Исследование ОНЧ излучений по результатам спутниковых и наземных наблюдений

В околоземной плазме взаимодействие волн и частиц играет важную роль, обеспечивая ускорение частиц и регулируя энергетический баланс в магнитосферно-ионосферной системе. Циклотронное взаимодействие волн свистовой моды, или как принято в магнитосферной физике, очень низкочастотных (ОНЧ) волн с энергичными электронами в значительной степени определяет динамику радиационных поясов, а также высыпание электронов в верхнюю атмосферу. Спутниковые и наземные эксперименты показывают большое многообразие типов высыпаний энергичных электронов и ОНЧ эмиссий, их сложные пространственно-временные корреляции.

Работы по экспериментальной проверке моделей различных режимов циклотронного взаимодействия волн и частиц в магнитосфере выполнены в последние годы при сотрудничестве с ИПФ (Нижний Новгород), некоторые из полученных результатов приведены ниже.

1) Получены первые экспериментальные подтверждения генерации хоров в режиме лампы обратной волны (ЛОВ). По данным спутника MAGION-5 показано, что ЛОВ режим качественно объясняет величины наклонов хоровых элементов и их зависимости от L-оболочек, полученные на удалении 30&grad;-50&grad; от экваториального источника хоров (Titova et al., Ann. Geophys., 21, 1073, 2003). Характеристики источника и средние параметры хоровых излучений, определенные вблизи области генерации для одного пролета спутника CLUSTER, также согласуются с ЛОВ моделью (Trakhtengerts et al., Physics of Plasmas, 11, 1345, 2004; Kozelov et al., JGR, 113, A06216, doi:10.1029/2007JA012886, 2008).

2) Новые типы динамических спектров QP эмиссий были обнаружены в экспериментах на спутниках FREJA и MAGION. Результаты численных расчетов модели проточного циклотронного мазера показали, что на базе этой модели можно объяснить не только временные характеристики QP эмиссий (такие как период повторения и длительность элементов), но и спектральные характеристики, такие как частотные полосы и особенности спектральных форм элементов QP эмиссий ( Pasmanik, Titova et al. Annales Geophysicae. 22,.4351–4361, 2004).

3) Новый тип локализованных высыпаний энергичных электронов, характеризуемый скачкообразным увеличением потока захваченных частиц одновременно с усилением потока высыпающихся электронов был обнаружен по данным спутника NOAA. Характеристики этого типа вторжений (локализация в вечернем секторе вблизи градиентов холодной плазмы, появление на фазе затухания магнитной бури, зависимость скорости диффузии в конус потерь от потока захваченных частиц, зависимость широты наблюдения от MLT) удается объяснить циклотронным взаимодействием ОНЧ волн с дрейфующими энергичными электронами на границе так называемого “языка” холодной плазмы, образующегося во время магнитной бури при деформации плазмосферы (Titova et al., . Ann. Geophysicae 16, 25-33 1998).

4) По данным одновременных наблюдений телевизионных изображений полярных сияний и ОНЧ излучений обнаружена связь движущихся форм пульсирующих авроральных пятен и низкочастотных излучений в КНЧ-ОНЧ диапазонах. Показано, что свечение в пульсирующих авроральных пятнах, связанных со всплесками ОНЧ хоров, смещается (расширяется) со скоростями 1 -10 км/сек на порядок превосходящими дрейфовую скорость в магнитосферном электрическом поле (Новиков Ю.П., Миронов А.А., Титова Е.Е., Геомагнетизм и аэрономия, Т. 34, N5, 32-36, 1994; Tagirov V.R., Ismagilov V.S., Titova E.E. at al., Ann. Geophys., 17, 66-78, 1999).

5) Для объяснения степенного распределения временных интервалов между хоровыми элементами была построена численная модель генерации ОНЧ хоровых эмиссий, в которой генерация ОНЧ хоров происходит в режиме перемежаемости типа “включено-выключено” вблизи порога генерации в магнитосферном генераторе типа ЛОВ (Козелов Б.В., Титова Е.Е., Любчич А.А., Трахтенгерц В.Ю., Маннинен.Ю. , Геомагнетизм и аэрономия. 43 , 635-644, 2003).

Основные публикации

Titova, E. E., B. V. Kozelov, F. Jiricek, J. Smilauer, A. G. Demekhov, and V. Y. Trakhtengerts, Verification of backwards wave oscillator model of VLF chorus generation using data from MAGION 5 satellite, Ann. Geophysicae, 21, 1073-1081, 2003.

Козелов, Б.В., Титова, Е.Е., Любчич, А.А., Трахтенгерц, В.Ю., Маннинен, Ю., Перемежаемость типа «включено-выключено» как возможный режим формирования последовательности КНЧ-ОНЧ-«хоров», Геомагнетизм и аэрономия, 43, 635-644, 2003.

Pasmanik, D.L., Trakhtengerts, V.Y., Demekhov, A.G., Lubchich, A.A., Titova, E.E., Yahnina, T.A., Rycroft, M.J., Manninen, J., and Turunen, T., A quantitative model for cyclotron wave-particle interaction at the plasmapause, Ann. Geophysicae., 16, 322-330, 1998.

Pasmanik D. L., Titova E. E., Demekhov A. G., Trakhtengerts V. Y., Santolik O., Jiricek F., Kudela K., and Parrot M., Quasi-periodic ELF/VLF wave emissions in the Earth’s magnetosphere: comparison of satellite observations and modeling, Annales Geophysicae, 22, 4351–4361, 2004.

Trakhtengerts, V. Y., Demekhov, A. G., Titova, E. E., Kozelov, B. V., Santolik, O., Gurnett, D., Parrot, M., Interpretation of Cluster data on chorus emissions using the backward wave oscillator model, Physics of Plasmas, 11, 1345 – 1353, 2004.

Titova E.E, Yahnin A.G., Santolik O., Gurnett D.A., Jiricek F., Smilauer J., Rauch J.-L., Lefevre F., Frank L.A., Sigwarth J. B., Mogilevsky M.M., Relationship between the VLF hiss observed at high altitudes within the polar cap and auroral dynamics during substorms, Annales Geophysicae, 23, 2117-2128, 2005.

Lubchich, A.A., A.G. Yahnin, E.E. Titova, A.G. Demekhov, V.Yu.Trakhtengerts, J. Manninen, T. Turunen, Longitudinal drift of substorm electrons, as the reason of impulse precipitation events and VLF emissions, Annales Geophysicae, 24, 2667-2684, 2006.

Trakhtengerts V.Y., Demekhov A.G., Titova E.E., Kozelov B.V., Santolik O., Macusova E., Gurnett D., Pickett J.S., Rycroft M.J., and Nunn D., Formation of VLF chorus frequency spectrum: Cluster data and comparison with the backward wave oscillator model, Geophys. Res. Lett., 34, L02104, doi:10.1029/2006GL027953, 2007.

Titova E.E., Demekhov A.G., Pasmanik D.L., Trakhtengerts V.Y., J. Manninen, T. Turunen, Rycroft M.J., Ground-based observations at L ~ 6 of multi-band structures in VLF hiss, Geophys. Res. Lett. , 34, L02112, doi:10.1029/2006GL028482, 2007.

Kozelov B.V., Demekhov A.G., Titova E.E., Trakhtengerts V.Y., Santolik O., Macusova E., Gurnett D.A., Pickett J.S. Variations in the chorus source location deduced from fluctuations of the ambient magnetic field: comparison of CLUSTER data and the backward-wave oscillator model, J. Geophys. Res., 113, A06216, doi:10.1029/2007JA012886, 2008.

Santolik, O., Macusova, E., Titova, E. E., Kozelov, B. V., Gurnett, D. A., Pickett, J. S., Trakhtengerts, V. Y., Demekhov, A. G., Frequencies of wave packets of whistler-mode chorus inside its source region: a case study Annales Geophysicae, 26, 1665-1670, 2008.

Д. Л. Пасманик, А. Г. Демехов, В. Ю. Трахтенгерц, Е. Е. Титова, М. Райкроф, O распространении нижнегибридных волн в областях с пониженной концентрацией плазмы в верхней авроральной ионосфере. Известия вузов. Радиофизика, LII, № 4, 279-289, 2009.