научная статья по теме ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА РС5 ВОЛН ВО ВНЕШНЕЙ МАГНИТОСФЕРЕ ПО НАБЛЮДЕНИЯМ НА СПУТНИКАХ THEMIS Космические исследования

Текст научной статьи на тему «ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА РС5 ВОЛН ВО ВНЕШНЕЙ МАГНИТОСФЕРЕ ПО НАБЛЮДЕНИЯМ НА СПУТНИКАХ THEMIS»

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.

Показать целиком