Электростатическое излучение плазмы верхней ионосферы в неоднородном геомагнитном поле

Спектры электростатического излучения элек тронного компонента ионосферной плазмы зависят от геофизических условий . Изменение направления геомагнитного поля , знака одной из компонент поля на геомагнитном экваторе может быть причиной формирования крупномасштабной неоднородной плазменной структуры . Важную роль в процессах формирования структуры неоднородной плазмы играет возбуждение и затухание электростатических колебаний и плазменных вихрей .

Возбуждение свободных колебаний в верхней ионосфере зависит от внешних источников и параметров плазмы. Ниже приведены данные наблюдений волнового излучения ионосферной плазмы на спутнике АПЭКС [1]. Процессы образования плазменных неоднородностей в неустойчивой плазме зависят от генерации, распространения и затухания электростатических колебаний. Необходимо учитывать трансформацию фазового объема свободных колебаний в пространстве частота – волновой вектор (ω,k) [1]. Можно показать, что с уменьшением плотности плазмы фазовый объем свободных электростатических колебаний сокращается, при этом полоса частот свободных колебаний сокращается со стороны высоких частот. Распространение колебаний в плазменную полость (область пониженной плотности плазмы) приведет к постепенному затуханию колебаний со стороны высоких частот и нагреву плазмы. Затухание электрического поля колебаний, ортогонального геомагнитному полю, связано с поляризационным дрейфом заряженных частиц из плазменной полости [1]. При нагреве плазмы и ее вытеснении с ростом градиентов давления, а также при поляризационном дрейфе заряженных частиц в области затухания электрического поля могут нарастать градиенты плотности плазмы, поперечные геомагнитному полю. В таком процессе возникают условия для генерации плазменных вихрей – вращающихся самосогласованных плазменных неоднородностей с размерами, превышающими ларморовский радиус ионов [3]. Ионосферная плазма неустойчива относительно электростатических колебаний электронного компонента плазмы с длиной волны порядка несколько ларморовских радиусов электронов [1, 2]. Механизмы генерации электростатического и электромагнитного излучения в ионосфере сложны. Например, интенсивное электромагнитное излучение – авроральное километровое излучение (АКР) – наблюдалось в авроральной зоне во время суббурь. При этом отмечалось, что появление такого излучения связано с регистрацией крупномасштаб- ной плазменной полости. Образование плазменной полости возможно и в области геомагнитного экватора при затухании в неоднородном геомагнитном поле плазменных вихрей и электростатических колебаний. Спектр электростатического излучения ограничен сверху на уровне локальной плазменной частоты.

На рисунке показаны частотные спектры волнового излучения , измеренные на спутнике АПЭКС , в зави симости от мирового времени UT , магнитного локаль ного времени MLT , долготы LONG, геомагнитного наклонения IMAG и высоты ALT. Частота указана в МГц . Показан спектр в области геомагнитного эквато ра , измеренный 22.05.1992 г . после суббури при D _st ~ –22 нТл , ∑ K_p = 19 . Светлыми линиями указаны гар моники гирочастоты электронов . На экваторе наблю далась крупномасштабная плазменная полость .

С использованием принципа плазменного подо бия можно оценить поток энергии колебаний элек тронного компонента в область пониженной плаз менной плотности ( плазменную « ямку »), наблю дающуюся на геомагнитном экваторе :

F ~ v _g κ ( n ₀ T )( n ₀ - n )/ n ₀, (1)

где κ ( n ₀ T ) – плотность энергии колебаний вне плаз менной « ямки », κ ~0.1–0.01 в зависимости от функции распределения электронов в пространст ве скоростей , v g – групповая скорость электроста тических колебаний .

Для температурного фронта уравнение вихревой структуры можно представить в виде , удобном для анализа влияния нелинейных членов уравнения на устойчивость вихревой структуры :

∂ e

[ - v _dc ln( ∆ϕ ) + v _dc ϕ+

∂x            T e e ∂ lnT ϕ2 miΩ0i T ∂y  2

] +

+ ^e J ( ϕ ,ln( ∆ϕ )) = 0, ^m i ^Ω 0 i

где J ( ϕ , ln( ∆ϕ )) = ϕ _x (ln ∆ϕ ) _y - ϕ _y (ln ∆ϕ ) _x – якобиан , Ω ₀ j – циклотронная частота ионов , T – температура плазмы , ось z направлена вдоль геомагнитного поля . Можно предположить , что скорость дрейфа вихря v d в уравнении (2) при смещении вихря в гравита ционно - тепловом возмущении , связанном с движе нием подсолнечной точки , сопоставима со скоро стью ионного звука .

В уравнении (2) при условии равенства нулю пер вого слагаемого в 0 обращается и второе , связанное с векторной нелинейностью . Иными словами , если функция в квадратных скобках в (2) не зависит от

Электростатическое излучение плазмы верхней ионосферы в неоднородном геомагнитном поле

МГц

Динамический спектр волнового излучения , зарегистрированного 22.05.1992 г . на спутнике АПЭКС в области гео магнитного экватора .

• x , якобиан , связанный с векторной нелинейностью , равен нулю . В отличие от вывода уравнения Хасегава – Мимы [4], было использовано предположение об од нородности плазмы при φ = 0 и наличии нескомпенси - рованного заряда ∆φ ≠ 0. При наложении фронтально го температурного возмущения можно определить условия , при которых дисперсия и нелинейность Кор - тевега – де Вриза взаимно скомпенсированы . При этом векторная нелинейность обращается в 0. Анализ ус тойчивости вихревой структуры в неоднородном гео магнитном поле на геомагнитном экваторе можно произвести на основе следующей физической модели .

Скорость вращения частиц плазмы в вихревой структуре при изменении направления геомагнитного поля B на (– B ) должна изменить знак . Такое измене ние связано с ускорением частиц , но геомагнитное поле работы не совершает . Электрическое поле вихря связано непосредственно с самосогласованным вра щением вихревой структуры , а не с каким - либо внешним источником . При указанных изменениях направления геомагнитного поля на пути движения вихря может включиться эффект катапульты . При этом движение частиц по инерции приведет к нару шению самосогласованного вращения вихревой структуры , стохастизации движения частиц , нагреву плазмы и вытеснению ее из области нагрева при уве личении градиентов плазменного давления .

Оценки скорости нагрева по формуле (1) пока зывают , что плазменная ямка , представленная на рисунке , может прогреваться электростатическими колебаниями электронного компонента плазмы за время , сопоставимое с периодом вращения спутника вокруг Земли . Образование вихревых структур и их затухание в неоднородном геомагнитном поле спо собствует ускорению образования плазменной ямки на геомагнитном экваторе . Рассматриваемый про цесс формирования вихрей является стохастическим , поэтому наблюдения ямки на геомагнитном экваторе носят вероятностный стохастическим характер .

В области затухания полей электростатических колебаний и вихревых структур на геомагнитном экваторе на спутнике АПЭКС наблюдался поляризационный дрейф заряженных частиц: превышение ионных потоков относительно электронных на порядки величины и наблюдение потоков ионов и электронов в противофазе [5].

Заключение

Инкременты электростатических колебаний электронного компонента плазмы могут составлять γ ~ 0.1 Ω [1], длина нарастания и затухания электро статических мод в плазме верхней ионосферы – метры . Наблюдения на спутнике АПЭКС волнового излучения в диапазоне бернштейновских мод элек тронного компонента плазмы в области геомагнит ного экватора позволяют сделать выводы о том , что формирование крупномасштабной плазменной не однородности типа ямки связано с затуханием элек тростатических колебаний электронного компонен та . Локализация ямки на геомагнитном экваторе позволяет предположить , что на формирование не однородной структуры влияет электродинамика плазменных вихрей в неоднородном геомагнитном поле . Формирование вихревых структур на попе речных к геомагнитному полю градиентах плазмен ного давления в плазме с неустойчивым электрон ным компонентом носит стохастический характер , что находит отражение в стохастичности наблюде ний областей пониженной плазменной плотности на геомагнитном экваторе . В области плазменной ямки наблюдается рост электромагнитного излучения на частотах выше локальной верхнегибридной , что также является индикатором ямки .