Использование матрицы события для хоров из нижней частотной полосы с целью определения некоторых характеристик механизма их возбуждения

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Работа посвящена изучению количественных характеристик механизма возбуждения ОНЧ хоровых излучений посредством анализа данных высокого разрешения с космического аппарата Van Allen Probe. Выбран характерный пример хоров со спектральными формами в нижней частотной полосе (ниже половины электронной циклотронной частоты) в области локального минимума магнитного поля за плазмопаузой в средней магнитосфере. Предложен и реализован на примере хоров в нижней частотной полосе новый метод анализа квазигармонических сигналов, записанных с высокой частотой оцифровки. Результаты измерений волнового поля в канале данных высокого разрешения представлены в виде прямоугольной матрицы события, каждая строка которой соответствует одному циклу волнового процесса. В матрице события выбраны строки, отвечающие тем фрагментам реализации, которые характеризуют естественный источник зарождения коротких электромагнитных импульсов. Это дало возможность определить комплексные собственные значения характеристического уравнения источника на линейной стадии возбуждения хоров. Значения корней характеристического уравнения, установленные при анализе данных наблюдений хоров, соответствуют реализации возбуждения хоров посредством усиления шумовых электромагнитных импульсов в планарном волноводе уплотнения.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

П. А. Беспалов

Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН; Национальный исследовательский университет “Высшая школа экономики”

Автор, ответственный за переписку.
Email: pbespalov@mail.ru
Россия, Нижний Новгород; Нижний Новгород

О. Н. Савина

Национальный исследовательский университет “Высшая школа экономики”

Email: onsavina@mail.ru
Россия, Нижний Новгород

Г. М. Нещеткин

Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН; Национальный исследовательский университет “Высшая школа экономики”

Email: gmheschetkin@edu.hse.ru
Россия, Нижний Новгород; Нижний Новгород

Список литературы

  1. Арцимович Л.А., Сагдеев Р.З. Физика плазмы для физиков. М.: Атомиздат, 313 с. 1979.
  2. Agapitov O., Blum L.W., Mozer F.S., Bonnell J.W., Wygant J. Chorus whistler wave source scales as determined from multipoint Van Allen Probe measurements // Geophys. Res. Lett. V. 44. N 6. P. 2634–2642. 2017. https://doi.org/10.1002/2017GL072701
  3. Bell T.F., Inan U.S., Hague N., Pickett J.S. Source regions of banded chorus // Geophys. Res. Lett. V. 36. N 11. ID L11101. 2009. https://doi.org/10.1029/2009GL037629
  4. Bespalov P., Savina O. An excitation mechanism for discrete chorus elements in the magnetosphere // Ann. Geophys. V. 36. N 5. P. 1201–1206. 2018. https://doi.org/10.5194/angeo-36-1201
  5. Bespalov P.A., Savina O.N. Excitation of chorus with small wave normal angles due to beam pulse amplifier (BPA) mechanism in density ducts // Ann. Geophys. V. 37. N 5. P. 819–824. 2019. https://doi.org/10.5194/angeo-37-819-2019
  6. Bespalov P.A., Savina O.N. Electromagnetic pulse amplification in a magnetized nearly stable plasma layer // Results Phys. V. 28. ID 104607. 2021. https://doi.org/10.1016/j.rinp.2021.104607
  7. Bespalov P.A., Savina O.N., Neshchetkin G.M. Hausdorf dimension of electromagnetic chorus emissions in their excitation region according to Van Allen probe data // Results Phys. V. 35. ID 105295. 2022. https://doi.org/10.1016/j.rinp.2022.105295
  8. Bortnik J., Thorne R.M., Meredith N.P. The unexpected origin of plasmaspheric hiss from discrete chorus emissions // Nature. V. 452. N 7183. P. 62–66. 2008. https://doi.org/10.1038/nature06741
  9. Chen H., Wang X., Chen L., Omura Y., Lu Q., Chen R., Xia Z., Gaoet X. Simulation of downward frequency chirping in the rising tone chorus element // Geophys. Res. Lett. V. 50. N 9. ID e2023GL103160. 2023. https://doi.org/10.1029/2023GL103160
  10. Fu X., Cowee M.M., Friedel R.H., Funsten H.O., Gary S.P., Hospodarsky G.B., Kletzing C., Kurth W., Larsen B.A., Liu K., MacDonald E.A., Min K., Reeves G.D., Skoug R.M., Winske D. Whistler anisotropy instabilities as the source of banded chorus: Van Allen Probes observations and Particle-in-Cell simulations // J. Geophys. Res. – Space. V. 119. N 10. P. 8288–8298. 2014. https://doi.org/10.1002/2014JA020364
  11. Gao X., Lu Q., Bortnik J., Li W., Chen L., Wang S. Generation of multiband chorus by lower band cascade in the Earth’s magnetosphere // Geophys. Res. Lett. V. 43. N 6. P. 2343–2350. 2016. https://doi.org/10.1002/2016GRL068313
  12. Haque N., Inan U.S., Bell T.F., Pickett J.S., Trotignon J.G., Facsko G. Cluster observations of whistler mode ducts and banded chorus // Geophys. Res. Lett. V. 38. N 18. ID L18107. 2011. https://doi.org/10.1029/2011GL049112
  13. Helliwell R.A. Whistlers and related ionospheric phenomena. Stanford, CA: Stanford University Press, 349 p. 1965.
  14. Helliwell R.A. The role of the Gendrin mode of VLF propagation in the generation of magnetospheric emissions // Geophys. Res. Lett. V. 22. N 16. P. 2095–2098. 1995. https://doi.org/10.1029/95GL02003
  15. Karpman V.I., Kaufman R.N. Whistler wave propagation in magnetospheric ducts (in the equatorial region) // Planet. Space Sci. V. 32. N 12. P. 1505–1511. 1984. https://doi.org/10.1016/0032-0633(84)90017-5
  16. Katoh Y., Omura Y. Electron hybrid code simulation of whistler mode chorus generation with real parameters in the Earth’s inner magnetosphere // Earth Planets Space. V. 6. N 1. ID 192. 2016. https://doi.org/10.1186/s40623-016-0568-0
  17. Kletzing C.A., Kurth W.S., Acuna M., et al. The Electric and Magnetic Field Instrument Suite and Integrated Science (EMFISIS) on RBSP // Space Sci. Rev. V. 179. N 1–4. P. 127–181. 2013. https://doi.org/10.1007/s11214-013-9993-6
  18. Kurita S., Katoh Y., Omura Y., Angelopoulos V., Cully C.M., Le Conte O., Misawa H. THEMIS observation of chorus elements without a gap at half the gyrofrequency. J. Geophys. Res. – Space. V. 117. N 11. ID A11223. 2012. https://doi.org/10.1029/2012JA018076
  19. Meredith N.P., Cain M., Horne R.B., Thorne R.M., Summers D., Anderson R.R. Evidence for chorus-driven electron acceleration to relativistic energies from a survey of geomagnetically disturbed periods // J. Geophys. Res. – Space. V. 108. N 6. ID 1248. 2003. https://doi.org/10.1029/2002JA009764.
  20. Omura Y., Katoh Y., Summers D. Theory and simulation of the generation of whistler-mode chorus // J. Geophys. Res. – Space. V. 113. N 4. ID A04223. 2008. https://doi.org/10.1029/2007JA012622
  21. Summers D., Thorne R.M., Xiao F. Relativistic theory of wave-particle resonant diffusion with application to electron acceleration in the magnetosphere // J. Geophys. Res. – Space. V. 103. N 9. P. 20487–20500. 1998. https://doi.org/10.1029/98JA01740
  22. Trakhtengerts V.Y. Magnetosphere cyclotron maser: Backward wave oscillator generation regime // J. Geophys. Res. – Space. V. 100. N 9. P. 17205–17210. 1995. https://doi.org/10.1029/95JA00843
  23. Zhou C., Li W., Thorne R.M., Bortnik J., Ma Q., An X., Zhang X.-J., Angelopoulos V., Ni B., Gu X., Fu S., Zhao Z. Excitation of dayside chorus waves due to magnetic field line compression in response to interplanetary shocks // J. Geophys. Res. – Space. V. 120. N 10. P. 8327–8338. 2015. https://doi.org/10.1002/2015JA021530

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Спектральные формы типичного всплеска хоров с низким (а) и высоким (б) временным разрешением. Белой линией показана половина локальной электронной циклотронной частоты.

Скачать (278KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Осциллограмма волнового поля, на которой звездочками показаны результаты последовательных измерений величины BU-компоненты.

Скачать (406KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Звездочки соответствуют известным измерениям компоненты BU волнового магнитного поля, пиковые значения помечены квадратиками (Uk, Uk + 1) и кружочками (Dk), черная линия − построенная нами в итоге аппроксимация из фрагментов косинусов на основе формул (14).

Скачать (220KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Реконструированные корни характеристического уравнения, описывающего линейную стадию возбуждения хоров. При выборе этих 12 кластеров в матрице события использовалось сохранение в последовательных четырех и более строках величин γ, ω, φ с разбросом 10%.

Скачать (88KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Результат дополнительно проверки выполнения закономерности (2) для одного из найденных корней характеристического уравнения.

Скачать (205KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Корни характеристического уравнения (в), динамический спектр сигнала (б), распределение корней (а, г).

Скачать (164KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Зависимость частоты ωv от продольной компоненты волнового вектора kz для свистовых волн с дисперсионным уравнением (12). Штриховая линия соответствует равенству продольной фазовой и групповой скоростей.

Скачать (62KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Результат численного решения характеристического уравнения (13).

Скачать (86KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Концентрация фоновой плазмы вдоль траектории полета космического аппарата. Всплеск хоров, показанный на рис. 1б, наблюдался в промежутке, помеченном вертикальными линиями.

Скачать (66KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024