ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2009, том 49, № 2, с. 224-233
УДК 533.951
ПЛАЗМЕННЫЕ НЕОДНОРОДНОСТИ В ВЕРХНЕЙ ИОНОСФЕРЕ В ОБЛАСТИ ГЕОМАГНИТНОГО ЭКВАТОРА И ВОЛНОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
ПО ДАННЫМ СПУТНИКА АПЭКС
© 2009 г. Н. И. Ижовкина1, И. С. Прутенский1, С. А. Пулинец1, Н. С. Ерохин2, Л. А. Михайловская2, З. Клос3, Х. Роткель3
Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН, г. Троицк (Московская обл.) 2Институт космических исследований РАН, г. Москва 3Space Research Center, CBKPAN, Bartycka,18a, 00-716, Warsaw Poland Поступила в редакцию 24.04.2008 г.
Представлены данные измерений широкополосного волнового излучения в верхней ионосфере в области геомагнитного экватора (спутниковый эксперимент АПЭКС). Наблюдалась область неустойчивой плазмы повышенной плотности в верхней ночной ионосфере. Она могла образоваться при нагреве ионосферы снизу. Зарегистрировано асимметричное распределение ширины частотной полосы и интенсивности электростатического излучения относительно геомагнитного экватора. Показано, что существенное влияние геомагнитного экватора на диффузию плазмы из области нагрева могло быть связано с генерацией, распространением и затуханием электростатических колебаний и крупномасштабных в сравнении с ларморовским радиусом ионов плазменных вихрей. Возможен рост анизотропии по температуре электронного компонента плазмы в областях затухания поперечного электрического поля возмущений. Интенсивность электромагнитного излучения от внешних источников, по-видимому, искусственного происхождения на частотах выше локальной плазменной падает в области повышенной плотности плазмы до уровня порога обнаружения излучения.
PACS: 94.20.wf, 94.20.dt
1. ВВЕДЕНИЕ
Влияние источников возмущений в Земле, атмосфере и нижней ионосфере на /-слой ионосферы и верхнюю ионосферу можно выявить, исследуя неустойчивости ионосферной плазмы. В этой работе представлены данные измерений спектров волнового излучения электронного компонента плазмы на ночной стороне в экваториальной верхней ионосфере, позволяющие предположить, что распределение плазмы в ионосфере зависит от формирования неоднородных самосогласованных плазменных структур и их динамики. Образование неоднородных плазменных структур, распространение электромагнитных и электростатических возмущений в таких структурах представляют интерес для физики плазмы и геофизики [Абурджаниа, 2006; Моисеев и др., 1982, 1983; Незлин и Черников 1995; Наег-епёе1, 1973; Оёа1еу1ск е! а1., 1998; Ерохин и Михайловская, 2004; Ерохин и Шалимов, 2004; Ижовкина и др., 1996, 1999, 2001, 2004, 2006].
Спектры электростатического излучения электронного компонента ионосферной плазмы, измеренные в экспериментах на спутниках Ин-теркосмос-19 [Ижовкина и др., 1996] и АПЭКС
[Ораевский и др., 1992; Ижовкина и др., 1996, 1999, 2001, 2004, 2006], зависят от геофизических условий. Эта зависимость проявляется, например, в неоднородном геомагнитном поле [Ижовкина и др., 2004] и на терминаторе день—ночь [Ижовкина и др., 2006]. Данные измерений можно использовать для исследований электродинамических параметров плазменных неоднородностей с размерами I > гш, где гт — ларморовский радиус ионов. В этой работе представлены данные измерений широкополосного волнового излучения в ночной верхней ионосфере в области геомагнитного экватора (спутниковый эксперимент АПЭКС). Показано, что: 1) наблюдавшееся образование области неустойчивой плазмы повышенной плотности в верхней ионосфере могло быть связано с нагревом ионосферы снизу, например, пакетами атмосферных волн, излучаемых мощными атмосферными вихревыми структурами,
2) асимметричное распределение плотности плазмы относительно геомагнитного экватора вдоль траектории спутника может быть следствием затухания электростатических колебаний и плазменных вихрей в неоднородном геомагнитном поле,
3) в неоднородной плазменной структуре в верхней экваториальной ионосфере наблюдалось без-
отражательное рассеяние электромагнитных волн на частотах выше локальной плазменной Ерохин и Михайловская, 2004]. Немонотонное распределение плотности плазмы может образоваться при распространении и затухании в плазме с неоднородным геомагнитным полем самосогласованных неоднородных плазменных структур с вращающимся электрическим полем — плазменных вихрей с размерами, превышающими ларморовский радиус ионов [Абурджаниа, 2006; Моисеев и др., 1982, 1983; Незлин и Черников, 1995]. Затухание электростатических колебаний электронного компонента плазмы в плазменных ямках (областях пониженной плазменной плотности) могло привести к росту градиента плотности плазмы и способствовать возбуждению плазменных вихрей. Крупномасштабные неоднородности неустойчивой ионосферной плазмы могут быть связаны с атмосферными возмущениями при возможном усилении атмосферных волн на ветровых разрывах [Оёа1еу1еЬ й а1., 1998]. При рассмотрении динамики плазменных вихрей в верхней ионосфере следует учитывать, что геомагнитное поле Земли не дипольное. Возможно влияние геомагнитных аномалий, например, Южно-Атлантической геомагнитной аномалии. В данных измерений спектров волнового излучения плазмы верхней ионосферы проявляется затухание плазменных вихрей и электростатических колебаний, распространяющихся поперек геомагнитных силовых линий и пересекающих геомагнитную экваториальную поверхность. В точках пересечения геомагнитных силовых линий с геомагнитной экваториальной поверхностью напряженность геомагнитного поля для заданной силовой линии минимальна.
В этой работе представлены результаты исследований данных измерений широкополосного волнового излучения на спутнике АПЭКС.
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 и перигеем ~440 км. Спутник имел 3-осную стабилизацию.
Волновые измерения на борту спутника проводились плазменным радиоспектрометром (ПРС-3), который представлял собой приемник с чувствительностью по входному сигналу 0.5 мкВ и шаговой перестройкой по частоте в диапазоне частот 0.1—10 МГц. Шаг частотной перестройки составлял 25/50/100 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 рис. 1 приведен динамический спектр излучения плазмы для прохождения спутником области экватора 20.05.1992 г. (виток 1829) в долготном интервале 150°—170°'ЭД Сплошными светлыми линиями на рисунке отмечены первые три гармоники циклотронной частоты электронов. Измерения проводились в слабо возмущенных геомагнитных условиях: Кр ~ 2+, ЕКр = 16, Бег ~ 23 нТл. В 15:03 ЦГ спутник пересек терминатор освещенности ионосферы день—ночь. На рисунке плазменная частота приблизительно соответствует частоте обрезания спектра излучения. Плазменная и верхнегибридная частоты отличаются на десятые доли величины частоты для рассматриваемого участка траектории спутника. В области геомагнитного экватора наблюдается сокращение сверху спектра собственных частот электростатических колебаний электронного компонента плазмы. Это соответствует образованию крупномасштабной ямки плазменной плотности.
3. ВЛИЯНИЕ НЕОДНОРОДНОГО ГЕОМАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ДИНАМИКУ
ПЛАЗМЕННЫХ ВИХРЕЙ И ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ В ИОНОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЕ
Электрическое поле плазменного вихря представим формулой:
Е = 1п (п/п0 XV Т)/е + ( Т/е )У 1п п, (1)
скорость вращения частиц плазмы в скрещенных полях, электрическом поле вихря и внешнем магнитном поле, соответственно, равна:
V = [с/(еБ2)] X X {1п(п/п0XVТX В] + Т^ 1пп X В]},
(2)
если можно предположить, что для самосогласованного плазменного вихря плотность плазмы, температура электронного компонента и потенциал вращающегося электрического поля связаны распределением Больцмана [Незлин и Черников, 1995]. Предположим, что плотность плазмы однородна в отсутствие электрического поля, удерживающего плазменную неоднородность — вихрь. Плотность энергии Ж1 вихря составляет
Щ = ( 8 п е2 )-1 {1п (п / п0 ^ Т + IV 1п (п )}2,
(3)
где распределение плотности в плазменной вихревой структуре задано в виде п = п0ехр(еФ/Т(у)), Т — температура электронного компонента, п0 — плотность однородной плазмы вне вихревой структуры. Предполагается, что плотность и температура спадают по радиусу и не зависят от азимутального угла. Вне области плазменной неод-
МГц 10
9
8 Н 255 7
I 6Н
54
321-
0
UT 145503
MLT 23.64
IMAG 76.69
LAT 66.73
ALT 1370.58
250 200 150 100 50
0
250 200 150 100 50
0
10 МГц
10 МГц
Рис. 1. Динамический спектр интенсивности волнового излучения (относительные единицы) в экваториальной области 20 мая 1992 г. в зависимости от мирового времени UT, магнитного локального времени MLT, магнитного наклонения I MAG, широты LAT и высоты ALT для частотного диапазона 0.1—10 МГц. Белыми сплошными линиями на рисунке представлены расчетные значения гармоник гирочастоты электронов вдоль траектории движения спутника. Буквами а, б указаны моменты времени, для которых представлены индивидуальные спектры на панелях а, б.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
2
3
4
5
6
7
8
9
нородности потенциал Ф вращающегося электрического поля равен нулю. В используемой системе координат ось z направлена вдоль геомагнитного поля.
Скорость частиц плазмы (2) в вихревой структуре при изменении направления геомагнитного поля B на (—B) должна изменить знак. Это связано с ускорением частиц, но геомагнитное поле
работы не совершает. Электрическое поле (1) связано непосредственно с самосогласованным вращением вихревой структуры, а не с каким-либо внешним источником. При указанных изменениях направления геомагнитного поля на пути движения вихря может включиться эффект катапульты (пращи). При этом движение частиц по инерции приведет к нарушению самосогласованного
вращения вихревой структуры. При затухании электрического поля вихря может наблюдаться поляризационный дрейф заряженных ч
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.