Сопряженные измерения потоков протонов на низких высотах и ЭМИЦ-волн в магнитосфере

УДК 550.38 Т. А. Попова

СОПРЯЖЕННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПОТОКОВ ПРОТОНОВ НА НИЗКИХ ВЫСОТАХ И ЭМИЦ-ВОЛН В МАГНИТОСФЕРЕ

Аннотация

Проведен анализ наблюдений ЭМИЦ-волн на магнитосферных спутниках THEMIS и высыпаний протонов на низкоорбитальных спутниках NOAA POES и MetOp. Показано, что в тех случаях, когда траектории низкоорбитальных спутников проходят через проекции областей наблюдения волн, на этих спутниках регистрируются высыпания протонов, расположенные к экватору от изотропной границы.

Ключевые слова:

электромагнитные ионно-циклотронные волны, высыпания энергичных протонов, магнитосфера, плазмосфера.

T. A. Popova

CONJUGATED МЕАБиРЕМЕМТБ OF PROTON FLUXES

AT LOW ALTITUDES AND EMIC WAVES IN THE MAGNETOSPHERE

Abstract

The analysis of EMIC waves observed onboard THEMIS spacecraft in the magnetosphere has been performed along with the proton precipitation data from low-orbiting NOAA POES and MetOp satellites. It has been demonstrated that when the trajectories of the magnetospheric and low-orbiting satellites are conjugated, the precipitation of energetic protons located equatorward from the isotropy boundary is observed.

Keywords:

electromagnetic ion cyclotron waves, energetic proton precipitation, magnetosphere, plasmasphere.

Введение

Поперечная анизотропия протонов кольцевого тока является источником свободной энергии для развития ионно-циклотронной (ИЦ) неустойчивости. В результате неустойчивости происходит генерация электромагнитных ионноциклотронных (ЭМИЦ) волн в диапазоне 0.1-5 Гц, которые на земной поверхности регистрируются как геомагнитные пульсации Рс1-Рс2. Генерация волн должна сопровождаться рассеянием энергичных (Е = 1-100 кэВ) протонов по питч-углам, в том числе и в конус потерь, что приводит к высыпаниям протонов.

На основе статистического сопоставления наземных наблюдений Рс1 и высыпаний протонов на низкоорбитальных спутниках было показано, что с ЭМИЦ-волнами действительно коррелируют высыпания протонов, локализованные внутри зоны анизотропных потоков к экватору от изотропной границы [1]. Было высказано предположение, что такие высыпания можно использовать как индикатор развития ИЦ-неустойчивости в магнитосфере. В то же время надо помнить, что наземные наблюдения не могут точно указать на источник ЭМИЦ-волн, поскольку из-за распространения волн в ионосфере пульсации Рс1 можно наблюдать и вдалеке от источника. Прямым доказательством связи ЭМИЦ-волн в магнитосфере с такими высыпаниями протонов было бы наблюдение протонных высыпаний в сопряженной источнику

21

волн области. Таких прямых сопоставлений волн и высыпаний протонов пока очень мало, см., например, [1-2].

Чтобы убедиться в правомерности использования протонных высыпаний для диагностики источников ЭМИЦ-волн, представляется важным провести такие сопоставления для большого числа событий. Это можно сделать, в частности, по данным одновременных наблюдений ЭМИЦ-волн вблизи экваториальной плоскости на спутниках THEMIS и высыпаний на низких высотах по данным спутников серии NOAA POES и MetOp.

Данные и отбор событий

Выборка событий для статистики проводилась по данным КА THEMIS-A, -D, -E, апогеи орбит которых в исследуемый период были на дневной стороне магнитосферы. Были просмотрены спектрограммы в диапазоне 0-2 Гц, построенные по данным прибора Fluxgate Magnetometer (FGM) за период с июня по август 2007 г., и отобраны события регистрации поперечных (ВТ >> В ||) волн на частотах ниже гирочастоты водорода, т. е. ЭМИЦ-волны. Из этих событий были отобраны те, для которых имелись данные прибора MEPED на сопряженных пролетах низкоорбитальных спутников METOP-02 и NOAA POES-15, -16, -17, -18, работавших в это время. Прибор MEPED измеряет потоки высыпающихся энергичных (> 30 КэВ) электронов и ионов, а также потоки частиц, захваченных на высоте спутника. Термин «сопряженные пролеты» здесь означает, что пролеты спутника имели место в том же секторе MLT (или непосредственно вблизи него), где наблюдались ЭМИЦ-волны. По данным THEMIS, с июня 2007 г., когда началась стабильная работа прибора FGM, по август 2007 г. было найдено 64 события ЭМИЦ-волн. Волны наблюдались в разные часы MLT, на разных расстояниях от Земли, имели различную длительность, характер спектров, частотный диапазон.

Результаты

Рисунки 1-3 показывают пример использовавшихся данных. На рис.1 приведены проекции орбит спутников THEMIS-D, NOAA-18 и METOP-02 для 11 августа 2007 г. Красной линией отмечена область регистрации ЭМИЦ-волн на спутнике THEMIS-D. Синим цветом на траекториях низкоорбитальных спутников показаны области высыпаний протонов экваториальнее изотропной границы. На рис.2 показаны вариации потоков высыпающихся и захваченных частиц на низкоорбитальных спутниках. Отмеченные на рис.1 высыпания наблюдались на широтах 68-73°.

Данные THEMIS-D показаны на рис.3. На двух верхних панелях представлены динамические спектры вариаций поля перпендикулярных и параллельных локальному магнитному полю соответственно (шкала интенсивности приведена справа). Черной линией отмечена локальная гирочастота протонов, штрихпунктирной линией отмечена гирочастота для ионов гелия, а пунктирной - для ионов кислорода. Около 08 UT спутник, двигаясь из переходной области в магнитосферу, пересек магнитопаузу. Зона внутри магнитосферы, в которой регистрировались ЭМИЦ-волны, имеет радиальную протяженность около 3-4 Re, при этом излучения имеют характер всплесков, подобных тем, которые наблюдаются при резких скачках давления солнечного ветра [3]. Судя по вариациям гирочастот, такие скачки давления действительно имели место.

22

Рис.1. Проекции траекторий спутников и области регистрации ЭМИЦ-волн

и высыпаний протонов

Рис.2. Данные измерений потоков энергичных протонов на спутниках MetOp-02 и NOAA-18. Синей линией показаны значения потока высыпающихся протонов, черной линией - захваченных

23

Рис.3. Спектрограмма электромагнитных излучений с 06 до 19 UT 11 августа 2007 г.

На нижней панели представлена концентрация холодной плазмы по данным прибора ESA (Electrostatic Analyzer), также расположенного на борту КА THEMIS. Область с высокими значениями концентрации свидетельствует о пересечении плазмосферы. Из рис.3 следует, что ЭМИЦ-волны на частотах выше гирочастоты гелия наблюдались в области низких значений плотности холодной плазмы вне плазмосферы.

Еще один пример сопоставления данных приведен на рис.4 и 5. Интересным здесь представляется то, что спутниками THEMIS была зарегистрирована довольно резкая смена полосы ЭМИЦ-волн (верхняя панель рис.4). На удалениях, больших чем 8 Re, излучение наблюдалось на частотах выше гирочастоты He+ (fHe+), а ближе к Земле - на частотах ниже этой гирочастоты. На нижней панели показана плотность холодной плазмы. Ясно видно, что смена полосы излучения соответствует пересечению плазмопаузы. Генерация ЭМИЦ-волн в полосе ниже fHe+ типична для достаточно плотной плазмосферной плазмы. В то же время появление волн в полосе частот выше fHe+ согласуется с результатами теоретических расчетов, например [4], предсказывающими генерацию ЭМИЦ-волн выше fHe+ при малых значениях плотности холодной плазмы в областях повышенной анизотропии протонов, которая обычно наблюдается на дневной стороне.

Всего из 64 случаев наблюдения ЭМИЦ-волн было отобрано 34 сопряженных события. В остальных случаях траектории низкоорбитальных спутников либо не пересекали сектор MLT, в котором THEMIS регистрировал волны, либо широты пролетов NOAA и MetOp не соответствовали широтам проекций области ЭМИЦ-волн. Во всех 34 событиях на низкоорбитальных спутниках наблюдались высыпания протонов, подобные тем, что показаны на рис.2 и 5.

24

Рис.4. Спектрограмма электромагнитных излучений с 4 до 9 UT 20 июля 2007 г.

Заключение

20 Jule 2007

Jpr max:

Corrected Geomagnetic Latitude, deg

Рис.5. Потоки высыпающихся и захваченных энергичных протонов во время пульсаций 20 июля 2007 г.

Итак, рассмотрение около 60 событий показало, что источник ЭМИЦ-

волн сопряжен с высыпаниями энергичных протонов к экватору от границы изотропии, что доказывает возможность использования регистрации высыпаний протонов для мониторинга ИЦ-неустойчивости в приземной магнитосфере. Высыпание энергичных протонов происходит независимо от вида спектра излучения, в частности, от того в гелиевой или водородной полосе происходит генерация ЭМИЦ-волн. Последнее, в свою очередь, определяется условиями генерации (в частности величиной плотности холодной плазмы).

Благодарности. Автор благодарит А. Г. Яхнина за постановку задачи и обсуждения. Работа выполнялась в рамках проекта РНФ 15-12-20005.

Литература

1. Yahnin A. G., Yahnina T. A. Energetic proton precipitation related to ion-cyclotron waves // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2007. Vol. 69/14. P. 1690-1706, doi: 10.1016/jjastp.2007.02.010.

2. .Multipoint observations of Pc1-2 waves in the afternoon sector / S. K. Morley, S. T. Ables, M. D. Sciffer, B. J. Fraser // J. Geophys. Res. 2009. 114. A09205, doi:10.1029/2009JA014162

3. Взаимосвязь между скачками динамического давления солнечного ветра, вспышками протонных сияний и геомагнитными пульсациями в диапазоне Pc1 / Т. А. Попова, А. Г. Яхнин, Т. А. Яхнина, Х. Фрей / Геомагнетизм и аэрономия. 2010. Т. 50, №. 5. С. 595-602.

4. Chen L., Thorne R. M., Horne R. B. Simulation of EMIC wave excitation in a model magnetosphere including structured high-density plumes // J. Geophys. Res. 2009. Vol. 114. A07221, doi:10.1029/2009JA014204.

Сведения об авторе Попова Татьяна Аркадьевна,

стажер-исследователь, Полярный геофизический институт, г. Апатиты, tarkada@yandex. ru

25