КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2013, том 51, № 3, с. 179-190
УДК 550.385.37
ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА РС5 ВОЛН ВО ВНЕШНЕЙ МАГНИТОСФЕРЕ ПО НАБЛЮДЕНИЯМ НА СПУТНИКАХ THEMIS
© 2013 г. К. А. Меликян1, 2, В. А. Пилипенко1, 3, О. В. Козырева1, 3
Институт физики Земли РАН, г. Москва 2 Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", г.Москва 3Институт космических исследований РАН, г. Москва pilipenko_va@mail.ru Поступила в редакцию 20.07.2011 г.
Проанализированы колебания диапазона Рс5, зарегистрированные во внешней области вечерней магнитосферы на 5 спутниках THEMIS, когда все аппараты двигались с небольшим разносом по одной орбите. Определены градиенты пространственной структуры колебаний и потоков энергичных протонов. Наблюдаемые фазовые сдвиги поля колебаний между аппаратами предположительно вызваны их распространением в солнечном (западном) направлении с азимутальными волновыми числами m ~ 30—60. По данным детекторов частиц определена неравновесность распределения протонов: немонотонность распределения по энергии и резкая пространственная неоднородность. Рассчитанные параметры плазмы и колебаний не согласуются с предположением о дрейфово-зер-кальной неустойчивости как источнике колебаний. Полная теория этих волн должна включать эффекты конечного ларморовского радиуса и одновременное наличие двух типов неравновесности плазмы.
DOI: 10.7868/S0023420613030060
1. ВВЕДЕНИЕ
Магнитосфера Земли представляет собой гигантский естественный резонатор, колебания которого поддерживаются его непрерывным взаимодействием с потоком солнечного ветра. Наличие такого природного магнитогидродинамического (МГД) резонатора приводит к формированию узкополосных ультранизкочастотных (УНЧ или ULF) сигналов c периодами от десятков сек до десятка мин в околоземной среде. Фундаментальная мода магнитосферного резонатора имеет частоты порядка первых мГц (диапазон Рс5 по геофизической классификации) и является одним из наиболее мощных природных электромагнитных волновых процессов. В этом частотном диапазоне наблюдаются волновые явления, возбуждаемые разными физическими механизмами [1]. Неравновесность околоземной среды, приводящая к самовозбуждению колебаний, может формироваться двояким образом: либо в результате обтекания магнитосферных флангов высокоскоростным потоком плазмы солнечного ветра, либо вследствие инжекции энергичных частиц в магнитосферу.
В первом случае МГД колебания границы магнитосферы возбуждаются за счет неустойчивости Кельвина—Гельмгольца сдвигового течения плазмы солнечного ветра. Затем МГД возмущения из
внешних областей в процессе распространения вглубь магнитосферы трансформируются в альве-новские колебания силовых линий. Наиболее заметно процесс трансформации колебаний проявляется на геомагнитной широте Ф, где частота внешнего источника совпадает с локальной частотой магнитосферного альвеновского резонатора, образуемого силовыми линиями геомагнитного поля и ограниченного сопряженными ионосферами. Такой механизм распространения и трансформации колебаний эффективен для крупномасштабных в азимутальном направлении альвеновских волн (т.н. тороидальная мода, в которой силовые линии осциллируют преимущественно в азимутальном направлении), т.е. возмущений с малыми азимутальными волновыми числами т ~ 1—3. Крупномасштабные тороидальные альвеновские колебания проникают до поверхности Земли, где регистрируются наземными магнитометрами.
Во втором случае неравновесные распределения энергичных частиц в магнитосфере, подобно инверсной заселенности в мазере, могут стимулировать возбуждение узкополосных Рс5 колебаний [2]. Колебания этого типа имеют большие азимутальные волновые числа т > 1, полоидальную поляризацию (силовые линии колеблются в меридиональном направлении), и в значительной степени экранируются ионосферой от наземных
магнитометров. Мелкомасштабные полоидаль-ные колебания, названные буревыми (storm-time) Рс5 пульсациями, возбуждаются протонами кольцевого тока в вечернем секторе магнитосферы и являются неотъемлемым элементом восстановительной фазы магнитной бури [3].
В то время как наблюдаемая наземными магнитометрами и ионосферными радарами пространственная структура тороидальных Рс5 колебаний хорошо изучена и адекватно описывается резонансной теорией [4], то для полоидальных колебаний радиальная пространственная структура известна плохо из-за невозможности наблюдать их на наземных сетях магнитометров. Поэтому существующие представления о такой структуре ограничиваются теоретическими моделями [5].
Низкочастотные колебания могут самопроизвольно возбуждаться в результате двух типов неравновесности горячей компоненты плазмы: 1) резкой неоднородности плотности энергичных частиц (дрейфовая неустойчивость), развивающейся, когда частота собственных колебаний становится ниже ларморовской частоты плазмы ю < < ю* = (m/LRE)u(p/a), где р и u — ларморовский
радиус и тепловая скорость частиц, a — характерный масштаб неоднородности горячей плазмы. К настоящему времени существует развитая теория дрейфовых неустойчивостей, возбуждающих волны с большими азимутальными волновыми числами в неоднородной горячей плазме [6]; 2) дисперсии дрейфа инжектированных в магнитосферу частиц по энергии E, их функция распределения F(E) приобретает немонотонный характер (bump-on-tail), т.е. возникает интервал энергий, где dF(E)/dE > 0. Такое распределение тоже может быть источником свободной энергии для самопроизвольной раскачки колебаний [7]. Например, полоидальные Рс5 колебания, зарегистрированные ионосферным радаром [8], сопровождались появлением в магнитосфере немонотонного распределения протонов с пиком на Е ~ 10 кэВ. Хотя для отдельных событий удалось выявить механизм возбуждения полоидальных Рс5 колебаний, какой из механизмов является преобладающим в различных магнитосферных условиях, так и не выяснено.
Характерные частоты разных типов Рс5 колебаний определяются, в основном, глобальными параметрами магнитосферного альвеновского резонатора и примерно одинаковы, но различие в механизмах их возбуждения должно проявляться в различии между поперечной структурой, поляризацией и азимутальной скоростью. Многоспутниковый проект THEMIS оказался хорошим инструментом для изучения УНЧ волн и для тестирования существующих моделей распространения и трансформации МГД колебаний в околоземной среде. В начальной фазе проекта в 2007 г. орбиты
THEMIS соответствовали конфигурации "жемчужин на нитке". Такую конфигурацию можно использовать для измерения градиентов магнито-сферных электромагнитных полей и потоков частиц. Эти возможности были использованы в [9] для определения фазовых скоростей буревых Рс5 пульсаций. Используя метод минимальной вариации и кросс-корреляционный анализ, было обнаружено, что буревые Рс5 пульсации в вечернем секторе в области от 8 RE до магнитопаузы распространяются в среднем в солнечном (западном) направлении со скоростями вдоль орбиты ~30 км/с. Из анализа свойств зарегистрированных колебаний авторы сделали вывод, что колебания возбуждаются в результате дрейфово-зер-кальной неустойчивости.
В данной работе мы детально рассмотрим пространственную амплитудно-фазовую структуру Рс5 колебаний во внешней магнитосфере по данным THEMIS, используя иную технику анализа. В результате сопоставления градиентов поля и потоков частиц со свойствами колебаний мы пришли к другому выводу о механизме их возбуждения.
2. ДАННЫЕ ПРОЕКТА THEMIS
THEMIS — космический проект, ориентированный на решение проблемы механизма суббури, состоит из 5 зондов (А—Е). Каждый зонд оснащен идентичной аппаратурой для регистрации с высоким разрешением вариаций магнитного поля, потоков частиц различных энергий, электрического поля, и электромагнитных излучений разных диапазонов. Этот уникальный по объему наблюдений эксперимент дает возможность исследовать не только специфические проблемы, относящиеся к механизмам суббури, но и широкий круг других явлений в околоземной плазме. Нами использовались данные следующих экспериментов:
— магнитометра(FGM), который позволяет измерять магнитное поле с точностью до 0.01 нТл и дискретизацией около 3.4 с;
— детектора частиц низких энергий ESA(1 эВ— 25 кэВ) и детектора частиц высоких энергий SST (25 кэВ—6 МэВ).
Нами анализировались спутниковые данные в начальной фазе проекта THEMIS в 2007 г., когда орбиты соответствовали конфигурации "жемчужин на нитке". Такая конфигурация существовала в течение ограниченного времени на начальной стадии проекта, когда некоторые из экспериментов, (например, измерения электрического поля EFI)еще не вышли на рабочий режим.
600
550
о
^ 500
450
400
350
25
3 - 20
о 15
' 10
5
4
2
£ 0
я
а . -2
-4
-6
31.Ш 1.^ 2.ГУ 3.IV 4.IV 5.IV 6.IV
Рис. 1. Параметры космической погоды в период магнитной бури 31.III.2007 (день 91)—6.!У2007 (день 96). Момент появления исследуемых колебаний отмечен темным прямоугольником.
3. СОБЫТИЕ 5.^.2007
Рассмотрим данные наблюдений УНЧ волн за период 00.00-12.00 иТ 5ЛУ2007 (день 95), соответствующий восстановительной фазе умеренной магнитной бури. Магнитная буря началась 1.]У.2007, в основной ее фазе Б,,, индекс достигал -70 нТл, а авроральный АЕ индекс ~900 нТл (рис. 1). Скорость солнечного ветра постепенно нарастала и к 02.04 достигла ~650 км/с. К 5.!У космическая погода стала более спокойной: |Б,,| не превышал ~20нТл, АЕ ~ 200 нТл, при этом плотность солнечного ветра флуктуировала от 2 до 3.5 см-3, его скорость медленно падала от 450 до 410 км/с, а компонента В. межпланетного магнитного поля
флуктуировала около нулевых значений. Несмотря на свою умеренную величину, эта буря привела к значительному увеличению потока релятивист-ких (Е > 2 МэВ) электронов на геостационарной орбите: по данным ООЕБ-12 потоки возросли на 3 порядка.
В рассматриваемый период все зонды двигались по нисходящей траектории вблизи экваториальной плоскости магнитосферы около вечернего меридиана в следующем порядке: С, затем тройка близких аппаратов Б—В—А, и затем Е (рис. 2). Для тройки Б—В—А разнос по Е-координате составил АЕ ~ 0.2-0.3, а по геомагнитной долготе АЛ ~ 1-
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.