солнечным ультрафиолетовым и мягким рентгеновским излучением. Ослабление интенсивности электронного электростатического излучения можно объяснить появлением звуковых электростатических колебаний на градиентах плазменного давления на терминаторе. Подавление роста электростатических колебаний электронного компонента плазмы на терминаторе может быть связано с их распадом при взаимодействии со звуковыми колебаниями [Арцимович и Сагдеев, 1979; Ижовкина и др., 2005а] и модуляцией плотности плазмы электростатическими возмущениями, распространяющимися от терминатора со скоростью порядка скорости звука.
В этой работе представлены данные измерений интенсивности волнового излучения в полосе частот 0.1-10 МГц в ионосфере (спутниковый эксперимент "АПЭКС"). Во внешней ионосфере на высотах более 1000 км в авроральной зоне зарегистрирован скачок плазменной плотности и усиление амплитуды излучения на плазменной частоте. Терминатор день-ночь находился на значительном ~7000 км расстоянии от аврорального
овала. Можно предположить, что исследуемые в работе эффекты в области плазменного скачка связаны с высыпанием потоков энергичных электронов в авроральной зоне. Вблизи стенки плазменного скачка наблюдалось немонотонное вдоль траектории спутника усиление излучения для диапазона свистовых мод. Показано, что вблизи стенки скачка плазменной плотности могли сформироваться вол-новодные каналы при затухании электростатических колебаний, генерируемых высыпающимися электронными потоками. В неустойчивой плазме возможно немонотонное в пространстве расслоение (распад) плазменных неоднородностей [Ижовкина и др., 2001; НаегеМе1, 1973], рассеяние электромагнитных волн на неоднородной плазменной структуре, захват волн в волноводные каналы. При захвате волн в волноводные каналы, вытянутые вдоль геомагнитных силовых линий, возможен их переход в диапазон мод Бернштейна и усиление на электронных потоках, захваченных геомагнитным полем.
2. ДАННЫЕ ИЗМЕРЕНИЙ
Спутник "АПЭКС" (Активный Плазменный ЭКСперимент) был выведен в декабре 1991 г. с космодрома "Плесецк" на околоземную полярную эллиптическую орбиту с наклонением 82.5°, апогеем ~3000 км и перигеем ~440 км. Спутник имел 3-осную стабилизацию.
Волновые измерения на борту спутника проводились плазменным радиоспектрометром (ПРС-3), который представлял собой супергетеродинный приемник с чувствительностью по входному сигналу 0.5 мкВ и шаговой перестройкой по частоте в диапазоне частот 0.1-10 МГц. Шаг частотной перестройки в начале рабочего диапазона (до 5 МГц) составлял 25 кГц, полоса пропускания по входу приемника - 15 кГц и динамический диапазон изменения уровня входного сигнала - 80 дБ. В качестве датчика прибора использовалась электрическая дипольная антенна общей длиной 15 м, ориентированная параллельно земной поверхности.
На рисунке приведены динамический спектр излучения плазмы для пролета спутника 09.03.1992 г. (виток 978) (верхний фрагмент рисунка) и индивидуальные спектры (а, б, в), зарегистрированные в области скачка плотности плазмы. Моменты времени для индивидуальных спектров (а, б, в) указаны стрелками на верхнем фрагменте. Сплошными светлыми линиями на верхнем фрагменте отмечены гармоники циклотронной частоты электронов. При пересечении спутником южного аврорального овала в ~18:34 ит (финв ~ 66°) наблюдается скачок плазменной частоты от ~2 до ~1.6 МГц.
На рисунке плазменная частота приблизительно соответствует частоте обрезания спектра излучения. Плазменная и верхнегибридная частоты
МГц
1098255 7432
1 -
0
ит, ччммсс MLT, чч.чч Финв, град X, град
182056 10.07 42.35 228.96
Я, км 2111.67
182448 10.55 51.35 231.85 1863.70
182840 11.34 59.63 238.61 1603.61
♦ ♦ а 16
183232 12.82 65.62 262.01 1340.81
183624 15.37 66.63 343.17 1086.91
184016 17.75 61.73 15.63 855.78
184408 19.07 53.15 24.07 662.91
184800 19.80 42.68 27.63 523.91
185152 20.29 30.74 29.57 452.05
250 200 150 100 50 0
250 200 150 100 50 0
250 200 150 100 50
5
МГц
10
Динамический спектр интенсивности волнового излучения (относительные единицы) при пересечении спутником южного аврорального овала 09.03.1992 г. в зависимости от мирового времени ит, магнитного локального времени МЬТ, долготы X, инвариантной широты финв и высоты Н для частотного диапазона 0.1-10 МГц (верхняя панель). Белыми сплошными линиями на рисунке представлены расчетные значения гармоник гирочастоты электронов вдоль траектории движения спутника. Стрелками (а, б, в) указаны моменты времени, для которых представлены индивидуальные спектры (нижние панели а, б, в).
отличаются на де
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.