ВВЕДЕНИЕ
Важным параметром УНЧ-волны в магнитосфере, определяющим ее свойства и характер резонансного взаимодействия с заряженными энергичными частицами, является азимутальное волновое число m. Оно представляет собой количество длин волн, которое укладывается в кольцевую траекторию распространения волны вокруг Земли в азимутальном направлении. Азимутальное волновое число определяет энергию вступающих в дрейфовый резонанс с волной частиц. Считается, что волны с внешними и внутренними по отношению к магнитосфере источниками имеют азимутальные волновые числа разного порядка. Так, волны с малыми m, имеющие обычно преимущественно тороидальную поляризацию, связывают с быстрым магнитным звуком, распространяющимся от магнитопаузы или из солнечного ветра внутрь магнитосферы и возбуждающим альфвеновские волны на тех магнитных оболочках, частоты собственных колебаний которых совпадают с его частотой [Chen, Hasegawa, 1974; Southwood, 1974]. Источником волн с большими азимутальными волновыми числами (обычно 20) являются внутримагнитосферные процессы. Эти волны часто идентифицируют как полоидальные альфвеновские моды, хотя разделение по поляризации на тороидальные и полоидальные волны довольно условно, поскольку компоненты колебаний бывают соизмеримы, кроме того, волны могут претерпевать трансформацию из полоидальных в тороидальные [Klimushkin et al., 2004].
Существует несколько способов определения азимутального волнового числа по наземным и спутниковым данным [Zong et al., 2017]. Наиболее прямой из них — определение разности фаз волны между двумя (или более) разнесенными по долготе точками измерения:
(1)
где Δφ — разность между фазами волны в точках измерений, а Δλ — разность их долгот. Положительные значения m соответствуют распространению волны на восток, а отрицательные — на запад. Точки измерений могут находиться как в магнитосфере, на спутниках, так и на поверхности Земли. Но из-за экранирования ионосферой волн с большими азимутальными волновыми числами их практически невозможно регистрировать с помощью наземных магнитометров. Однако возможны наблюдения таких волн с помощью радаров [Yeoman et al., 2012], которые являются удобными инструментами для изучения пространственной структуры колебаний в магнитосфере.
В экспериментах обычно наблюдаются волны с большими m, распространяющиеся на запад (m<0). Такие волны могут эффективно взаимодействовать с высокоэнергичными протонами, скорость дрейфа которых также направлена к западу [Zong et al., 2017]. Волны с m>0, распространяющиеся на восток, наблюдаются сравнительно редко [Eriksson et al., 2006; Le et al., 2011]. Эти волны могут эффективно взаимодействовать с электронами, скорость дрейфа которых направлена на восток, как и фазовая скорость волн с m>0. Энергичные электроны могут генерировать волны с m>0 благодаря дрейфовому резонансу. Действительно, как показано в работах [James et al., 2013; Hori et al., 2018], волны с положительными m наблюдаются к востоку от суббуревых инжекций, что говорит о том, что они генерировались энергичными электронами, инжектированными во время суббурь. Природа азимутально-мелкомасштабных волн с восточным распространением не ясна. В большинстве случаев их связывают с альфвеновскими волнами, однако Костарев и Магер [2017] показали, что в направлении дрейфа электронов могут распространяться также дрейфово-компрессионные волны в диапазоне Pc5. В работе [Takahashi et al., 1987] высказано предположение о том, что волны, с точки зрения неподвижного наблюдателя распространяющиеся на восток за пределами геостационарной орбиты, распространяются к западу относительно облака протонов, дрейфующего на восток под действием электрического поля со скоростью большей, чем фазовая скорость волны.
Что касается волн с малыми азимутальными волновыми числами, то, поскольку их источники находятся в солнечном ветре либо связаны с его взаимодействием с магнитосферой, они преимущественно распространяются в направлении от подсолнечной точки [Мазур, Чуйко, 2011; Mazur, Chuiko, 2013].
В работе рассмотрен ряд наблюдений магнитосферных волн с положительными азимутальными волновыми числами. Использован среднеширотный когерентный радар, расположенный под Екатеринбургом. Колебания наблюдались в течение 2014 г. и трех месяцев 2015 г. Рассмотрено направление их распространения и особенности поляризации. Частично эти данные использовались в работе [Chelpanov et al., 2018], в которой проведено сравнение частот наблюдаемых с помощью радара волн с частотами альфвеновской моды. Эти результаты также учитываются при анализе в данном исследовании.
