КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2012, том 50, № 5, с. 355-365
УДК 523.62.726
ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ СТРУКТУРА ИОННО-ЦИКЛОТРОННЫХ ВОЛН В ВЕРХНЕЙ ИОНОСФЕРЕ ПО НАБЛЮДЕНИЯМ НА СПУТНИКАХ БТ-5
© 2012 г. В. А. Пилипенко1, Т. Л. Полозова2, М. Энгебретсон3
Институт космических исследований РАН, г. Москва 2 Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва 3Центр атмосферной и космической физики, Миннеаполис pilipenko_va@mail.ru Поступила в редакцию 24.11.2010
Представлены результаты наблюдения ионно-циклотронных волн на спутниках 8Т-5 в верхней ионосфере (высоты от нескольких сотен до тысяч км). В этом проекте три идентичных микро-спутника находились на практически одинаковых орбитах с разносом от первых тысяч км до сотен км между ними в течение 3 месяцев в 2006 г. Все зарегистрированные на 2—3 аппаратах ИЦ волновые пакеты наблюдались при пересечении одной и той широты, что свидетельствует об их узкой локализации по широте, с характерным масштабом от первых десятков до 100 км. Ни в одном событии ИЦ волны не были зарегистрированы с сопоставимыми амплитудами всеми 3 аппаратами. В тоже время, для случаев пролета 8Т-5 вблизи наземного индукционного магнитометра, всплеску ИЦ волн в верхней ионосфере соответствовало длительное излучение в том же частотном диапазоне на Земле. Это обстоятельство может свидетельствовать о том, что ИЦ неустойчивость развивается не непрерывно, а в пульсирующем режиме с характерным временем до ~10 мин. Характерной особенностью поляризационной структуры зарегистрированных поперечно-поляризованных волн является изменение направления вращения при пересечении спутником волновой структуры. Обнаруженные эффекты обсуждаются с точки зрения существующих моделей генерации и волноводного распространения ИЦ волн.
ВВЕДЕНИЕ
Согласно существующим представлениям Рс1 пульсации представляют собой пакеты ионно-циклотронных (ИЦ) волн в частотном диапазоне 0.2—5 Гц, которые возбуждаются в результате циклотронной неустойчивости энергичных протонов кольцевого тока с анизотропным распределением по скоростям и распространяются вдоль геомагнитных силовых линий [1]. В качестве аналитической модели распределения примеси быстрых протонов по скоростям обычно используется двух-температурное масквелловское распределение. При положительной анизотропии (Т± > Тп) неустойчивыми будут волны с круговой левой поляризацией (ЬИ) в области нормального до-пплер-эффекта (волны и частицы движутся навстречу друг другу). Инкремент неустойчивости не экспоненциально мал, когда тепловая скорость энергичных протонов и1 много выше альве-новской скорости УА , т.е. при достаточно плотной фоновой плазме. При этом должна преимущественно возбуждаться волна с частотой ю ~ ~ ОНУа/щ), где ^ — протонная гирочастота. Обычно считается, что ИЦ неустойчивость протонов кольцевого тока конвективная, т.е. область неустойчивости в вершине силовой линии работает
как усилитель бегущих альвеновских волн. Сами альвеновские волновые пакеты при этом осциллируют между сопряженными ионосферами и испытывают усиление при каждом прохождении через экваториальную область магнитосферы (модель bouncing wave packet) [2], хотя в последнее время эта модель вызывает все большие сомнения [3]. В многокомпонентной плазме с примесью тяжелых ионов (He+, O+) в той области, где частота пакета равна перекрестной частоте, может происходить инверсия поляризации, и частичное отражение и поглощение волны [4, 5].
Теория генерации ИЦ волн была построена в предположении их квази-продольного распространения, при котором волновой вектор пакета остается паралелльным внешнему магнитному полю B0, т.к. именно такие волны могут эффективно взаимодействовать с резонансными протонами. Однако в реальной неоднородной магнито-сферной плазме это предположение не может выполняться, т.к. поперечная неоднородность среды неизбежно приводит к появлению и быстрому росту поперечной составляющей волнового вектора к±, т.е. измельчению поперечной пространственной структуры пакета. Это нарастание к± выводит волновой пакет из резонанса с энер-
гичными протонами, т.к. ИЦ неустойчивость эффективно усиливает только квази-продольно распространяющиеся волны, для которых к± < к*. Критический поперечный масштаб определяется величиной к* = (<®/Q)kZ, где kZ — продольное волновое число [6]. Обычно в работах по ИЦ неустойчивости плазменных ловушек влияние изменения волнового вектора на усиление волнового пакета не учитывается, хотя по мере распространения пакет должен становиться ква-зи-поперечным и его усиление — невозможным. Только при особых условиях, в области с резким градиентом плазмы (плазмопауза), неоднородности плазмы и магнитного поля могут частично компенсировать друг друга, и режим многократного усиления при прохождении волны через приэкваториальную область магнитосферы становится возможным [7]. В реальной магнитосфере радиальная структура плазмы достаточно изрезана, в результате чего могут образовываться локальные волноводы для ИЦ волн благодаря совместному действию дисперсии волны и немонотонности распределения альвеновской скорости VA поперек B0. Таким образом, вопрос о том — какова же реальная пространственная структура ИЦ волн в магнитосфере, остается открытым.
Одна из принципиальных проблем при изучении пространственной структуры волновых явлений в околоземной плазме связана с невозможностью разделить пространственные и временные вариации при односпутниковых наблюдениях. Наблюдения на геостационарных спутниках дали много информации о морфологии и временной эволюции Рс1 волн в приэкваториальной области магнитосферы [8, 9], но по ним было невозможно определить поперечную пространственную структуру волн. Наземные наблюдения из-за возможности дальнего (до нескольких тысяч км) распространения сигналов Рс1 диапазона в ионосферном МГД волноводе [10, 11] тоже не могут быть использованы для определения поперечной структуры падающих на ионосферу ИЦ волн. Основываясь на косвенных данных, можно было лишь высказать предположения о пространственной структуре ИЦ волн. Так Erlandson et al. [12] предположительно связывали небольшую длительность (~5 мин) зарегистрированных на спутнике Viking в средней магнитосфере волновых Рс1 всплесков с малым масштабом волновой структуры, пересекаемой спутником, которая в проекции на ионосферу составляла 40—150 км. Вызванные рассеянием на ИЦ волнах высыпания энергичных (>30 кэВ) протонов [13] и субавро-ральные полярные сияния [14] имеют ограниченные размеры по широте ДФ ~ 0.5°—1.0° и ДФ ~ 3°, соответственно.
Принципиально новые возможности для разрешения пространственно-временной неопреде-
ленности дал проект ST-5, в ходе которого 3 микро-спутника были выведены на близкие траектории, образовав конфигурацию "жемчужин на нитке", пересекая одну и ту же область пространства с задержкой в ~1—10 мин [15]. Анализ зарегистрированных на нескольких спутниках ST-5 волновых Рс1 пакетов позволил провести разделение пространственной и временной структуры ИЦ волн в верхней ионосфере Земли и показал их узкую локализацию по широте, с характерным масштабом от первых десятков до 100 км [16].
В данной работе мы дополним анализ поперечной структуры Рс1 волн, зарегистрированных на ST-5, рассмотрением поляризационных особенностей волновых структур в верхней ионосфере и сопоставим полученные результаты с существующими представлениями о механизмах возбуждения и волноводного распространения ИЦ волн в земной магнитосфере.
ДАННЫЕ НАБЛЮДЕНИЙ И МЕТОДЫ ИХ АНАЛИЗА
В ходе проекта Science Technology 5 три микроспутника были выведены на почти тождественные орбиты на высотах от 320 км в северном полушарии до 4500 км в южном, и находились на орбите в течение 90 дней, от 26.III.2006 до 30.VI.2006. Первый из микро-спутников (ST155) был разнесен от двух последующих (ST094 и ST224) более чем на 5000 км в начале миссии, но после 16.V.2006 (день 136) этот разнос начал уменьшаться. Поэтому спутники пересекали одну и ту же область пространства с небольшой временной задержкой (от ~1 мин до ~10 мин). Частота опроса магнитометра 16 Гц, которая иногда уменьшалась до 8 Гц из-за переполнения бортовой памяти, была достаточна для регистрации волн герцового диапазона. Амплитуда периодической наводки, вызванной вращением спутников, менялась вдоль орбиты (выше на более низких высотах), поэтому надежно можно было выделить волновые возмущения с амплитудой превышающей ~ 10 нТ В течение этого спутникового эксперимента геомагнитные условия были относительно спокойными, сильных магнитных бурь не было. Поскольку Pc 1—2 волны наблюдаются преимущественно на фазе восстановления магнитных бурь, то частота появления Рс1 пульсаций в период работы ST-5 была относительно невелика.
В этой работе мы использовали список событий, выделенных из данных ST-5 в работе [16]. Для анализа отбирались возмущения диапазона Рс1, наблюдавшиеся на спокойном геомагнитном фоне. Зачастую короткие всплески в герцо-вом диапазоне наблюдались на высоких широтах в областях с большими градиентами геомагнитного поля. По-видимому, они обусловлены нали-
-49 -50 -51 -52
св Н
| -53 э
-54 -55 -56 -57
19.31
18 -17 -16 -15 -14 -13 -12 -11
Долгота
10
Рис. 1. Проекции орбит £Т-5 спутников БТ094, БТ155, БТ224 в плоскости географические широта-долгота в южном полушарии 05.04.2006 (день 095).
Темным цветом отмечены участки орбиты, где регистрировались Рс1 излучения.
чием мелко-масштабных квази-периодических структур в области магнитосферных продольных токов, пересекаемых спутниками, и нами не рассматривались.
Исходные данные спутниковых магнитометров были трансформированы из GSE системы координат в систему координат FAS (field-aligned system), ориентированную по квази-постоянному магнитному полю Bo. Для поляризационного анализа структуры волн использовались несколько взаимно дополняющих методов:
- построение годографа в плоскости Bx-By, ортогональной Bo. Хотя этот метод довольно грубый, он отличается простотой и наглядностью;
- метод аналитического сигнала (АС) [17], при котором для исходного временного ряда xr(t) с удаленным трендом с помощью преобразования Гильберта находи
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.