МГД-волновод во внешней магнитосфере и механизмы его возбуждения
Автор: Мазур В.А., Чуйко Д.А.
Журнал: Солнечно-земная физика @solnechno-zemnaya-fizika
Статья в выпуске: 1 т.1, 2015 года.
Бесплатный доступ
Неоднородность геомагнитного поля и плазмы во внешней приэкваториальной части магнитосферы обеспечивает существование канала низких значений скорости Альфвена, протянувшегося от лобовой области до далеких флангов магнитосферы как в утреннем, так и в вечернем секторах. Этот канал играет роль волновода для быстрых магнитозвуковых волн. При распространении вдоль волновода (т. е. в азимутальном направлении) собственная мода претерпевает определенную эволюцию. Меняются свойства волновода, под которые «подстраивается» собственная мода. В силу изменения сдвиговой скорости солнечного ветра вдоль магнитопаузы меняются условия развития неустойчивости Кельвина-Гельмгольца. По той же причине меняются условия проникновения гидромагнитных волн из солнечного ветра в магнитосферу. В частности, на флангах процесс проникновения переходит в режим сверхотражения, что резко увеличивает мощность накачки магнитосферного волновода. Распространению БМЗ-моды вдоль волновода сопутствует наличие связанного с ней альфвеновского резонанса в глубине магнитосферы, в окрестности которого происходит диссипация энергии колебания. Вдоль силовых линий альфвеновский резонанс представляет собой стоячую альфвеновскую волну и поэтому достигает ионосферы и земной поверхности, в то время как БМЗ-моды волновода, запертые в канале низких значений скорости Альфвена, не могут наблюдаться на Земле. В работе аналитически и численно исследуется эволюция колебаний в волноводе при их распространении от лобовой области до дальнего хвоста магнитосферы с учетом всех вышеуказанных факторов. Определяются спектральный состав колебаний и их пространственная структура. Теория позволяет описать свойства колебаний Pc3 и Pc5 - важнейших гидромагнитных колебаний магнитосферы. В частности, из нее следует, что колебания Рс3 локализованы в дневной части магнитосферы, а колебания Рс5 - на флангах, что полностью соответствует наблюдаемой картине.
Внешняя магнитосфера, мгд-волновод, геомагнитные пульсации, сверхотражение, неустойчивость кельвина-гельмгольца
Короткий адрес: https://sciup.org/142103551
IDR: 142103551 | УДК: 533.951 | DOI: 10.12737/5837
MHD waveguide in the outer magnetosphere and mechanisms of its excitation
The geomagnetic field and plasma inhomogeneities in the outer equatorial part of the magnetosphere are responsible for the existence of the channel with low Alfven speeds, which extends from the nose to the far flanks of the magnetosphere, both in the morning and evening sectors. This channel serves as a waveguide in the fast magnetosonic waves. Travelling along the waveguide (i.e., in the azimuthal direction), an eigenmode undergoes evolution. Parameters of the waveguide vary along the way of the wave propagation and the eigenmode “adapts” to these parameters. Conditions of the Kelvin-Helmholtz instability change due to the variation of the solar wind speed along the magnetopause. Conditions of the penetration of solar wind hydromagnetic waves into the magnetosphere change due to the same variation. The wave penetration process turns to the overreflection regime, which sharply amplifies the pump level of the magnetospheric waveguide. The fast mode propagating along the waveguide is accompanied by the Alfven resonance deep within the magnetosphere. Oscillation energy dissipation takes place in the vicinity of the Alfven resonance. Along the magnetic field lines, the Alfven resonance is a standing Alfven wave; thus it reaches the ionosphere and the Earth’s surface. At the same time, no fast waveguide modes localized in the low Alfven speed channel can be observed on the Earth. Waveguide oscillations evolution is investigated in this paper both analytically and numerically taking into account all of the aforementioned factors as the oscillations propagate from the nose to the tail of the magnetosphere. Spectral composition and spatial structure of the oscillations are found. The theory allows for a description of Pc3 and Pc5 pulsations - the most important magnetospheric pulsations. As such it follows that Pc3 are localized on the dayside of the magnetosphere, whereas Pc 5 are localized in the dawn-dusk sectors - in full agreement with the observations.
Список литературы МГД-волновод во внешней магнитосфере и механизмы его возбуждения
- Гульельми А.В., Потапов А.С., Д`Коста А. К теории возбуждения геомагнитных пульсаций типа Рс3//Иссле-дования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. 1976. Вып. 39. С. 27-32.
- Мазур В.А. Резонансное возбуждение магнитосферы гидромагнитными волнами, падающими из солнечного ветра//Физика плазмы. 2010. Т. 36, № 11. С. 1013-1023. DOI: DOI: 10.1134/S1063780X10110048
- Потапов А.С. Возбуждение геомагнитных пульсаций типа Рс3 перед фронтом околоземной ударной волны пуч-ком отраженных протонов//Исследования по геомагне-тизму, аэрономии и физике Солнца. 1974. Вып. 34. С. 3-12.
- Шафранов В.Д. Электромагнитные волны в плазме//Вопросы теории плазмы/Под ред. М.А. Леонтовича. Гос-атомиздат, 1963. Вып. 3. С. 3-140.
- Abramowitz M., Stegun I.A. Handbook of mathematical functions. Dover Publ., 1965. 1046 р.
- Dmitrienko I.S. Evolution of FMS and Alfven waves pro-duced by the initial disturbance in the FMS waveguide//J. Plasma Phys. 2013. V. 79, N 01. P. 7-17. DOI: 10.1017/S0022377812000608.
- Foullon C., Farrugia C.J., Fazakerley A.N., et al. Evo-lution of Kelvin-Helmholtz activity on the dusk flank magnetopause//J. Geophys. Res. 2008. V. 113. р. A11203. DOI: DOI: 10.1029/2008JA013175
- Ghosch S., Thomson D.J., Matthaeus W.H., Lanzerotti L.J. Coexistence of turbulence and discrete modes in the solar wind//J. Geophys. Res. 2009. V. 114. P. A08106. DOI: 10.1029/2009JA014092.
- Gurnett D.A., Anderson R.R., Tsurutani B.T., et al. Plasma wave turbulence at the magnetopause: Observations from ISEE 1 and 2//J. Geophys. Res. 1979. V. 84. P. 7043-7058. DOI: DOI: 10.1029/JA084iA12p07043
- Hughes W.J. The effect of the atmosphere and ionosphere on long period magnetospheric micropulsations//Planet. Space Sci. 1974. V. 22. P. 1157. DOI: DOI: 10.1016/0032-0633(74)90001-4
- James M.K. The spatio-temporal characteristics of ULF waves driven by substorm injected particles.//J. Geophys. Res. 2013. V. 188. P. 1737 DOI: 10.1002/jgra.50131
- Kozlov D.A. Transformation and absorption of magne-tosonic waves generated by solar wind in the magnetosphere//JASTP. 2010. V. 72, N 18. P. 1348-1353. DOI: 10.1016/j. JASTP.2010.09.023.
- Leonovich A.S., Mazur V.A. On the spectrum of magneto-sonic eigenoscillations of an axisymmetric magnetosphere//J. Geophys. Res. 2001. V. 106. P. 3919-3928. DOI: 10.1029/2000JA000228.
- Leonovich A.S., Mishin V.V., Cao J.B. Penetration of magnetosonic waves into the magnetosphere: Influence of a transition layer//Annales Geophysicae. 2003. V. 21, N 5. P. 1083-1093 DOI: 10.5194/angeo-21-1083-2003
- Liu Chen. Kinetic theory of geomagnetic pulsations//J. Geophys. Res. 1991. V. 96. P. 1503. DOI: 10.1029/90JA02346.
- Mager P.N., Klimushkin D.Yu. Generation of Alfvén waves by a plasma inhomogeneity moving in the Earth’s mag-netosphere//Plasma Phys. Rep. 2007. V. 33. P. 391. 780X07050042 DOI: 10.1134/S1063
- Mager P.N., Klimushkin D.Yu. Alfven ship waves: High-m ULF pulsations in the magnetosphere generated by a moving plasma inhomogeneity//Ann. Geophys. 2008. V. 26. P. 1653-1663 DOI: 10.5194/angeo-26-1653-2008
- Mann I.R. Chisham G., Bale S.D. Multisatellite and ground-based observations of a tailward propagating Pc5 magnetospheric waveguide mode//J. Geophys. Res. 1998. V. 103, N A3. P. 4657-4669 DOI: 10.1029/97JA03175
- Mann I.R., Wright A.N., Mills K.J., et al. Excitation of magnetospheric waveguide modes by magnetosheath flows//J. Geophys. Res. 1999. V. 104, N A1. P. 333-353. DOI: 10.1029/1998JA900026.
- Mann I.R., Wright A.N. Diagnosing the excitation mecha-nisms of Pc5 magnetospheric flank waveguide modes and FLRs//Geophys. Res. Lett. 1999. V. 26, N 16. P. 2609-2612 DOI: 10.1029/1999GL900573
- Mazur V.A., Chuiko D.A. Excitation of a magnetospheric MHD cavity by Kelvin-Helmholtz instability//Plasma Phys. Rep. 2011. V. 37, N 11. P. 913-934. DOI: 10.1134/S1063780X11090121.
- Mazur V.A., Chuiko D.A. Kelvin-Helmholtz instability on the magnetopause, magnetospheric waveguide in the outer magnetosphere, and Alfven resonance deep in the magneto-sphere//Plasma Phys. Rep. 2013a. V. 39, N 6. P. 488-503 DOI: 10.1134/S1063780X13060068
- Mazur V.A., Chuiko D.A. Influence of the outer-magnetospheric magnetohydrodynamic waveguide on the reflection of hydromagnetic waves from a shear flow at the magnetopause//Plasma Phys. Rep. 2013b. V. 39, N 12. P. 959-975 DOI: 10.1134/S1063780X13120064
- McPherron R.L. Magnetic pulsations: Their sources and relation to solar wind and geomagnetic activity//Surveys in Geophysics. 2005. V. 26. P. 545-592. DOI 10.1007/s10712-005-1758-7.
- Potapov A.S., Mazur V.A. Pc3 pulsations: From the source in the upstream region to Alfven resonances in the magnetosphere. Theory and observations//Solar Wind Sources of Magnetospheric Ultra-Low-Frequency Waves/Ed. by M. J. Engebretson, K.Takahashi, and M. Scholer. Washington, D.C.: American Geophysical Union, 1994. P. 135-145. (Geophysical Monograph. V. 81) DOI: 10.1029/GM081
- Pu Zu-yin, Kivelson M.G. The Kelvin-Helmholtz instabil-ity at the magnetopause//J. Geophys. Res. 1983. V. 88. P. 853-861 DOI: 10.1029/JA088iA02p00841
- Stephenson J.A.E., Walker A.D.M. Coherence between radar observation of magnetospheric field line resonances and discrete oscillations in the solar wind//Ann. Geophys. 2010. V. 28. P. 47-59 DOI: 10.5194/angeo-28-47-2010
- Sung S.K., Kim K.H., Lee D.H., et al. Simultaneous ground-based and satellite observations of Pc5 geomagnetic pulsations: A case study using multipoint measurements//Earth Planets Space. 2006. V. 58. P. 873-883 DOI: 0.1186/BF03351992
- Thomson D.J., Lanzerotti L.J., Maclennan C.G. Interplan-etary magnetic field: Statistical properties and discrete modes//J. Geophys. Res. 2001. V. 106. P. 15941-15962 DOI: 10.1029/2000JA000113
- Thomson D.J., Lanzerotti L.J., Maclennan C.G. Studies of some statistics of the interplanetary magnetic field and im-plications for discrete modes//Adv. Space Res. 2002. V. 29, N 12. P. 1911-1916. ) DOI: 10.1016/S0273-1177(02
- Walker A.D.M. Excitation of magnetohydrodynamic cavi-ties in the magnetosphere//J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 1998. V. 60. P. 1279-1293 DOI: 10.1016/S1364-6826(98)00077-7
- Walker A.D.M. Excitation of field line resonances by sources outside the magnetosphere//Annales Geophysicae. 2005. V. 23. P. 3375-3388 DOI: 10.5194/angeo-23-3375-2005
- Wright A.N. Dispersion and wave coupling in inhomo-geneous MHD waveguides//J. Geophys. Res. 1994. V. 99. P. 159-167 DOI: 10.1029/93JA02206
- Wright A.N., Mann I.R. Global MHD eigenmodes of the outer magnetosphere//Magnetospheric ULF Waves: Synthesis and New Directions/Ed. by Kazue Takahashi et al. Washington, DC: American Geophysical Union, 2006. P. 51-72. (Geophysical Monograph. V. 169) DOI: 10.1029/GM169
