КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, том 42, № 4, с. 363-367
УДК 550.35
О ВОЗМОЖНОМ ПРОИСХОЖДЕНИИ УЛЬТРАНИЗКОЧАСТОТНЫХ СВИСТОВ
© 2004 г. Б. В. Довбня1, А. С. Потапов2
1 Геофизическая обсерватория "Борок" ОИФЗ им. О.Ю. Шмидта РАН, п. Борок, Ярославской обл. 2 Институт солнечно-земной физики СО РАН, г. Иркутск Поступила в редакцию 23.06.2003 г.
Сонографический анализ записей ультранизкочастотных излучений, зарегистрированных индукционным магнитометром на обс. Мирный (Антарктида) в 1981-1985 годах, выявил наличие особого класса сигналов в частотном диапазоне 0.25-5 Гц, имеющих характерную дисперсию, напоминающую динамические спектры НГР-свистов, наблюдаемых в ОНЧ-диапазоне. ЦЪР-свисты наблюдаются, как правило, в утренние и вечерние часы местного времени при умеренных значениях Кр-индекса (0 < Кр < 4). Анализ частотно-временного поведения наблюдаемых сигналов показывает, что возможной причиной дисперсии может служить канализированное распространение коротких широкополосных импульсов в виде магнитозвуковых волн в слоистой среде, например, в токовом слое магнитосферы. Источниками импульсов могут быть такие спорадические явления на магнитопаузе, как микропе-ресоединения или БТЕ-события.
Волновая диагностика околоземной плазмы достаточно широко использует дискретные диспергированные сигналы для оценки плазменных параметров на пути распространения волн. Классическим примером служит открытие плазмопау-зы Карпентером [1], сделанное им на основе анализа дисперсии свистящих атмосфериков. Другими представителями дискретных сигналов, несущих информацию об источниках и среде распространения, являются "жемчужины" [2], нижнегибридные свисты [3] и, наконец, волноводные сигналы [4]. Последние представляют собой пакеты волн, генерированные импульсным источником и распространяющиеся вдоль оси плазменного волновода, например, плазменного слоя хвоста магнитосферы [4]. Аналогичные сигналы, но более высокой частоты, были обнаружены по наблюдениям на ст. Мирный (Антарктида). Они имеют характерный для свистов узкополосный динамический спектр гиперболической формы. Частота сигнала падает почти на порядок за время 5-10 мин. Частотный диапазон - от долей герца до нескольких герц. Типичные примеры волноводных свистов показаны на рис. 1.
Цель данной работы - описать результаты наблюдений ультранизкочастотных волноводных свистов на ст. Мирный и предложить вариант их интерпретации, отличный от гипотезы "хвостового" происхождения, высказанной в работе [4] для аналогичных сигналов, наблюдавшихся в южной полярной шапке на ст. Восток.
Сначала мы опишем характеристики наблюдавшихся сигналов и приведем необходимую статистику, затем напомним механизм формирования их динамического спектра. После этого, по
результатам обработки сонограмм оценим параметры магнитосферных волноводов, необходимых для формирования наблюдаемых сигналов, и сопоставим их со спутниковыми наблюдениями плазменных структур в удаленных областях магнитосферы. В заключение мы обсудим полученные результаты и сформулируем выводы работы.
Описываемые сигналы были обнаружены при сонографической обработке аналоговых магнитофонных записей, полученных с выхода индукционного магнитометра, работавшего на ст. Мирный в 1981-1985 гг. Географические координаты пункта наблюдения ф = -66.55, X = 93.02, исправленные геомагнитные координаты Ф = -76.93, Л = 122.92, Ь = 19.
На рис. 1 показан типичный пример динамических спектров (сонограмм) сигналов. По горизонтальной оси отложено мировое время, по вертикальной - частота в герцах. Степень почернения
/, Гц 5
5.У1.1982 г.
- » , -у
. I ... >01 1* -
04.35
04.40
ит
Рис. 1. Типичный динамический спектр ультранизкочастотного волноводного свиста.
0
Число событий
16
12
12
18
24 ЬТ
Рис. 2. Распределение вероятности появления волно-водных свистов от местного времени.
соответствует амплитуде сигнала. Характерной особенностью спектра является узкая полоса частот для каждого данного момента времени (мгновенная ширина спектра) 5/ ~ 0.05-0.10 Гц при весьма широком диапазоне изменения частоты всего сигнала - до 5 Гц. Сигнал имеет форму в виде отрезка гиперболы с отрицательным наклоном к оси времени (Э// Э? < 0) и выпуклостью, обращенной вниз (Э2// Э?2 > 0). Одна из асимптот гиперболы параллельна оси времени, другая - оси частот. Иногда перед волноводным сигналом наблюдается импульс в виде вертикальной полосы. Длительность сигналов А? лежит в пределах от 100 с до 10 мин. Нижняя граничная частота /0 может меняться от 0.25 до 0.8 Гц, а характерная ширина полосы А/ , в пределах которой изменяется частота сигнала, составляет 2-4 Гц.
В попытке связать наблюдение изучаемых сигналов с определенными условиями в магнитосфере мы проанализировали суточное распределение зарегистрированных свистов и зависимость частоты их появления от индекса геомагнитной активности Кр. Результаты показаны на рис. 2 и 3. Как видно из рис. 2, вероятность наблюдения сигналов повышается в утренние (06-09) и вечерние (15-18) часы местного времени. Наименее вероятно появление сигналов в ночные (21-06) часы.
Сравнение приведенных на рис. 3 распределений Кр-индекса показывает, что имеется тенденция появления сигналов в более магнитоспокойных условиях по сравнению со средним состоянием: основной пик распределения приходится на Кр = 1.
40 г
30-
8 20-
10
Распределение Кр:
во время событий I | для последующих 3-х часовых интервалов
-,20
-16
-12
-8
-4
0
0 1 2 3 4 5 6 7
Кр
Рис. 3. Распределение значений Кр-индекса (а) для 3-х часовых интервалов, включающих в себя моменты наблюдения волноводных сигналов, (б) для 3-х часовых интервалов, последующих моментам наблюдения сигналов.
В то же время последующие за появлением сигналов интервалы времени соответствуют существенно более возмущенным условиям. Ниже мы обсудим эти результаты.
Число событий 20 г
16
12
-90 -75 -60 -45 -30 -15 0 15 30
Рис. 4. Распределение Д^-индекса в часы, соответствующие наблюдениям волноводных сигналов.
8
4
0
6
8
4
Наконец, на рис. 4 показано распределение Дл-индекса для моментов наблюдения сигналов. Видно, что сигналы появляются в спокойное или умеренно возмущенное время, когда кольцевой ток практически отсутствует.
В работе [4] были рассмотрены различные механизмы образования дисперсии дискретных ультранизкочастотных сигналов в диапазоне частот ю < , где = е,Б/т;с - гирочастота ионов, в, и т, - соответственно их заряд и масса, Б - внешнее магнитное поле, с - скорость света. Предполагается, что частотно-временная форма сигнала полностью объясняется дисперсией, т.е., источник излучает короткий импульс гидромагнитных волн в широком интервале частот. Тогда в холодной магнитоактивной плазме возможны три дисперсионных механизма, приводящих к расплыва-нию импульса при распространении его в плазме: гирочастотная дисперсия ионно-циклотронных волн, гирочастотная дисперсия магнитозвуковых волн, которой, однако, можно пренебречь в рассматриваемом диапазоне, и наконец, волноводная дисперсия магнитозвуковых волн, обусловленная периодическим отражением сигнала от стенок плазменного волновода, вдоль оси которого распространяются волны. Волновод при этом имеет свою фундаментальную частоту /*, или, по-другому, частоту отсечки. Сигнал может распадаться на отдельные волноводные моды с нижними граничными частотами /п = п/* (п - целое число), но чем выше п, тем сильнее затухание моды.
Из трех перечисленных видов дисперсии только волноводная дисперсия приводит к формированию динамических спектров, похожих на те, которые были обнаружены на ст. Мирный. Поэтому в дальнейшем мы ограничимся именно этим механизмом.
Околоземная плазма, удерживаемая магнитным полем, по природе своей слоиста, поэтому в магнитосфере очень много различных слоев (плазменный слой хвоста, пограничный слой, слоистая ионосфера и т.д.), которые могут играть роль волноводов.
Для анализа частотно-временной формы сигнала удобнее всего использовать выражение частотной зависимости времени группового запаздывания
1 г
/) = С ] Пгр^'
(1)
(I)
где т - время группового запаздывания, / - мгновенное значение частоты, пгр - групповой показатель преломления, - элемент траектории сигнала. Для волновода
где сА = Б/л/4пр - альвеновская скорость, р -плотность плазмы. Для того чтобы формула (2) была справедлива, необходимо выполнение определенных условий [4]. В частности, предполагается однородность свойств волновода вдоль его оси. Однако, если характерный масштаб неоднородности намного превышает длину волны распространяющихся в нем волн, качественная картина не будет сильно искажена.
В работе [4] показано, что для анализа волно-водных сигналов весьма полезным оказывается измерение площади 5 между сигналом и его асимптотами. Можно показать, что эта площадь определяется только геометрическими параметрами волновода:
Ь
5 =
2М'
где М - поперечный, а Ь - продольный размер волновода, на котором накапливается наблюдаемая дисперсия. По наблюдениям, для описываемых волноводных свистов площадь 5 меняется от 140 до 280 Гцс. Полезны также следующие соотношения и характерные значения измеряемых величин. Поскольку /* = сА/2М, время пробега волны
поперек волновода равно М = 1
СА 2 / *
с интервалом изменения от 0.6 до 2 с. Время пробега импульса вдоль оси волновода
Ь
С А
/п'
гр
= с/са7 1- / п1 / 2>
(2)
меняется в пределах от 3 до 16 мин, что вполне согласуется с наблюдаемой длительностью сигналов, если учесть, что часть диспергированного сигнала поглощается на пути своего распространения.
Теперь, используя приведенные выше оценки, нетрудно сформулировать требования к параметрам плазменных волноводов, в которых могли бы сформироваться наблюдаемые сигналы.
1. Продольная длина волновода должна превышать его поперечные размеры в 140-280 раз.
2. Время пробега волны поперек волновода (от стенки к стенке) должно составлять от 0.6 до 2 с.
3. Время пробега сигнала вдоль волновода должно составлять от 3 до 16 мин.
Попытаемся теперь определить, какие из существующих в магнитосфере Земли плазменных волноводов отвечают перечисленным требованиям и могут тем самым
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.