Modification of auroral kilometric radiation spectra caused propagation in inhomogeneous cosmic plasma

全文:

ВВЕДЕНИЕ

Развитие циклотронной мазерной неустойчивости в авроральной области магнитосферы Земли приводит к генерации аврорального километрового радиоизлучения (АКР) — одного из наиболее интенсивных естественных излучений в магнитосфере Земли [1—4]. Это излучение генерируется на высотах 2—3 R_E (R_E — радиус Земли) на локальной гирочастоте электронов и уходит от Земли. Согласно теоретическим оценкам [5, 6] и результатам прямых измерений на космических аппаратах [7] конус излучения составляет 25º—35º относительно направления магнитного поля в источнике. Отсюда следует, что излучение от источников АКР в авроральных областях не должно попадать на дневную сторону магнитосферы вблизи плоскости эклиптики.

При наличии в плазме неоднородностей, вытянутых вдоль магнитного поля, АКР может захватываться в каналы, сформированные этими неоднородностями, и распространяться по ним. Впервые такой перенос излучения был зарегистрирован на спутнике ISEE-1 [8]. В работе [9] было показано, что при распространении АКР по плазменным каналам происходит трансформация спектра излучения. В этой работе мы приводим результаты расчетов, которые показывают, что трансформация спектра вызвана зависимостью показателя преломления волны от частоты.

В работе использованы одновременные измерения двух спутников: ERG и WIND. Спутник ERG [10, 11] был запущен во внутреннюю магнитосферу 20 декабря 2016 г. для изучения процессов в радиационных поясах. Для регистрации электрической компоненты используются датчики, расположенные на концах четырех штанг. Орбитальный период спутника ERG составляет 8 ч, а наклонение орбиты к плоскости эклиптики φ = ±30°. Для анализа направления распространения АКР в данной работе используются измерения электрической составляющей поля, зарегистрированной в эксперименте PWE/HFA [12, 13]. Этот эксперимент предназначен для измерения в диапазоне частот от 2 кГц до 10 МГц электрического поля [13], что позволяет изучать свойства АКР [14, 15].

Спутник WIND был запущен 1 ноября 1994 г. в окрестность точки либрации L1 для измерения параметров солнечного ветра. Он вращается вокруг этой точки с r ≈ 70 R_E (где r — радиус орбиты спутника WIND) и проводит непрерывные измерения параметров плазмы, а также электромагнитного поля в диапазоне частот от 20 до 1040 кГц [16].

АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

На рис. 1 приведен пример одновременной регистрации интенсивности излучения на двух спутниках: верхний график — изменение средних значений интенсивности излучений, зарегистрированных на спутниках WIND, на нижнем графике — аналогичные измерения на спутнике ERG. Для анализа был выбран интервал времени 09:36:00—13:26:24 UT 2 мая 2019 г. Во время этих измерений спутник WIND находился заведомо вне конуса излучения АКР, в точке с координатами X_gsm = 204.7 R_E; Y_gsm = 70.6 R_E; Z_gsm = –9.86 R_E (т.е. был удален от Земли в сторону Солнца на 204.7 радиусов). Спутник ERG также был на дневной стороне магнитосферы (MLT = 9.3–13.2), вблизи плазмопаузы и тоже вне конуса излучения АКР (рис. 2а и 2б). Изменения интенсивности на двух спутниках подобны: два всплеска интенсивности наблюдаются синхронно на обоих спутниках в 11:35—12:03 UT (WIND) и в 11:40—12:06 UT (ERG). Точность измерений не позволяет определить задержку, связанную с распространением сигнала от спутника ERG до спутника WIND (204.7 R_E ≈ 1.3 × 10⁶ км). Последовательность интенсивных импульсов начиная с 12:00 — бортовая калибровка на спутнике ERG. Таким образом, измерения на двух спутниках показывают, что АКР наблюдается вне конуса излучения и на значительных расстояниях от источника.

 

Рис. 1. Одновременные измерения средней мощности излучения (усреднение по частотам F): от 56 до 596 кГц для WIND c шагом 60 с, от 54.9 до 596 кГц для ERG с шагом 8 с. Измерения выполнены 02.05.2019 на двух спутниках: с 9:36 до 13:26, на борту спутника WIND (верхняя панель) и на борту спутника ERG (нижняя панель)

 

На рис. 2а представлено взаимное расположение спутников относительно источника АКР. Спутник WIND находился в солнечном ветре, вращался вокруг точки либрации L1 (256.4 R_E) на расстоянии ~70 R_E. Спутник ERG находился в вечернем секторе внутренней магнитосферы (MLT = 18.8) на расстоянии 3.3R_E. Отсюда следует, что излучение от источника, расположенного в авроральной области ночной магнитосферы, не могло напрямую прийти к спутникам WIND и ERG. На рис. 2б показан процесс захвата излучения в плазменный канал. Мы предполагаем, что φ₁ = φ₂ = φ₃. Излучения на частотах f ≤ f₁ не попадают в канал, поскольку торец канала находится вне конуса излучения на этих частотах. В диапазоне частот от f₁ до f₃ суммарная мощность излучения, попадающая в канал, изменяется в зависимости от частоты: по мере увеличения частоты излучения высота источника понижается и все большая площадь торца канала попадает в конус излучения этого источника. На частотах f ≥ f₃ торец канала всегда попадает в конус излучения и суммарная мощность на этих частотах не зависит от частоты.

 

Рис. 2. Схема взаимного расположения источника АКР и спутников ERG и WIND во время измерений 07.03.2019 и 02.05.2019 (а). Представлен вид на плоскость эклиптики со стороны (–Z_GSE). 07.03.2019 координаты для спутника ERG: X = –0.6; Y = 3.3; Z = 0.4; для спутника WIND: X = 256; Y = –42; Z = 8.8 (в системе GSE, в единицах R_E). 02.05.2019 координаты для спутника ERG: X = –3.3; Y = –1.7; Z = 0.6; для спутника WIND: X = 205; Y = –71; Z = 1.5. Схема захвата излучения в плазменный канал (б): 1 — силовая линия, на которой расположен источник АКР; 2 — канал плазмы, вытянутый вдоль силовой линии магнитного поля; 3 — область засветки торца канала для частот f₁ ≤ f ≤ f₂; 4 — область засветки для частот f₂ ≤ f ≤ f₃; 5 — область засветки для частот более f₃; f₁, f₂, f₃ — частоты АКР, где f₁ > f₂ > f₃;  — раствор конуса излучения АКР; N₁ — плотность плазмы вне канала; N₂ — плотность плазмы в канале. Стрелками показано распространение излучения из источника и в канале

 

На рис. 3 представлены спектры АКР, зарегистрированные одновременно на двух спутниках 07.03.2019 в 17:00:30 UT. Оба спектра подобны: быстрое нарастание спектральных составляющих на низких частотах, затем максимум и относительно медленное уменьшение интенсивности с повышением частоты. Наряду с подобием спектров наблюдается и их отличие: частота максимума на спектре, зарегистрированном на спутнике WIND, составляет 230 кГц, а на спутнике ERG — 200 кГц. Однако на высоких частотах интенсивность излучения спадает примерно по одинаковому закону на обоих спутниках (WIND и ERG). Заметим, что при изменении частоты от 200 до 400 кГц амплитуда спектральных составляющих уменьшается, приблизительно, на два порядка.

 

Рис. 3. Спектры АКР, зарегистрированные 07.03.2019 в 17:00:30 на спутниках WIND (верхняя панель) и ERG (нижняя панель)

 

РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ

Измерения на спутнике показывают, что размеры плазменного канала много больше, чем длина волны захваченного излучения [9]. Это дает возможность проводить вычисления в приближении геометрической оптики. Были проведены расчеты распространения необыкновенной электромагнитной волны в плазменном канале, вытянутом вдоль магнитного поля. Результаты расчетов коэффициентов отражения, характеризующих сохранение мощности излучения в канале, приведены на рис. 4. Расчеты проводились для трех углов (75, 80 и 85°) для канала с пониженной плотностью ($\left(N_1-N_2\right)/N_1=0.67$, где N₁ — плотность фоновой плазмы, N₂ — плотность плазмы внутри канала), что соответствует результатам измерений. Просачивание излучения за пределы канала (Т) связано с коэффициентом отражения (K) следующим образом [17]:

$K+T=1$,

где K — коэффициент отражения; T — коэффициент пропускания.

 

Рис. 4. Результаты расчета коэффициентов отражения от стенки канала (для случая (N₁ – N₂) / N₁ = 0.67) для трех углов: 85° (сплошная линия), 80° (точечная линия), 75° (пунктирная линия)

 

Коэффициент отражения

$K={\left(\frac{n_2\cos {\theta }_2-n_1\cos {\theta }_1}{n_2\cos {\theta }_2+n_1\cos {\theta }_1}\right)}^2$.

Здесь n₁ и n₂ — показатели преломления вне и внутри канала соответственно; θ₁ и θ₂ — углы преломления и падения соответственно.

Показатель преломления для необыкновенной электромагнитной волны в квазипродольном приближении [18]

${n^2}_{\mathrm{1,2}}=1-\frac{{\omega }_{pe \mathrm{1,2}}^2}{\left(\omega -{\omega }_{He}\cos {\theta }_{\mathrm{1,2}}\right)\omega }$

при условии, когда ω_He < ω_pe. Здесь ${\omega }_{He}=\frac{eH}{mc}$; ${\omega }_{pe \mathrm{1,2}}=\frac{4\pi e^2{N}_{\mathrm{1,2}}}{m}$.

Приведенные на рис. 4 результаты расчетов показывают, что для угла падения излучения на стенку канала 80º в интервале частот от 200 до 400 кГц амплитуда сигнала изменяется на два порядка, что соответствует измерениям, приведенным на рис. 3. Таким образом, результаты расчета находятся в хорошем согласии с экспериментальными измерениями.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Измерения АКР на двух спутниках: ERG, находившегося во внутренней магнитосфере Земли, и WIND — в солнечном ветре, перед магнитосферой Земли подтвердили результат, полученный в работе [8] с использованием данных спутника ISEE-1 о возможности захвата АКР в плазменные каналы — неоднородности плотности, вытянутые вдоль магнитного поля. Показано, что распространение АКР по каналам приводит к переносу излучения в области, которые были недоступны для этого излучения — оно не попадает в эти область при отсутствии плазменных каналов. Установлено, что при распространении излучения в каналах происходит трансформация спектра — уровень высокочастотных составляющих спектра уменьшается, поскольку часть энергии на этих частотах уходит из канала — просачивается через стенки.

Данные спутника ERG (Arase), а также описание и характеристики научных приборов, получены от научного центра ERG под управлением ISAS/JAXA и ISEE/Университет Нагоя на сайте https://ergsc.isee.nagoya-u.ac.jp/ [10, 11]. В исследовании анализируются данные прибора PWE HFA-L2 v01.01. [12, 13]. Данные спутника WIND доступны по адресу https://cdaweb.gsfc.nasa.gov/pub/data/wind/. Исследования В. И. Колпак и А. А. Чернышова поддержаны Фондом развития теоретической физики и математики “БАЗИС”. Авторы благодарны А. Г. Демехову за полезные замечания.

作者简介

V. Kolpak

Space Research Institute of the Russian Academy of Sciences; Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation of the Russian Academy of Sciences

编辑信件的主要联系方式.
Email: lera.kolpak@yandex.ru
俄罗斯联邦, Moscow; Moscow

M. Mogilevsky

Space Research Institute of the Russian Academy of Sciences

Email: lera.kolpak@yandex.ru
俄罗斯联邦, Moscow

D. Chugunin

Space Research Institute of the Russian Academy of Sciences

Email: lera.kolpak@yandex.ru
俄罗斯联邦, Moscow

A. Chernyshov

Space Research Institute of the Russian Academy of Sciences

Email: lera.kolpak@yandex.ru
俄罗斯联邦, Moscow

I. Moiseenko

Space Research Institute of the Russian Academy of Sciences

Email: lera.kolpak@yandex.ru
俄罗斯联邦, Moscow

参考

补充文件