Письма в ЖЭТФ, том 115, вып. 10, с. 636 - 641

Каналирование аврорального километрового радиоизлучения

при геомагнитных возмущениях¹⁾

М. М. Могилевский⁺²⁾, Д. В. Чугунин⁺, А. А. Чернышов⁺, В. И. Колпак^+∗×, И. Л. Моисеенко⁺,

Ё. Касахара^◦3), Ё. Миёши^∇3)

⁺Институт космических исследований РАН, 117997 Москва, Россия

^∗Национальный исследовательский университет “Высшая школа экономики”, 101000 Москва, Россия

^×Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н. В. Пушкова РАН,

108840 Троицк, Москва, Россия

^◦Университет Каназава, 920-1192 Каназава, Япония

^∇Университет Нагоя, 464-8601 Нагоя, Япония

Поступила в редакцию 19 апреля 2022 г.

После переработки 22 апреля 2022 г.

Принята к публикации 22 апреля 2022 г.

Представлены результаты измерений электромагнитных полей на спутнике ERG и проведен их срав-

нительный анализ с измерениями на спутнике WIND. Подтверждена возможность захвата аврорального

километрового радиоизлучения (АКР) в плазменные каналы, впервые обнаруженная на спутнике ISEE.

Плазменные неоднородности, образующиеся при увеличении геомагнитной активности, вытягиваются

вдоль магнитного поля и формируют каналы, вдоль которых происходит перенос излучения. Спектр за-

хваченного радиоизлучения искажается, что связано с относительным положением источника и канала

на низких частотах. Искажение спектра АКР на высоких частотах связано с частотной зависимостью

условий распространения в канале. Обнаружена несимметричность протекания процессов формирова-

ния плазменных каналов и источников АКР в северной и южной авроральных областях.

DOI: 10.31857/S1234567822100068, EDN: dytmkz

1. Распространение электромагнитных волн в

и уменьшенной (ΔN/N

< 0) плотностью плазмы

плазме с неоднородностями подробно исследовалось

были рассмотрены в работах [5, 6]. О другом ме-

для низкочастотных (НЧ) полей [1, 2]. Для про-

ханизме формирования дактов сообщалось в рабо-

хождения электромагнитного импульса, вызванно-

те [7]. По результатам быстрых измерений плотно-

го молниевым разрядом, в сопряженное полушарие

сти плазмы было показано, что при геомагнитных

необходимо в районе экватора “довернуть” волно-

возмущениях плазмосфера приближается к Земле

вой вектор, что может быть реализовано при рас-

и вблизи экваториальной плоскости от нее отделя-

пространении сигнала в плазменных каналах, так

ются сгустки плазмы, которые затем вытягивают-

называемых дактах - неоднородностях плазмы, вы-

ся вдоль магнитного поля. В образовавшиеся плаз-

тянутых вдоль магнитного поля. Такие дакты фор-

менные каналы захватывается излучение, генериру-

мируются в результате вытягивания вдоль поля

емое в приэкваториальной области, например, плаз-

ионосферных неоднородностей, а захват излучения

мосферные шипения, которые по этим каналам про-

происходит в верхней ионосфере. Аналогичным об-

никают в ионосферу.

разом происходит и распространение из одного по-

В 1982 году на спутнике ISEE-1 было обнаруже-

лушария в другое сигналов наземных низкочастот-

но, что авроральное километровое радиоизлучение

ных передатчиков [3, 4]. Последовательные теорети-

(АКР) также может быть захвачено в плазменные

ческие исследования распространения НЧ излучения

каналы, дакты, и распространяться по этим кана-

в плазменных каналах с увеличенной (ΔN/N > 0)

лам из авроральных областей во внутренние области

магнитосферы, плазмосферу [8]. В отличие от ОНЧ-

¹⁾См. дополнительный материал к данной статье на сайте

излучений, АКР захватывается только в каналы с

нашего журнала www.jetpletters.ac.ru

²⁾e-mail: mogilevsky2012@gmail.com

пониженной плотностью (ΔN/N < 0) и распростра-

³⁾Y. Kasahara, Y. Miyoshi.

няется в нем на значительные расстояния.

636

Письма в ЖЭТФ том 115 вып. 9 - 10

2022

Каналирование аврорального километрового радиоизлучения...

637

Рис. 1. (Цветной онлайн) Индексы геомагнитной активности SMU и SML. Серым цветом выделено время регистрации

излучения на спутнике ERG

2. В этой работе мы рассматриваем результаты

3. На рисунке 1 приведены индексы геомагнит-

измерений захвата АКР в плазменный канал и рас-

ной активности SMU и SML в авроральных областях

пространение этого излучения в таком канале. Для

[16]. Время регистрации излучений на спутнике ERG

этого мы используем результаты измерений на спут-

отмечено серым фоном. В течении 6 ч до начала из-

нике ERG (Arase), который был запущен 20 декаб-

мерений геомагнитная обстановка была спокойной, а

ря 2016 г. на эллиптическую орбиту с высотой апо-

в 8:50 UT началось небольшое геомагнитное возму-

гея ∼ 32 110 км (∼ 6.0 Re), высотой перигея ∼ 460 км,

щение, до 500 нТл, активная часть которого продол-

наклонением орбиты 31^◦ и периодом вращения 8 с

жалась до 10:30 UT, а затем стало ослабевать. Нали-

[9]. Наблюдения, используемые в этой статье, были

чие небольшого возмущения подтверждается измере-

сделаны с помощью высокочастотного анализатора

ниями магнитного поля в солнечном ветре, которые

(HFA) [10], входящего в комплекс приборов для из-

вызвали суббурю (см. дополнительный материал).

мерения плазменных волн (PWE) [11]. HFA вычис-

4. Результаты измерений электрической компо-

ляет спектры электрического поля в диапазоне час-

ненты поля, выполненных 19.12.2018 г. на спутнике

тот 2 кГц-10 МГц для двух компонент, перпендику-

ERG (Arase), приведены на рис. 2. Во время изме-

лярных оси вращения спутника, которая направлена

рений спутник находился, в основном, в южном по-

на Солнце. Временное разрешение составляет 8 с, а

лушарии (Z_sm < 0, здесь Z_sm - координата Z в

частотное -Δf/f < 2.5 %. Данные спутника ERG

cолнечно-магнитной системе координат) и двигался

и особенности его орбиты, были использованы ранее

по восходящей части орбиты, удаляясь от Земли: в

для изучения AKР и “континуума” излучения вблизи

09:00 UT спутник находился на границе плазмосфе-

экваториальной области [12-14].

ры, а в 11:00 UT вблизи апогея. На верхней части

Для выявления особенности спектра излучения,

рис. 2 приведена динамическая спектрограмма ам-

захваченного в плазменный волновод, проводилось

плитуды электрического поля в диапазоне частот 20-

сравнение измерений на борту спутника Arase с на-

800 кГц. Как следует из этого рисунка, в диапазоне

блюдениями на спутнике WIND. Спутник WIND был

частот 200-400 кГц наблюдаются всплески АКР, ко-

запущен 1 ноября 1994 г. в точку Лагранжа L1 и

торые до 10:10 UT следуют со средним характерным

благополучно работает в настоящее время. В этой

интервалом около 6 мин, а затем чаще, с характер-

работе мы использовали измерения электрического

ным интервалом 2-3 мин. Узкополосный сигнал на

поля в эксперименте Waves в диапазоне частот 20-

частоте, понижающейся от ∼ 200 до ∼ 100 кГц - коле-

1040 кГц (RAD1) [15].

бания поля на частоте верхнего гибридного резонан-

Письма в ЖЭТФ том 115 вып. 9 - 10

2022

638

М. М. Могилевский, Д. В. Чугунин, А. А. Чернышов и др.

Рис. 2. (Цветной онлайн) Верхняя панель - динамическая спектрограмма электрической составляющей излучения,

зарегистрированного 19.12.2018, в интервале 09-11 UT. Нижняя панель - спектрограмма коэффициента поляризации

са (ВГР): ω_UHR = (ω^2pe+ω^2Be)^1/2, где ω_pe и ω_Be - плаз-

ные компоненты электрического поля E_u и E_v. Ис-

менная частота и гирочастота электронов. Вариации

пользуя эти компоненты вычисляются проекции ле-

частоты ВГР (Δω_UHR/ω_UHR ∼ 0.5) связаны с из-

вой и правой составляющих на плоскость UV:

менениями плотности плазмы, поскольку магнитное

E_L|² =Eu +Ev exp[-(π/2)i]²/2 =

поле в интервале наблюдения плавно изменяется от

∼ 460 нТл до ∼ 120 нТл (что соответствует значениям

= (|Eu|² + |Ev|²)/2 - Im Eu E_v∗,

(1)

циклотронной частоты 13-4.5 кГц) и не может быть

причиной столь значительных изменений гибридной

E_R|² =Eu +Ev exp[+(π/2)i]²/2 =

частоты. Горизонтальные полосы на спектрограмме

= (|Eu|² + |Ev|²)/2 + ImEu E_v∗,

(2)

на частоте 110 кГц и гармониках этой частоты - бор-

товые помехи.

гдеEu и E_v - комплексные Фурье коэффициенты E

Всплески АКР регистрируются синхронно с по-

и E_v соответственно, знак ∗ - комплексное сопряже-

нижением частоты ВГР, что указывает на распро-

ние, а Im обозначает мнимую часть.

странение радиоизлучения внутри каналов с пони-

После усреднения за один оборот спутника, 8 с,

женной плотностью плазмы.

строится коэффициент поляризации:

На нижней панели приведена спектрограмма ко-

K(f) = (〈

E_R|²〉 - 〈

E_L|²〉)/(〈

E_R|²〉 + 〈

E_L|²〉).

(3)

эффициента поляризация излучения, вычисленного

на борту относительно оси вращения спутника [9],

Поскольку ось вращения спутника направлена на

для чего используются две взаимно перпендикуляр-

Солнце, то коэффициент поляризации зависит не

Письма в ЖЭТФ том 115 вып. 9 - 10

2022

Каналирование аврорального километрового радиоизлучения...

639

Рис. 3. Левая часть: спектры АКР, одновременно зарегистрированных на спутниках ERG (сплошная кривая) и WIND

(пунктирная). Всплеск на частоте 100-130 кГц - верхняя гибридная частота. Правая часть: схематическая иллюстра-

ция, поясняющая отсечку составляющих спектра на низких частотах при захвате излучения в канал. 1 - силовая

линия, на которой находится источник АКР, 2 - плазменный канал с пониженной плотностью, ϕ - раствор конуса

излучения АКР на выходе из источника. Ограниченный раствор конуса излучения и размеры канала ограничива-

ют попадание в канал частот ниже f1, источник которых расположен выше. На частоте f2 сигнал попадает в канал

частично, а на частоте f3 и выше попадает полностью

только от поляризации излучения, но и от взаимно-

полностью. Излучение, приходящее с больших высот

го расположения источника излучения и спутника.

попадает в канал частично, а частоты выше f₁ (на

Всплеск АКР в 09:17 UT на рис.2 практически ли-

рис. 3) вообще не попадают в канал, поскольку конус

нейно поляризован (K(f) = 0), а затем, по мере пере-

излучения и размеры канала ограничивают условия

мещения спутника на ночную сторону магнитосфе-

захвата.

ры, поляризация всплесков АКР меняется (умень-

Спадание спектра на высоких частотах связано

шается) и в 11:00 UT достигает значения - 0.8, что

с условиями отражения излучения от стенок плаз-

указывает на правую поляризацию излучения от ис-

менного канала. Поскольку поперечный размер кана-

точника, находящегося в северном полушарии.

ла много больше длины волны излучения, то можно

Относительное положение спутников ERG,

воспользоваться приближением геометрической оп-

WIND и источника АКР, приведенное на рис. S2 в

тики для коэффициента отражения от неоднородной

дополнительном материале, позволяет проводить

плазмы [19]:

сравнение сигналов АКР, принятых на двух спутни-

N₁ cosϕ₁ - N₂ cosϕ₂

ках, как показано на рис. S3 (см. дополнительный

(4)

N₁ cosϕ₁ + N₂ cosϕ₂

материал).

На рисунке 3 приведены спектры излучения

где N₁ - показатель преломления внутри канала,

АКР, зарегистрированных одновременно на двух

N₂ - показатель преломления вне канала, ϕ_1,2 - угол

спутниках в 09:18:35 UT. Часть излучения на низких

падения и угол преломления соответственно.

частотах

(100-200 кГц) наблюдается на спутнике

Поскольку N² ∼ (1 - ω²⁰/ω²) [20], то при уве-

WIND, но не видна на ERG. Такое обрезание низко-

личении частоты излучения показатель преломле-

частотной части спектра связано с ограничениями

ния приближается к 1 и коэффициент однократного

при захвате излучения в канал и определяется

отражения уменьшается. Суммарная мощность сиг-

соотношениями размеров канала, раствором конуса

нала в противоположном полушарии формируется

излучения и зависимостью частоты генерации АКР

многократным отражением (∑r = rn, где n - коли-

от высоты [17, 18]. Поскольку АКР генерируется

чество отражений и для конкретного примера n мо-

на локальной гирочастоте электронов, зависящей

жет достигать значения нескольких десятков), что

от высоты, то более высокочастотное излучение,

приводит к более быстрому уменьшению сигнала с

генерируемое на меньшей высоте, попадает в канал

повышением частоты.

Письма в ЖЭТФ том 115 вып. 9 - 10

2022

640

М. М. Могилевский, Д. В. Чугунин, А. А. Чернышов и др.

Рис. 4. (Цветной онлайн) Результаты измерений характеристик АКР в 10:49:55 UT 19.12.2018. Верхняя панель - спектр

амплитуды сигнала в диапазоне частот 2 кГц-1 МГц. Нижняя панель - спектр коэффициента поляризации. Отрица-

тельные значения этого коэффициента соответствуют источникам, расположенным в северном полушарии, положи-

тельные - в южном. Всплеск на 100 кГц на амплитудном спектре - частота верхнего гибридного резонанса

Пример одновременного захвата в канал излуче-

ная” - ближе к экватору и, соответственно, ближе

ний от двух источников, одного в северном, а другого

к каналу.

в южном полушарии, приведен на рис. 4.

5. По результатам измерения АКР на спутнике

ERG можно сделать следующие выводы:

Первый максимум в спектре АКР наблюдается

на частоте 190 кГц, что соответствует высоте ге-

◦ Подтвержден результат, ранее полученный на

спутнике ISEE-1: АКР может быть захвачено в ка-

нерации ∼ 6900 км. Второй максимум наблюдается

на частоте 350 кГц и высота генерации АКР долж-

нал, образованный плазменными неоднородностями

на внешней границе плазмосферы.

на быть ∼ 4300 км. При переходе от первого мак-

симума ко второму изменяется поляризация излу-

◦ Плазменные каналы, как и АКР, могут форми-

чения - от отрицательного к положительному. Та-

роваться при небольшой геомагнитной активности.

кое изменение поляризации указывает на то, что

◦ При захвате АКР в плазменный канал про-

на низких частотах доминирует излучение от север-

исходит изменение спектра излучения: относитель-

ных источников, а на более высоких частотах, вы-

но быстро возрастает интенсивность излучения

ше ∼ 310 кГц, доминирующим становится излучение

на низких частотах

(∼ 1 мВ²/м²Гц) и относи-

от южных источников. Отличие “северных” и “юж-

тельно медленно спадает на высоких частотах

ных” максимумов в спектре АКР может быть свя-

(-(0.15-0.25) мВ²/м²Гц).

зано с различной скоростью формирования канала

◦ Наблюдается несимметричность протекания

в северном и южном полушарии, что приводит к

процессов формирования плазменных каналов и

различной высоте торца канала над поверхностью

формирования источников АКР в северной и южной

земли. Другое объяснение отличия частоты макси-

авроральных областях.

мумов в спектре может быть связано с различным

Отсюда следует, что по измерениям спектра цик-

положением силовой линии источника АКР по от-

лотронного излучения от планет и экзопланет можно

ношению к входу в канал. В этом случае “южная”

определить относительное положение оси магнитно-

силовая линия источника должна быть расположе-

го поля: из высокоширотных областей магнитосфе-

на ближе к полюсу и дальше от канала, а “север-

ры должно регистрироваться широкополосное излу-

Письма в ЖЭТФ том 115 вып. 9 - 10

2022

Каналирование аврорального километрового радиоизлучения...

641

чение с “прямоугольным” спектром; спектр излуче-

C. Beghin, J. F. Karczewski, B. Poirier, R. Debrie,

ния из приэкваториальной области будет искажен-

and N. Massevitch, Annales de Geophysique 38(5), 615

(1982).

ным, “треугольным”.

Данные спутника ERG (Arase) получены от

W. Calvert, Geophys. Res. Lett. 9(1), 56 (1982).

научного центра ERG https://ergsc.isee.nagoya-

Y. Miyoshi, I. Shinohara, T. Takashima et al.

(Collaboration), Earth, Planets and Space 70(1), 101

u.ac.jp

[10],

в исследовании анализируются

(2018).

данные прибора PWE HFA-L2 v01.01

[11].

10.

A. Kumamoto, F. Tsuchiya, Y. Kasahara et al.

Данные спутника WIND доступны на сайте

(Collaboration), Earth, Planets and Space 70(1), 82

https://cdaweb.gsfc.nasa.gov/pub/data/wind/waves/

(2018).

wav_h1/. Мы благодарны организациям и на-

11.

Y. Kasahara, Y. Kasaba, H. Kojima et al.

циональным агентствам, входящим в SuperMAG

(Collaboration), Earth, Planets and Space

70(1),

[http://supermag.jhuapl.edu/info] за предоставление

86 (2018).

данных по индексам геомагнитной активности.

12.

М. М. Могилевский, Д. В. Чугунин, А. А. Черны-

А. Чернышов и В. Колпак выражают благодар-

шов, Т. В. Романцова, И. Л. Моисеенко, А. Кумамото,

ность за поддержку Фонду развития теоретической

Й. Касахара, Письма в ЖЭТФ. 114(1), 18 (2021).

физики и математики “Базис”.

13.

В. И. Колпак, М. М. Могилевский, Д. В. Чугунин,

Работа М. Могилевского поддержана грантом

А. А. Чернышов, И. Л. Моисеенко, А. Кумамото,

Министерства высшего образования и науки РФ

Ф. Тсучия, Е. Касахара, М. Шойи, Е. Миеши, И. Ши-

075-15-2020-780 (#13.1902.21.0039).

нохара, Солнечно-земная физика 7(1), 13 (2021).

14.

А. А. Чернышов, М. М. Могилевский, Д.В. Чугу-

нин, В. И. Колпак, Известия РАН, Серия физическая

1. R. A. Helliwell, Whistlers and related ionospheric

86(3), 370 (2022).

phenomena, Stanford Uviv. Press, Stanford (1965).

15.

R. Harten and K. Clark, Space Sci. Rev. 71(1-4), 23

2. О. А. Молчанов, Низкочастотные волны и индуци-

(1995).

рованные излучения в околоземной плазме, Наука,

16.

P. T. Newell and J. W. Gjerloev, J. Geophys. Res. (Space

М. (1985).

Physics) 116(A12), A12211 (2011).

3. Я. И. Лихтер, О. А. Молчанов, В. М. Чмырев, Письма

17.

М. М. Могилевский, Т. В. Романцова, Я. Ханаш,

в ЖЭТФ 14, 457 (1971).

Т. М. Буринская, Р. Шрайбер, Письма в ЖЭТФ

4. А. А. Петрукович, М. М. Могилевский, А. А. Черны-

86(11), 819 (2007).

шов, Д. Р. Шкляр, УФН 185(6), 649 (2015).

18.

А. А. Чернышов, Д. В. Чугунин, М. М. Могилевский,

5. В. И. Карпман, Р. Н. Кауфман, Геомагнетизм и аэро-

Письма в ЖЭТФ 115(1), 28 (2022).

номия 23(3), 451 (1983).

19.

Г. С. Ландсберг, Оптика, 5-е изд., Наука, М. (1976).

6. В. И. Карпман, Р. Н. Кауфман, Геомагнетизм и аэро-

20.

В. Л. Гинзбург, Распространение электромагнит-

номия 23(5), 791 (1983).

ных волн в плазме, Наука, М. (1967).

Письма в ЖЭТФ том 115 вып. 9 - 10

2022