ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2011, том 51, № 3, с. 346-351
УДК 533.951
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ В АВРОРАЛЬНОЙ И СУБАВРОРАЛЬНОЙ ОБЛАСТИ ВЕРХНЕЙ ИОНОСФЕРЫ
© 2011 г. Н. И. Ижовкина
Учреждение РАН Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова,
г. Троицк (Московская обл.) e-mail: izhovn@izmiran.ru Поступила в редакцию 28.06.2010 г. После доработки 25.09.2010 г.
На спутнике "ИНТЕРКОСМОС-19" произведены измерения плотности и температуры электронного компонента плазмы и интенсивности волнового излучения в верхней ионосфере. В субавро-ральной области ионосферы понижение плотности плазмы коррелирует с увеличением температуры электронного компонента плазмы. При этом во время восстановительной фазы суббури измерено дополнительное увеличение температуры электронного компонента в областях повышенных градиентов плотности плазмы. В линейном приближении инкременты роста электромагнитных волн на высыпающихся в авроральной зоне электронных потоках малы. Показано, что при распространении электромагнитных бернштейновских волн в субавроральной верхней ионосфере они могут усиливаться в областях повышенных градиентов плотности плазмы на ортогональных к геомагнитному полю электронных потоках, образующихся при нагреве плазмы затухающими электростатическими колебаниями электронного компонента плазмы. Это может быть одним из важных факторов усиления аврорального километрового излучения.
ВВЕДЕНИЕ
Интенсивное электромагнитное излучение ионосферно-магнитосферной плазмы наблюдается преимущественно в авроральной зоне [Власов, 1989; Ижовкина и др., 1989; 2000; Erlandson et al., 1994; Fairfield et al., 1999; Gaezler et al., 1994; Marioka and Oya, 1985; Oya еt al., 1985]. Обнаружение этого излучения носит стохастический характер [Ижовкина и др., 2000]. Широкополосное электростатическое излучение в плазме верхней ионосферы наблюдается постоянно, интенсивность его нарастает на дневной стороне ионосферы [Ижовкина и др., 1989, 1999, 2000, 2001; Kennel and Ashour-Abdalla, 1982; Kennel and Engelman,1966]. Электромагнитное излучение наблюдается на гармониках гироча-стоты электронов и в диапазоне свистовых мод. Высокую интенсивность стохастически наблюдаемого аврорального километрового излучения [Gaezler etal., 1994; Fairfield et al., 1999; Marioka, Oya, 1985; Oya et al., 1985; Erlandson et al., 1994; Власов, 1989] сложно объяснить, поскольку инкременты роста электромагнитных мод малы и длина нарастания этих мод составляет тысячи километров. Электромагнитное излучение наблюдалось и в КНЧ-диапа-зоне на гармониках гирочастоты ионов, при этом одновременно регистрировалось ускорение ионов кислорода в направлении, ортогональном геомагнитным силовым линиям [Erlandson et al., 1994]. Появление интенсивного аврорального километрового излучения коррелирует с наблюдениями областей пониженной плотности плазмы в верхней
ионосфере. Такие области с масштабом тысячи километров регистрировались на спутниках "АПЭКС" и "ИНТЕРКОСМОС-19" в субавроральной и авроральной областях ионосферы [Ижовкина и др., 1999, 2000].
В работе показано, что электростатическая неустойчивость ионосферной плазмы в авроральной и субавроральной зоне связана с быстрым возбуждением колебаний электронными потоками, высыпающимися в ионосферу, и потоками из нагреваемых областей ионосферы. Затухание электростатических колебаний в областях пониженной плотности плазмы приводит к нарастанию градиентов плазменной плотности при вытеснении плазмы из нагреваемых областей. При этом поляризационные потоки заряженных частиц в области затухания электростатических колебаний направлены ортогонально геомагнитным силовым линиям. Захват этих потоков геомагнитным полем и их распространение в геомагнитных силовых трубках способствуют образованию каналов, где может усиливаться электромагнитное излучение в ионосферно-магни-тосферной плазме. Таким образом, усиление аврорального километрового излучения связано в области пониженной плотности плазмы с возбуждением и затуханием электростатических колебаний в неоднородной плазме. Наблюдаемая корреляция нарастания интенсивности аврорального километрового излучения с областями пониженной плазменной плотности связана не просто с квазизахватом электромагнитных волн в волноводный канал. Уси-
ление излучения происходит на поляризационных потоках заряженных частиц из областей пониженной плотности плазмы, образующихся при затухании электростатических колебаний на градиентах плазменной плотности.
2. ОБЛАСТЬ ПОНИЖЕННОЙ ПЛОТНОСТИ ПЛАЗМЫ В СУБАВРОРАЛЬНОЙ ИОНОСФЕРЕ И АВРОРАЛЬНОЕ КИЛОМЕТРОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
Данные по пространственному распределению мощности электростатического излучения плазмы, связанного с неустойчивостью электронного компонента плазмы, плотности плазмы и температуры электронного компонента при пересечении спутником "ИНТЕРКОСМОС-19" субаврорального ионосферного провала плазменной плотности представлены в работе [Ижовкина и др., 1999]. Процессы нагрева плазмы свободными электростатическими колебаниями электронного компонента плазмы, затухающими в области пониженной плотности плазмы, могли быть основным механизмом развития такой области в субавроральной верхней ионосфере и усиления градиентов плазменной плотности. При этом может наблюдаться отслоение плазменных неоднородностей от более крупномасштабной неоднородности. Зарождение распада плазменной неоднородности на мелкомасштабную структуру может быть проявлением немонотонной зависимости диэлектрической проницаемости колебаний при монотонной начальной зависимости плотности плазмы от пространственных координат [Ижовкина и др., 2001].
В работах [Ижовкина и др., 1989, 2000; Erlandson et al., 1994; Fairfield et al., 1999; Gaezler et al., 1994; Marioka and Oya, 1985; Oya et al., 1985] отмечено, что сложность проблемы объяснения высокой интенсивности аврорального километрового излучения связана с низкими пространственно-временными инкрементами роста электромагнитных волн. Представляется необходимым рассмотрение не только электромагнитного излучения, но и электростатической неустойчивости плазмы в аврораль-ной и субавроральной ионосфере. Влияние затухания электростатических колебаний на пространственно-временную структуру плазмы в указанной области ионосферы и на потоки заряженных частиц представляется важным.
Зарождение аврорального километрового излучения связано с неустойчивостью плазмы относительно излучения электромагнитных мод. Собственные частоты и инкременты роста волн можно рассчитать из следующей модели.
Для электромагнитного излучения электрический и магнитный компоненты волнового поля
можно представить в виде [Kennel, Engelman, 1966; Kennel, Ashour-Abdalla, 1982]
E+ = (Ex + iEy )/2; E_ = (Ex - iEy )/2; Ez; (1) B+ = (Bx + iBy)/2; B_ = (Bx - iBy)/2; Bz. (2)
Учитывая коллективные эффекты в горячей замаг-ниченной плазме (для ионосферы в низкотемпературной плазме) можно произвести аналитические решения и численные расчеты инкрементов роста волн различной поляризации, например, геликонов
CT* T . CT , ст* дЛг
Y = -ei Im Л^еj/ec -
4s ( 5ю
(3)
где Лу = к25j - kikj sr
е — собственные вектора задачи Эрмита (Л^е ° = 0); б ц = Ьц + ^^ а у, а у —
ю
тензор проводимости.
С учетом ортогональности собственных векторов [Шафранов, 1983] для геликонов правой поляризации, например, свистов, инкременты могут быть рассчитаны из (3) по формуле
Y++ =- Im Л++/
А
5ю
Re Л+
при операторном виде матричного элемента
2 ikJV± |
-A f (v),
e 2N im
Jn
dv ^ Z
Q
ю - kzvz - nQ
A =
A.
dv i
A
' dv z
- v z
A
' dv l
(4)
(5)
(6)
'1 иуг lJv LJ
где / (у) — функция распределения частиц по скорости, — функции Бесселя первого рода, О = еВ0/тс циклотронная частота, (е, т) — заряд и масса частиц, в данной работе — электронов, с — скорость света, v1, к±, — соответственно составляющие вектора скорости частиц у и волнового вектора к, ортогональные и параллельные силовым линиям внешнего магнитного поля В 0, ю — частота волн, N — плотность плазмы.
Зададим распределение электронов в пространстве скоростей в виде
f(Vb) =
= (2п)-3/2v-¡vib6(v± - v±b)exp
f tt
v z - Ub
v
zb У
(7)
где 4$ — тепловая скорость потока, направленного со скоростью иъ вдоль внешнего магнитного поля; V 1ъ — среднестатистическая скорость для направления, ортогонального магнитному полю В 0; 5 — дельта-функция.
n
Распределение электронов возмущенной фоновой плазмы в пространстве скоростей представим с учетом анизотропии по температуре
/(у) = (2п)-3/2а-1р-2 exp(-V,2/а2 - V!/р2), (8)
где а, р — тепловые скорости для направлений вдоль и поперек относительно внешнего магнитного поля.
Для функций распределения /(у)/(уъ), представленных выше, относительной плотности потока и фоновой плазмы р, компоненты тензора
1т Л+
А
дю
Re Л++ для волн правой поляризации
можно представить в следующем виде 1тЛ++ =
'ю - пОЛ 21 (пО - ю пО
2Г-? пю Ю.
2 2 2 X еХР
2 С ю п > 0
^2 ^ " - 1
к, а
а
2 к,а
V 4О у
- У
(п )
» ( ,2п,2\
в2
т + п + 1
Г( п)
т!
т = О
ш.
4 О2
у
X Г(-т, -п + 1 - т, п, 1) + р Ё—2х (9)
V 2 С2 ю
х У ехр
п>0
ю - пО - кииъ
Ч 2"
У 1,
[ (ю - пО - к,иъ) V±ъ
ю
2
v ,ъ
х * ()+по()-
пкЮ±ъ J 1 (о±ъ ) (О±ь ) 1.
ю
А
да
ж
Ке л++ = —^ +
2 V/
т + п + 1
С С ( , 202\
:У
2п2\
к/Р
п-1
1
т
V
КГ
4^2
Г(й)
¥(—т, —п + 1 - т, п,1) х
^г (х„)'
,_к,а ю
2 О 2
а в
~2 - -к I г '(хя)
юю
к^в: 2л/2 УI 402
;У
' п>0
п-1
х 1 у т + п + 1
Г(п)У
( 1 2г> 2
т=0
т!
402
(10)
х Е(-т, -п + 1 - т, п, 1)
(к,а)
г^ \х„) +
ю
1___1_
2 п 2
а Р ,
2
г ЧХВ) -
юк,а
J___1.
2 п 2
а Р ,
г "(х„)
где хп = (ю- пО)/(кга), г '(хп), г "(хи) — производные плазменной дисперсионной функции
г(х), г(х) = - 2хг(х) - 2; Г(п) = (п - 1)!; Г(-т, -п + 1 - т, п, 1) — гипергеометрическая функция. Тензор Лу имеет достаточно громоздкий вид и здесь не представлен, но он был использован для расчетов собственных частот и инкрементов свободных электромагнитных колебаний, р = Иъ /И0, и параметров Иъ, N — плотности электронного потока и фоновой плазмы соответственно. Для однородной плазмы и потока электронов частота собстве
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.