Иркутск, Россия
Иркутск, Россия
Проведен численный анализ пространственной структуры альфвеновских волн в неоднородной плазме конечного давления в дипольной модели магнитосферы. Были рассмотрены три модели магнитосферы, различающиеся максимальным плазменным давлением и градиентом давления. Была рассмотрена задача на собственные значения частоты волны. Установлено, что частота полоидальной моды может быть либо больше частоты тороидальной моды, либо меньше ее в зависимости от давления плазмы и его градиента. Рассмотрена задача на собственные значения радиальной компоненты волнового вектора. Найдены точки отражения альфвеновской волны в различных моделях магнитосферы. Показано, что область распространения волны в модели с холодной плазмой существенно уже, чем в моделях с конечным давлением плазмы. Исследована структура главной гармоники альфвеновской волны при смене ее поляризации в трех моделях магнитосферы. Проведено численное исследование влияния давления плазмы на структуру поведения всех компонент электрического и магнитного поля альфвеновских волн. Установлено, что при определенных параметрах модели магнитосферы магнитное поле может иметь три узла в то время как в модели с холодной плазмой только один. Кроме того, продольная компонента магнитного поля дважды меняет знак вдоль силовой линии магнитного поля.
МГД-волны, дипольная модель магнитосферы, МГД-резонансы
1. Гульельми А.В. Поляризационное расщепление спектра альфвеновских колебаний магнитосферы. Геомагнетизм и аэрономия. 1970. T. 10. С. 524–525.
2. Гульельми А.В., Золотухина Н.А. Возбуждение альфвеновских колебаний магнитосферы асимметричным кольцевым током. Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. 1980. № 50. С. 129–138.
3. Гульельми А.В., Потапов А.С. Об особенности поля МГД-волны в неоднородной плазме. Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. 1984. № 70. С. 149–157.
4. Климушкин Д.Ю. Метод описания альфвеновской и магнитозвуковой ветвей колебаний неоднородной плазмы. Физика плазмы. 1994. Т. 2, № 3. С. 309–315.
5. Климушкин Д.Ю., Магер П.Н., Челпанов М.А. и др. Взаимодействие длиннопериодных УНЧ-волн и заряженных частиц в магнитосфере: теория и наблюдения (обзор). Солнечно-земная физика. 2021. Т. 7, № 4. С. 35–69. DOI: 10.12737/szf-74202105.
6. Леонович А.С., Мазур В.А. Линейная теория МГД-колебаний в магнитосфере. М.: Физматлит, 2016. С. 480.
7. Магер П.Н., Климушкин Д.Ю. Генерация альфвеновских волн движущейся неоднородностью плазмы в магнитосфере. Физика плазмы. 2007. Т. 33, № 5. C. 435–442.
8. Мазур В.А., Чуйко Д.А. Возбуждение магнитосферного МГД-резонатора неустойчивостью Кельвина—Гельмгольца. Физика плазмы. 2011. Т. 37. С. 979–1000.
9. Мазур Н.Г., Федоров Е.Н., Пилипенко В.А. Дисперсионное соотношение для баллонных мод и условие их устойчивости в околоземной плазме. Геомагнетизм и аэрономия. 2012. Т. 52, № 5. С. 639–648.
10. Мазур Н.Г., Федоров Е.Н., Пилипенко В.А. Продольная структура баллонных МГД-возмущений в модельной магнитосфере. Косм. иссл. 2014. Т. 52. С. 1–11. DOI: 10.7868/ S0023420614030078.
11. Мишин В.В., Клибанова Ю.Ю., Цэгмэд Б. Влияние наклона фронта неоднородности солнечного ветра на свойства вызванных им длиннопериодных геомагнитных пульсаций. Косм. иссл. 2013. Т. 51, № 2. С. 107–118. DOI: 10.1134/S0010952513020020.
12. Потапов А.С., Цэгмэд Б., Рыжакова Л.В. Связь потоков релятивистских электронов на геостационарной орбите с уровнем УНЧ-активности на поверхности Земли и в солнечном ветре в 23-м цикле солнечной активности. Косм. иссл. 2012. Т. 50, № 2. С. 130–146. DOI: 10.1134/S0 010952512020086.
13. Сафаргалеев В.В., Мальцев Ю.П. Внутренние гравитационные волны в плазменном слое. Геомагнетизм аэрономия. 1986. Т. 26. С. 220–223.
14. Agapitov A.V., Cheremnykh O.K., Parnowski A.S. Ballooning perturbations in the inner magnetosphere of the Earth: Spectrum, stability and eigenmode analysis. Adv. Space Res. 2008. Vol. 41. P. 1682–1687. DOI: 10.1016/j.asr.2006.12.040.
15. Agapitov O., Glassmeier K.H., Plaschke F., Auster H.U., Constantinescu D., Angelopoulos V., Magnes W., Nakamura R., Carlson C.W., Frey S., McFadden J.P. Surface waves and field line resonances: A THEMIS case study. J. Geophys. Res. 2009. Vol. 114. P. A00C27. DOI: 10.1029/2008JA013553.
16. Chen L., Hasegawa A. Kinetic theory of geomagnetic pulsations: 1. Internal excitations by energetic particles. J. Geophys. Res. 1991. Vol. 96. P. 1503–1512. DOI: 10.1029/90JA02346.
17. Cheremnykh O.K., Parnowski A.S. Flute and ballooning modes in the inner magnetosphere of the Earth: Stability and influence of the ionospheric conductivity. Space Sci.: New Res. New York: Nova Science Publ., 2006. P. 71–108.
18. Clausen L.B., Yeoman T.K. Comprehensive survey of Pc4 and Pc5 band spectral content in Cluster magnetic field data. Ann. Geophys. 2009. Vol. 27, no. 8. P. 3237–3248. DOI: 10.5194angeo-27-3237-2009.
19. Cummings W.D., OS’ullivan R.L., Coleman P.J. Standing Alfvén waves in the magnetosphere. J. Geophys. Res. 1969. Vol. 74, no. 3. P. 778–793.
20. Dai L., Takahashi K., Wygant J.R., et. al. Excitation of poloidal standing Alfvén waves through drift resonance wave particle interaction. Geophys. Res. Lett. 2013. Vol. 40, no. 16. P. 4127–4132.
21. Elsden T., Wright A.N. Polarization properties of 3D field line resonances. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2022. Vol. 127, no. 2. P. 1–18. DOI: 10.1029/2021JA030080.
22. Fedorov E., Pilipenko V. Engebretson M.J. ULF wave damping in the auroral acceleration region. J. Geophys. Res. 2001. Vol. 106, no. A4. P. 6203–6212. DOI: 10.1029/2000JA000022.
23. Glassmeier K.H., Othmer C., Cramm R., Stellmacher M., Engebretson M. Magnetospheric field line resonance: a comparative planetology approach. Surveys in Geophys. 1999. Vol. 20. P. 61–109. DOI: 10.1016/0273-1177(88)90154-8.
24. Hameiri E.P., Mond L.M. The ballooning instability in space plasmas, J. Geophys. Res. 1991. Vol. 96, iss. A2. P. 1513–1526. DOI: 10.1029/90JA02100.
25. Karpman V.I., Meerson B.I., Mikhailovsky A.B., Pokhotelov O.A. The effects of bounceresonances on wave growth rates in the magnetosphere. Planetary and Space Sci. 1977. Vol. 25. P. 573–585. DOI: 10.1016/0032-0633(77)90064-2.
26. Keiling A. The dynamics of the Alfvénic Oval. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2021. Vol. 219. P. 105616. DOI: 10.1016/ j.jastp.2021.105616.
27. Klimushkin D.Yu., Leonovich A.S., Mazur V.A. On the propagation of transversally small-scale standing Alfvén waves in a three-dimensionally inhomogeneous magnetosphere. J. Geophys. Res. 1995. Vol. 100, no. A6. P. 9527–9534. DOI: 10.1029/94JA03233.
28. Klimushkin D.Yu., Mager P.N., Glassmeier K.-H. Toroidal and poloidal Alfvén waves with arbitrary azimuthal wave numbers in a finite pressure plasma in the Earth’s magnetosphere. Ann. Geophys. 2004. Vol. 22, no. 1. P. 267–288. DOI: 10.5194/angeo22-267-2004.
29. Kostarev D.V., Mager P.N., Klimushkin D.Yu. Alfvén wave parallel electric field in the dipole model of the magnetosphere: gyrokinetic treatment. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2021. Vol. 126, no. 2. P. e2020JA028611. DOI: 10.1029/2020JA 028611.
30. Krylov A.L., Lifshitz A.E. Quasi-Alfvén oscillations of magnetic surfaces. Planetary and Space Sci. 1984. Vol. 32, no. 4. P. 481-492. DOI: 10.1016/0032-0633(84)90127-2.
31. Leonovich A.S., Kozlov D.A. On ballooning instability in current sheets. Plasma Phys. Control. Fusion. 2013. Vol. 55, no. 8. P. 17. DOI: 10.1088/0741-3335/55/8/085013.
32. Leonovich A.S., Mazur V.A. The spatial structure of poloidal Alfvén oscillations of an axisymmetric magnetosphere. Planetary and Space Sci. 1990. Vol. 38. P. 1231–1241. DOI: 10.1016/0032-0633(90)90128-D.
33. Leonovich A.S., Mazur V.A. A theory of transverse small-scale standing Alfvén waves in an axially symmetric magnetosphere. Planetary and Space Sci. 1993. Vol. 41. P. 697–717. DOI: 10.1016/0032-0633(93)90055-7.
34. Leonovich A.S., Mazur V.A. Standing Alfvén waves with m>>1 in an axisymmetric magnetosphere excited by a non-stationary source. Ann. Geophys. 1998. Vol. 16. P. 914–920. DOI: 10.1007/s00585-998-0914-z.
35. Leonovich A.S., Klimushkin D.Yu., Mager P.N. Experimental evidence for the existence of monochromatic transverse small-scale standing Alfvén waves with spatially dependent polarization. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2015. Vol. 120. P. 5443–5454. DOI: 10.1002/2015JA021044.
36. Leonovich A.S., Zong Q.G., Kozlov D.A., et al. The field of shock-generated Alfvén oscillations near the plasmapause. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2021. Vol. 126, no. 8. P. 20–55. DOI: 10.1029/2021JA029488.
37. Lysak R.L., Song Y. Magnetosphere–ionosphere coupling by Alfvén waves: Beyond current continuity. Adv. Space Res. 2006. Vol. 38, no. 8. P. 1713–1719.
38. Mager O.V. Alfvén waves generated through the drift bounce resonant instability in the ring current: A THEMIS multi-spacecraft case study. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2021. Vol. 126, no. 11. P. e2021JA029241. DOI: 10.1029/2021 JA029241.
39. Mager P.N., Klimushkin D.Y. The field line resonance in the three-dimensionally inhomogeneous magnetosphere: Principal features. J. Geophys Res.: Space Phys. 2021. Vol. 126, no. 1. DOI: 10.1029/2020JA028455.
40. Mager P.N., Klimushkin D.Yu., Pilipenko V.A., Schafer S. Field-aligned structure of poloidal Alfvén waves in a finite pressure plasma. Ann. Geophys. 2009. Vol. 27, no. 10. P. 3875–3882. DOI: ann-geophys.net/27/3875/2009.
41. Mager P.N., Mikhailova O.S., Mager O.V., Klimushkin D.Yu. Eigenmodes of the Transverse Alfvénic resonator at the plasmapause: A Van Allen Probes case study. Geophys. Res. Lett. 2018. Vol. 45. P. 10,796–10,804. DOI: 10.1029/2018GL079596.
42. Mann I.R., Wright A.N. Finite lifetime of ideal poloidal Alfvén waves J. Geophys. Res. 1995. Vol. 100, no. A12. P. 23677–23686. DOI: 10.1029/95JA02689.
43. Mann I.R., Murphy K.R., Ozeke L.G., et al. The Role of Ultralow Frequency Waves in Radiation Belt Dynamics. Geophys. Monograph Ser. 2012. Vol. 199. P. 69–92. Washington: American Geophysical Union Publ., 2012. P. 69–92. DOI: 10.1029/2012GM001349.
44. Pilipenko V., Fedorov E., Engebretson M.J., Yumoto K. Energy budget of Alfvén wave interactions with the auroral acceleration region. J. Geophys. Res. 2004. Vol. 109, no. A10. P. A10204. DOI: 10.1029/2004JA010440.
45. Pilipenko V., Kozyreva O., Fedorov E., et al. Latitudinal amplitude-phase structure of MHD waves: STARE radar and IMAGE magnetometer observations and modeling. Solar-Terr. Phys. 2016. Vol. 2, no. 3. P. 41–51. DOI: 10.12737/19418.
46. Radoski H.R. Highly asymmetric MHD resonances. The guided poloidal mode. J. Geophys. Res. 1967. Vol. 72, no. 15. P. 4026–4033. DOI: 10.1029/JZ072i015p04026.
47. Rubtsov A.V., Mager P.N., Klimushkin D.Yu. Ballooning instability in the magnetospheric plasma: Two-dimensional eigenmode analysis. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2020. Vol. 125, no. 1. P. e2019JA027024. DOI: 10.1029/2019JA 027024.
48. Samson J.C. ULF wave studies using ground-based arrays. Adv. Space Res. 1988. Vol. 8. P. 399–411. DOI: 10.1016/0273-1177(88)90154-8.
49. Southwood D.J. Wave generation in the terrestrial magnetosphere. Space Sci. Rev. 1983. Vol. 34, no. 3, P. 259–270. DOI: 10.1007/BF00175282.
50. Southwood D.J., Saunders M.A. Curvature coupling of slow and Alfvén MHD waves in a magnetotail field configuration. Planetary and Space Sci. 1985. Vol. 33. P. 127–134. DOI: 10.1016/0032-0633(85)90149-7.
51. Тakahashi K., Claudepierre S.G., Rankin R., et al. Van Allen Probes Observation of a Fundamental Poloidal Standing Alfvén wave event related to giant pulsations. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2018a, Vol. 123. P. 4574–4593. DOI: 10.1029/2017JA025139.
52. Takahashi K., Oimatsu S., Nose M., et al. Van Allen Probes observations of second harmonic poloidal standing Alfvén waves. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2018b. Vol. 123. P. 611–637. DOI: 10.1002/2017JA024869.
53. Tamao T. Magnetosphere-ionosphere interaction through hydromagnetic waves. Achievements of the International Magnetospheric Study (IMS). Vol. 217. ESA Special Publ., 1984. P. 427–435.
54. Walker A.D.M. Theory of magnetospheric standing hydromagnetic waves with large azimuthal wave number. 1. Coupled magnetosonic and Alfvén waves. J. Geophys. Res. 1987. Vol. 92, no. A9. P. 10039–10045. DOI: 10.1029/JA092iA09p10039.
55. Wright A., Degeling A. W., Elsden T. Resonance Maps for 3D Alfvén waves in a compressed dipole field. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2022. Vol. 127, no. 4. P. e2022JA030294. DOI: 10.1029/2022JA030294.
56. Xia Z., Chen L., Zheng L., Chan A.A. Eigenmode analysis of compressional poloidal modes in a selfconsistent magnetic field. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2017. Vol. 122, A11. P. 10369–10381. DOI: 10.1002/2017JA024376.
57. Xing X., Wolf R. A. Criterion for interchange instability in a plasma connected to a conducting ionosphere. J. Geophys. Res. 2007. Vol. 112, no. A12. P. A12209. DOI: 10.1029/2007 JA012535.
58. Zong Q.-G., Rankin R., Zhou X. The interaction of ultra-low-frequency Pc3–5 waves with charged particles in Earth’s magnetosphere. Rev. Modern Plasma Phys. 2017. Vol. 1, no. 1. P. 10. DOI: 10.1007s41614-017-0011-4.
