Про структуру азимутальних дрібномасштабних УНЧ-коливань гарячої космічної плазми у кривому магнітному полі. Моди з дискретним спектром

1Черемних, ОК, 2Клімушкін, ДЮ, 2Магер, ПН
1Інститут космічних досліджень НАН України та ДКА України, Київ, Україна
2Інститут сонячно-земної фізики, Іркутськ, Росія
Рубрика: Космічна фізика
Мова: російська
Анотація: 

Розглядається модель одновимірно-неоднорідної циліндричної плазми з магнітним полем, силові лінії якого є концентричними колами, а рівноважні параметри магнітного поля і середовища змінюються упоперек магнітних оболонок. В рамках цієї моделі показана можливість існування альвенівських мод з дискретним спектром. Необхідною умовою для виникнення таких мод є наявність резонаторів упоперек магнітних оболонок, які можуть реалізуватися в області кільцевого струму чи поблизу зовнішнього пруга плазмопаузи. Досліджено характерні особливості реалізації мод з дискретним спектром. Отримані результати порівнюються з даними супутникових спостережень. Зроблено висновок, що значна частина полоїдально поляризованих пульсацій у магнітосфері Землі — це коливання з дискретним спектром. Показано, що запропонована модель, за межами якої залишилось багато неврахованих властивостей магнітосфери, дозволяє пояснити основні спостережувані особливості генерування азимутальних дрібномасштабних УНЧ-коливань в навколоземній плазмі. Отримані результати можна використовувати для інтерпретації даних вимірювань з космічних апаратів і радарів SuperDARN.

Ключові слова: альвенівські моди, гаряча космічна плазма, дискретний спектр, магнітне поле
References: 

1. Агапитов А. В., Парновский А. С., Черемных О. К. Спектр поперечно-мелкомасштабных возмущений во внутренней магнитосфере Земли // Кинематика и физика небес. тел.—2006.—22, № 6.—С. 387—401.
2. Агапитов А. В., Черемных О. К. Поляризация резонансных УНЧ-возмущений в магнитосфере Земли // Кинематика и физика небес. тел.—2011.—27, № 3.— С. 17—27.
3. Бурдо О. С., Черемных О. К., Верхоглядова О. П. Изучение баллонных мод во внутренней магнитосфере Земли // Изв. АН. Сер. физ.—2000.—64.—С. 1896— 1900.
4. Гульельми А. В., Поляков А. Р. О дискретности спектра альвеновских колебаний // Геомагнетизм и аэрономия.—1983.—23, № 2.—С. 341—343.
5. Клейменова Н. Г., Афанасьева Л. Т., Козырева О. В. и др. Гигантские пульсации Pg на широтном профиле обсерваторий // Геомагнетизм и аэрономия.—1990.— 30, № 4.—С. 579—583.
6. Климушкин Д. Ю. Пространственная структура азимутально-мелкомасштабных гидромагнитных волн в аксиально-симметричной магнитосфере с конечным давлением плазмы // Физ. плазмы.—1997.—23, № 10.—С. 931—944.
7. Леонович А. С., Мазур В. А., Сенаторов В. Н. Альфвеновский волновод // Журн. эксперим. и теор. физ.—1983.—85, № 1 (7).—С.141—145.
8. Магер П. Н., Климушкин Д. Ю. Генерация альвеновских волн движущейся неоднородностью плазмы в магнитосфере // Физ. плазмы.—2007.—33, № 5.— С. 435—442.
9. Мазур Н. Г., Федоров Е. Н., Пилипенко В. А. Дисперсионное соотношение для баллонных мод и условие их устойчивости в околоземной плазме // Геомагнетизм и аэрономия.—2012.—52, № 5.—С. 639—648.
10. Потапов А. С., Цэгмед Б., Рыжакова Л. В. Связь потоков релятивистских электронов на геостационарной орбите с уровнем УНЧ активности на поверхности Земли и в солнечном ветре в 23-м цикле // Космич. исслед.—2012.—50.— С. 130—146.
11. Черемных О. К., Данилова В. В. Поперечно-мелкомасштабные МГД-возмущения в космической плазме с магнитными поверхностями // Кинематика и физика небес. тел.—2011.—27, № 2.—С. 63—79.
12. Черемных О. К., Климушкин Д. Ю., Костарев Д. В. О структуре азимутально-мелкомасштабных УНЧ-колебаний горячей космической плазмы в кривом магнитном поле. Моды с непрерывным спектром // Кинематика и физика небес. тел.—2014.—30, № 5.—С. 3—21.
13. Agapitov A. V., Cheremnykh O. K. Natural oscillations of the Earth magnetosphere associated with solar wind sudden impulses // Ukr. Phys. J.—2008.— 53, N 5.— P. 506—510.
14. Agapitov A. V., Cheremnykh O. K. Magneto spheric ULF waves driven by exlernal sources // Adv. Astron. Space Phys.—2013.—3.—P. 12—19.
15. Andrushchenko Zh. N., Cheremnykh O. K., Edenstrasser J. W. Global Alfven eigen-modes in a stellarator with trapped energetic particles // Phys. Plasmas.—1999.— 6.—P. 2462—2471.—DOI:10.1063/1.873518.
16. Appert K., Gruber R., Troyon F., Vaclavik J. Excitation of global eigenmodes of the Alfven-wave in tokamaks // Plasma Phys. and Control. Fusion.—1982.—24, N 9.— P. 1147—1159.—D0I:10.1088/0032-1028/24/9/010.
17. Cheremnykh O. K. Transversally small-scale perturbations in arbitrary plasma configurations with magnetic surfaces // Plasma Phys. Contr. Fusion.—2010.—52, N 9.— 095006.—D0I:10.1088/0741-3335/52/9/095006.
18. Cheremnykh O. K., Parnowski A. S. Flute and ballooning modes in the inner magnetosphere of the Earth: Stability and influence of the ionospheric conductivity // Space Science: New Research / Ed. by N. S. Maravell. — New York: Nova Science Pub-lishers, 2006.—P. 71—108.
19. Cheremnykh O. K., Parnowski A. S. Influence of ionospheric conductivity on the ballooning modes in the inner magnetosphere of the Earth // Adv. Space Res.—2006.— 37, N 3.—P. 599—603.—D0I:10.1016/j.asr.2005.01.073.
20. Cheremnykh O. K., Revenchuk S. M. Dispersion relations for the Suydam problem // Plasma Phys. and Contr. Fusion.—1992.—34, N 1.—P. 55—75.—D0I:10.1088/ 0741-3335/34/1/004.
21. Cheremnykh O. K., Revenchuk S. M., Omel’chenko A. Ya., Burdo O. S. Theory of quasi-flute modes in toroidal plasma configurations // Phys. scr.—1995.—51.—P. 263— 276.—D0I:10.1088/0031-8949/51/2/016.
22. Chi P. J., Le G. 0bservations of magnetospheric high-m poloidal waves by ST-5 satellites in low Earth orbit during geomagnetically quiet times // J. Geophys. Res.— 2015.—120.—P. 4776-4783.—D0I:10.1002/2015JA021145.
23. Chisham G., Mann I. R., Orr D. A statistical study of giant pulsation latitudinal polarization and amplitude variation // J. Geophys. Res.—1997.—102.—P. 9619—9630. —D0I:10.1029/97JA00325.
24. Chisham G., OrrD., Yeoman T. K. 0bservations of a giant pulsation across an extended array of ground magnetometers and on auroral radar // Planet. Space Sci.—1992.— 40.—P. 953—964.—D0I:10.1016/0032-0633(92)90135-B.
25. Cramm R., Glassmeier K.-H., Othmer C., et al. A case study of a radially polarized Pc4 event observed by the Equator-S satellite // Ann. Geophys.—2000.—18.—P. 411— 415.—D0I:10.1007/s00585-000-0411-5.
26. Dai L., Takahashi K., LysakR., et al. Storm time occurrence and spatial distribution of Pc4 poloidal ULF waves in the inner magnetosphere: A Van Allen Probes statistical study // J. Geophys. Res.—2015.—120.—P. 4748—4762.—D01:10.1002/ 2015JA021134.
27. Denton R. E., Lessard M. R., Kistler L. M. Radial localization of magnetospheric guided poloidal Pc 4-5 waves // J. Geophys. Res.—2003.—108(A3).—P. SMP 4-1, CiteID 1105.—D0I:10.1029/2002JA009679.
28. Denton R. E., Vetoulis G. Global poloidal mode // J. Geophys. Res.—1998.—103.—P. 6729—6739.—D0I:10.1029/97JA03594.
29. Dmitrienko I. S. Evolution of FMS and Alfven waves produced by the initial disturbance in the FMS waveguide // J. Plasma Phys.—2013.—79.—P. 7—17.—D0I: 10.1017/S0022377812000608.
30. Dmitrienko I. S., Mazur V. A. The spatial structure of quasicircular Alfven modes of waveguide at the plasmapause: inierpreiaiion of Pc1 pul i ations // Planet. Space Sci.—1992.—40.—P. 139—148.—D0I:10.1016/0032-0633(92)90156-I.
31. Engebretson M. J., Murr D. L., Erickson K. N., et al. The spatial extent of radial magnetic pulsation events observed in the dayside near synchronous orbit // J. Geophys. Res.—1992.—97A, N 9.—P. 13741—13758.—DOI:10.1029/92JA00992.
32. Fenrich F. R., Samson J. C. Growth and decay of field line resonances // J. Geophys.Res.—1997.—102A, N 9.—P. 20031—20040.—D0I:10.1029/97JA01376.
33. Fenrich F. R., Samson J. C., Sofko G., et al. ULF high- and low- m field line resonances observed with the Super Dual Auroral Radar Network // J. Geophys. Res.—1995.— 100A, N 11.—P. 21535—21548.—D0I:10.1029/95JA02024.
34. Glassmeier K.-H. Magnetometer array observations of a giant pulsation event// J. Geophys.—1980.—48.—P. 127—138.
35. Green C. A. Observations of Pg pulsations in the Northern auroral zone and at lower latitude conj ugate regions // Planet. Space Sci.—1979.—27.—P. 63—77.—DOI: 10.1016/0032-0633(79)90148-X.
36. Hughes W. J., McPherron R. L., Russell C. T. Multiple satellite observations of pulsation resonance structure in the magnetosphere // J. Geophys. Res.—1977.—82, N 4.— P. 492—498.—D0I:10.1029/JA082i004p00492.
37. Klimushkin D. Yu. Resonators for hydromagnetic waves in the magnetosphere // J.Geophys. Res.—1998.—103.—P. 2369—2375.—D0I: 10.1029/97JA02193.
38. Klimushkin D. Yu. Spatial structure and dispersion of drift mirror waves coupled with
Alfven waves in a 1-D inhomogeneous plasma // Ann. Geophys.—2006.—24.— P. 2291—2297.—D0I:10.5194/angeo-24-2291-2006.
39. Klimushkin D. Yu., Chen L. Eigenmode stability analysis of drift-mirror modes in nonuniform plasmas // Ann. Geophys.—2006.—24.—P. 2435—2439.—D0I:10.5194/ angeo-24-2435-2006.
40. Klimushkin D. Yu., Mager P. N. Spatial structure and stability of coupled Alfven and drift compressional modes in non-uniform magnetosphere: Gyrokinetic treatment // Planet. Space Sci.—2011.—59.—P. 1613—1620.—D0I:10.5194/angeo-24-2291- 2006.
41. Klimushkin D. Yu., Mager P. N. The Alfven mode gyrokinetic equation in finite-pressure magnetospheric plasma // J. Geophys. Res.—2015.—120.—P. 4465—4474.— D0I:10.1002/2015JA021045.
42. Klimushkin D. Yu., Mager P. N., Glassmeier K.-H. Toroidal and poloidal Alfven waves with arbitrary azimuthal wave numbers in a finite pressure plasma in the Earth’s magnetosphere // Ann. Geophys.—2004.—22.—P. 267—288.—D0I: 10.5194/angeo- 22-267-2004.
43. Klimushkin D. Yu., Mager P. N., Glassmeier K.-H. Spatio-temporal structure of Alfven waves excited by a sudden impulse localized on an L-shell // Ann. Geophys.— 2012.—30.—P. 1099—1106.—D0I:10.5194/angeo-30-1099-2012.
44. Kozlov D. A., Mazur N. G., Pilipenko V. A., Fedorov E. N. Dispersion equation for ballooning modes in two-component plasma // J. Plasma Phys.—2014.—80.—P. 379— 393.—D0I:10.1017/S0022377813001347.
45. Leonovich A. S., Klimushkin D. Yu., Mager P. N. Experimental evidence for the existence of monochromatic transverse small-scale standing Alfven waves with spatially dependent polarization// J. Geophys. Res.—2015.—120.—P. 5443—5454.—D0I: 10.1002/2015JA021044.
46. Leonovich A. S., Kozlov D. A. Magnetosonic resonances in the magnetospheric plasma // Earth Planets Space.—2013.—65.—P. 369—384.—D0I:10.5047/eps.2012.07. 002.
47. Leonovich A. S., Mazur V. A. A theory of transverse small-scale standing Alfven waves in an axially symmetric magnetosphere // Planet. Space Sci.—1993.—41.—P. 697— 717.—D0I: 10.1016/0032-0633(93)90055-7.
48. Leonovich A. S., Mazur V. A. Magnetospheric resonaior for transverse-small-scale standing Alfven waves // Planet. Space Sci.—1995.—43.—P. 881—883.—D0I: 10.1016/0032-0633(94)00206-7.
49. Leonovich A. S., Mazur V. A. Standing Alfven waves with m >> 1 in an axisymmetric magnetosphere excited by a non-stationary source // Ann. Geophys.—1998.—16.— P. 914—920.—DOI:10.1007/s00585-998-0914-z.
50. Liu W., Cao J. B., Li X., et al. Poloidal ULF wave observed in the plasmasphere boundary layer // J. Geophys. Res.—2013.—118.—DOI:10.1002/jgra.50427.
51. Liu W., Sarris T. E., Li X., et al. Spatial structure and temporal evolution of a dayside poloidal ULF wave event // Geophys. Res. Lett.—2011.—38.—L19104.—DOI: 10.1029/2011GL049476.
52. Mager P. N., Klimushkin D. Yu. Giant pulsations as modes of a transverse Alfvenic resonator on the plasmapause // Earth Planets Space.—2013.—65.—P. 397—409.— D0I:10.5047/eps.2012.10.002.
53. Menk F. W., Waters C. L. Magnetoseismology: Ground-based remote sensing of the Earth’s magnetosphere. — John Wiley and Sons, 2013.—244 p.—DOI: 10.1002/9783527652051.
54. Mikhailova O. S. The spatial structure of ULF-waves in the equatorial resonator localized at the plasmapause with the admixture of the heavy ions // J. Atmos. and Sol.-Terr. Phys.—2014.—108.—P. 10—16.—DOI:10.1016/j.jastp.2013.12.007.
55. Rostoker G., Lam H.-L., Olson J. V. PC 4 giant pulsations in the morning sector //J. Geophys. Res.—1979.—84A, N 9.—P. 5153—5166.—DOI: 10.1029/ JA084iA09p05153.
56. Saka O., Hayashi K., Leonovich A. S. Ionospheric loop currents and associated ULF oscillations at geosynchronous altitudes during preonset intervals of substorm aurora // J. Geophys. Res.—2015.—120.—P. 2460—2468.—DOI:10.1002/2014JA020842.
57. Samson J. C., Wallis D. D., Hughes T. J., et al. Substorm intensifications and field line resonances in the nightside magnetotphere // J. Geophys. Res.—1992.—97.— P. 8495—8518.—DOI:10.1029/91JA03156.
58. Schafer S., Glassmeier K.-H., Eriksson P. T. I., et al. Spatial and temporal characteris-
tics of poloidal waves in the terrestrial plasmasphere: a CLUSTER case study // Ann. Geophys.—2007.—25.—P. 1011—1024.—DOI: 10.5194/angeo-25-1011-2007.
59. Schafer S., Glassmeier K.-H., Eriksson P. T. I., et al. Spatio-temporal structure of a poloidal Alfven wave detected by Cluster adjacent to the dayside plasmapause // Ann. Geophys.—2008.—26.—P. 1805—1817.—DOI: 10.5194/angeo-26-1805-2008.
60. Singer H. J., Hughes W. J., Russel C. T. Standing hydromagnetic waves observed by ISEE 1 and 2: Radial extent and harmonic // J. Geophys. Res.—1982.—87.— P. 3519—3527.—DOI:10.1029/JA087iA05p03519.
61. Takahashi K., Anderson B. J. Distribution of ULF-energy (f <80 mHz) in the inner magnetosphere: a statistical analysis of AMPTE CCE magnetic field data // J. Geo- phys. Res.—1992.—97.—P. 10751—10769.—DOI:10.1029/92JA00328.
62. Takahashi K., Glassmeier K.-H., Angelopoulos V., et al. Multisatellite observations of a giant pult ation event // J. Geophys. Res.—2011.—116.—A11223.—DOI:10. 1029/2011JA016955.
63. Vetoulis G., Chen L. Global structures of Alfven-ballooning modes in magnetospheric plasmas // Geophys. Res. Lett.—1994.—21, N 19.—P. 2091—2094.—DOI: 10. 1029/ 94GL01703.
64. Yeoman T. K., James M., Mager P. N., Klimushkin D. Yu. SuperDARN observations of high-m ULF waves with curved phase fronts and their interpretation in terms of transverse resonator theory // J. Geophys. Res.—2012.—117.—A06231.—DOI: 10.1029/2012JA017668.
65. Zolotukhina N. A., Mager P. N., Klimushkin D. Yu. Pc5 waves generated by substorm injection: a case study // Ann. Geophys.—2008.—26.—P. 2053—2059.—DOI: 10.5194/angeo-26-2053-2008.