Концентрация холодной плазмыв области генерации ионно-циклотронной неустойчивости во время сжатия магнитосферы импульсом давления солнечного ветра

УДК 550.38

Т. А. Попова

КОНЦЕНТРАЦИЯ ХОЛОДНОЙ ПЛАЗМЫ

В ОБЛАСТИ ГЕНЕРАЦИИ ИОННО-ЦИКЛОТРОННОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ ВО ВРЕМЯ СЖАТИЯ МАГНИТОСФЕРЫ ИМПУЛЬСОМ ДАВЛЕНИЯ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА

Аннотация

Протонные сияния к экватору от овала сияний отображают область магнитосферы, где развивается ионно-циклотронная (ИЦ) неустойчивость. Сопоставления магнитосферных проекций таких протонных сияний с положением плазмопаузы, а также прямые наблюдения концентрации холодной плазмы показали, что развитие ИЦ неустойчивости на дневной стороне во время сжатия магнитосферы импульсами давления солнечного ветра происходит в области низких значений концентрации холодной плазмы, за плазмосферой.

Ключевые слова:

протонные сияния, ионно-циклотронная неустойчивость, магнитосфера, плазмосфера.

T. A. Popova

COLD PLASMA DENSITY IN THE REGION OF GENERATION OF THE ION-CYCLOTRON INSTABILITY DURING MAGNETOSPHERIC COMPRESSION BY THE SOLAR WIND PRESSURE PULSE

Abstract

Proton auroras equatorward from the auroral oval represent the magnetospheric domains where the ion-cyclotron (IC) instability develops. Comparison of magnetospheric projections of the proton auroras with the plasmapause position as well as direct measurements of the cold plasma density showed that the IC instability develops in the region of low values of the cold plasma density outside the plasmasphere.

Keywords:

proton auroras, the ion-cyclotron instability, magnetosphere, plasmasphere. Введение

Проявлениями ионно-циклотронной неустойчивости, источником свободной энергии которой является поперечная анизотропия температуры энергичных протонов, в экваториальной магнитосфере являются генерация ЭМИЦ волн и рассеяние энергичных протонов по питч-углам [1, 2]. Последнее приводит к заполнению конуса потерь и высыпанию протонов. При столкновении высыпающихся протонов с нейтральными атмосферными

составляющими происходит обмен зарядом и образуются возбужденные атомы водорода, движущиеся к Земле. Излучение этих атомов при переходе в основное состояние называют протонными сияниями. Протонные сияния, связанные с ИЦ-неустойчивостью, наблюдаются к экватору от аврорального овала (см., например, обзор [3]). Наблюдения протонных сияний к экватору от овала позволяют проводить мониторинг ИЦ-неустойчивости в магнитосфере. Такие сияния в эмиссии 121,82 нм наблюдались в течение 2000-2005 гг. прибором FUV (Far UltraViolet imager) со спутника IMAGE [4].

Во время импульсов (скачков) давления солнечного ветра резко возрастает поперечная анизотропия горячих протонов на дневной стороне, что приводит к развитию ИЦ-неустойчивости [5, 6]. С такими скачками давления связано появление вспышек протонного свечения на дневной стороне [7-9]. Характеристики таких вспышек позволяют судить о местоположении, размерах и динамике области ИЦ-неустойчивости в этих условиях. В частности, можно судить о взаимосвязи областей генерации ИЦ-неустойчивости с таким важным магнитосферным доменом, как плазмосфера. Это можно сделать с помощью сопоставления положения вспышки протонного сияния с положением плазмопаузы, а также с помощью прямых спутниковых наблюдений концентрации холодной плазмы в области сопряженной со вспышкой. Этому и будет посвящена данная работа.

Для определения положения плазмопаузы мы будем использовать динамическую модель, основанную на квазиперестановочной неустойчивости [10, 11], которая, как было показано при сопоставлении с данными наблюдений, довольно хорошо воспроизводит границу плазмосферы. Концентрация холодной плазмы в области, где развивается вспышка, будет определяться на основе прямых измерений с помощью прибора MPA на геостационарных спутниках LANL в тех случаях, когда спутник находился внутри области проекции вспышки в экваториальную плоскость.

Результаты

1. Сопоставление области ИЦ-неустойчивости с положением плазмопаузы

В левой части рис. 1 показана последовательность изображений протонных сияний, зарегистрированных спутником IMAGE 4 ноября 2003 г. во время скачка давления солнечного ветра (не показано).

Рис. 1. Слева: последовательность изображений протонных сияний во время сжатия магнитосферы 4 ноября 2004 г. Вспышка протонного свечения видна в 06:27:20 ЦТ. Справа: положение плазмопаузы

Видно, что в 06:27:20 UT произошла кратковременная вспышка сияний. Справа показано положение плазмопаузы (черные точки) в экваториальной плоскости, рассчитанное для момента 06:30 ЦТ с помощью модели. Синей линией в секторе 06-11 МЬТ показано положение проекции в магнитосферу экваториальной кромки области вспышки протонного сияния. Протонная вспышка проектируется за плазмопаузу, что, очевидно, означает, что ИЦ-неустойчивость развивается при низких значениях концентрации холодной плазмы.

Результат подобного анализа соотношения между проекцией экваториальной границы вспышек протонных сияний во время сжатия магнитосферы и смоделированной плазмопаузы для 25 событий показан на рис. 2. Из этого рисунка видно, что только в пяти событиях область развития ИЦ неустойчивости распространялась внутрь плазмосферы. В таких событиях вспышка занимает довольно большой диапазон широт, а ее проекция некоторый диапазон Ь-оболочек, поэтому большая часть области ИЦ-неустойчивости остается за плазмопаузой.

Рис. 2. Расстояние между положением экваториального края вспышки протонного сияния до Земли (Leq) и смоделированной плазмопаузы (Lpp) для 25 событий (черные точки). За начало отсчета принято положение плазмопаузы

2. Сопоставление с измерениями холодной плазмы на геостационарной орбите Для тех событий, когда проекция на ионосферу какого-либо из геостационарных спутников LANL находилась в зоне протонной вспышки мы рассмотрели измерения концентрации холодной плазмы с энергией 1-130 эВ, определенной по данным прибора МРА (Magnetospheric Plasma Analyser).

В событии 13 июля 2005 г. (рис. 3), после скачка динамического давления в солнечном ветре спутником IMAGE была зарегистрирована вспышка протонного сияния экваториальнее аврорального овала. Область вспышки занимает довольно большой широтный диапазон от 58° до 75° и охватывает проекцию геостационарной орбиты на ионосферу в дневном секторе. Проекция на ионосферу спутника LANL-02A оказалась внутри этой зоны. Концентрация холодной плазмы во время вспышки составила несколько частиц в кубическом сантиметре.

SI-12 £005-0 / / /У^ * 7/13 05:14:10 ЦТ

щ 2 D _

i Lanl-02A МРА /^ям

Рис. 3. Сверху: последовательность изображений протонных сияний в 05:13-05:18 UT 13 июля 2005 г. Снизу: динамическое давление солнечного ветра по данным базы OMNI, концентрация холодной плазмы по данным спутника LANL-02A. Синей вертикальной линией отмечен момент начала

регистрации вспышки

i OMNI

|-Lanl 1990-095 МРА AAVvyA^J

12:0D:00 12:15:00 12:3D:00 12:45:00 13:0D:00 13:15:00 13:30:00 13:45:00 14:00:00 05 Mo/ 5 OS Щ 8 05 Щ t 05 May 0 05 Mny 8- 05 Muy « 05 Мэу 5 05 May S 05 Moy 9

Рис. 4. Сверху: последовательность изображений протонных сияний в 13:06-13:16 UT 6 мая 2005 г. Снизу: динамическое давление солнечного ветра по данным базы OMNI, концентрации холодной плазмы по данным спутника LANL 1990-095. Синей вертикальной линией отмечен момент начала

регистрации вспышки

В событии 6 мая 2005 г. (рис. 4) вспышке протонного свечения также предшествует скачок давления солнечного ветра. Сама вспышка занимает по широте диапазон от 66° до 75°, и проекция спутника ЬЛКЬ 1990-095 попадает в экваториальную часть этой области, т. е. спутник оказывается в приземной части области ИЦ-неустойчивости. При этом он регистрирует довольно большую плотность холодной плазмы соответствующую плазмосфере (около 20 см-3). Однако большая часть вспышки находится полярнее проекции этого спутника, т. е. часть области ИЦ неустойчивости располагается существенно дальше геостационарной орбиты. О концентрации холодной плазмы на больших Ь-оболочках мы сказать ничего не можем, но вряд ли можно ожидать больших значений на Ь-оболочках, соответствующих высокоширотной части вспышки.

Было отобрано несколько событий с 2001 по 2005 гг., когда один из геостационарных спутников ЬЛКЬ пересекал дневной сектор магнитосферы во время развития ИЦ неустойчивости, что, кроме наблюдений вспышек протонных сияний, подтверждено наблюдениями геомагнитных пульсаций в диапазоне Рс1 (данные не показаны), а его проекция на высоту ионосферы находилась в области вспышки протонных сияний. В большинстве событий спутники ЬЛКЬ измеряли внутри области ИЦ неустойчивости такие концентрации, которые были ниже средних значений для плазмы в плазмосфере, полученных в эмпирической модели [12]. На рис. 5 показаны значения плазмосферной плотности в зависимости от Ь-оболочки по этой модели. Цветными кружками на Ь ~ 6,6 ЯЕ показаны значения концентрации холодной плазмы для каждого из рассмотренных событий по данным спутников ЬЛКЬ.

5 б L Shell

Рис. 5. Средние значения концентрации холодной плазмы в зависимости от L-оболочки [12]. Цветом отмечены значения для каждого из рассмотренных событий

Выводы

Сопоставления магнитосферных проекций протонных сияний с положением плазмопаузы и измерения плотности холодной плазмы в области проекции вспышки в магнитосферу показывают, что ионно-циклотронная неустойчивость во время сжатия магнитосферы может развиваться на дневной

стороне, главным образом за плазмопаузой. Иногда проекция вспышки захватывает и внешнюю плазмосферу. Очевидно, решающую роль в развитии ИЦ неустойчивости во время вспышки протонного свечения играет анизотропия горячих частиц, которая, как известно, на дневной стороне и на больших расстояниях от Земли всегда повышена вследствие эффекта расщепления дрейфовых оболочек [13] и дополнительно возрастает во время сжатия магнитосферы.

Благодарности. Автор благодарит А. Г. Яхнина и Т. А. Яхнину за помощь в работе и обсуждения, Харальда Фрея (Harald Frey) за возможность использовать сервер данных прибора FUV на спутнике IMAGE и Вивиан Пиера (Viviane Pierrard) за возможность моделирования плазмопаузы на сайте (http://www.spaceweather.eu). Данные геостационарных спутников LANL получены через CDAWeb (http://cdaweb.gsfc.nasa.gov). Работа выполнена при поддержке РНФ (проект № 15-12-20005).

Литература

1. Kennel C. F., Petschek H. E. Limit of stably trapped particle fluxes // J. Geophys. Res. 1966. 71(1). Р. 1-28.

2. Cornwall J. M., Coroniti F. V., Thorne R. M. Turbulent loss of ring current protons // J. Geophys. Res. 1970. 75. Р. 4699.

3. Протонные сияния к экватору от аврорального овала как проявление ионно-циклотронной неустойчивости в магнитосфере Земли (краткий обзор) / А. Г. Яхнин и др. // Физика авроральных явлений: тр. 40-го ежегод. семинара / ред. Н. В. Семенова. Апатиты, 2017.

4. Frey H. U. Localized aurora beyond the auroral oval // Rev. Geophys. 2007. 45. RG1003.

5. Olson J. V., Lee L. C. Pc1 wave generation by sudden impulses // Planet. Space Sci. 1983. 31. Р. 295- 302.

6. Anderson B. J., Hamilton D. C. Electromagnetic ion cyclotron waves stimulated by modest magnetospheric compressions // J. Geophys. Res. 1993. 98. Р. 1136911382.

7. Sudden solar wind dynamic pressure enhancements and dayside detached auroras: IMAGE and DMSP observations / Y. Zhang et а1 // J. Geophys. Res. 2002. 108(A4). Р. 8001.

8. Generation of transient dayside subauroral proton precipitation / S. A. Fuselier et а! // J. Geophys. Res. 2004. 109. A12227.

9. Взаимосвязь между резкими увеличениями динамического давления солнечного ветра, вспышками протонных сияний и геомагнитными пульсациями в диапазоне Рс1 / Т. А. Попова и др. // Геомагнетизм и аэрономия. 2010. 50(5). Р. 595-602.

10. Lemaire J. F., Gringauz K. I. The Earth's Plasmasphere. Cambridge: University Press, New York, 1998.

11. Lemaire J. F., Pierrard V. Comparison between two theoretical mechanisms for the formation of the plasmapause and relevant observations // Geomagnetism and Aeronomy. 2008. 48(5). Р. 553-570.

12. An empirical plasmasphere and trough density model: CRRES observations / B. W. Sheeley et al. // J. Geophys. Res., 2001. 106(25), 25631-25641.

13. Spatial distributions of ion pitch angle anisotropy in the near-Earth magnetosphere and tail plasma sheet / C. P. Wang et al. // J. Geophys. Res. 2012. 118. Р.244-255.

Сведения об авторе

Попова Татьяна Аркадьевна

м. н. с., Полярный геофизический институт, Апатиты E-mail: tarkada@yandex.ru