Механизм генерации и характеристики распространения структур ультранизкочастотных ионосферных электромагнитных волн планетарного масштаба
Рубрика:
| Абурджания, ГД, Ломинадзе, ДГ, Хантадзе, АГ, Харшиладзе, ОА |
| Косм. наука технол. 2004, 10 ;(5-6):062-081 |
| https://doi.org/10.15407/knit2004.05.062 |
| Язык публикации: Английский |
Аннотация: Приведены результаты теоретического исследования генерации и распространения электромагнитных УНЧ-волн планетарного масштаба (1> 1000 км) в диссипативной ионосфере. Установлено, что они генерируются неоднородностями (широтными вариациями) геомагнитного поля в ионосфере и вращением Земли. Волны распространяются вдоль параллелей в обоих направлениях. В Е-области быстрые волны имеют фазовые скорости 2–20 км/с и частоты 0.1 -100 МГц; медленные волны распространяются со скоростями локальных ветров и имеют частоты 1 –100 мкГц. В F-области быстрые волны имеют фазовые скорости от десятков до нескольких сотен километров в секунду и частоты 10-0.001 Гц. Медленная мода образуется динамо электрического поля; она является обобщением обычных волн Россби в ионосфере, которая вращается, и обусловлена эффектом Холла в Е-слое. Быстрые возмущения – это новые моды, которые ассоциируются с осцилляциями ионосферных электронов, вмерзшие в геомагнитное поле, и связанные с возникновением крупномасштабного внутреннего вихревого электрического поля в ионосфере. Крупномасштабные волны затухают слабо. Теоретические характеристики согласуются с наблюдаемыми характеристиками крупномасштабных УНЧ-осцилляций и магнитоионосферних волновых возмущений. Установлено, что благодаря силе Кориолиса и электромагнитной силе генерация медленных планетарных электромагнитных волн на определенной широте в ионосфере может вызвать изменение направлений локальных ветров и изменение направления общей ионосферной циркуляции. Рассмотрены еще один тип волн, названных медленными магнитогидродинамическими волнами, на которые не влияет неоднородность сил Кориолиса и Ампера. Эти волны возникают как смесь медленных альвеновских пертурбаций и пертурбаций типа Уистлера и порождают геомагнитное поле порядка 10–100 нТл и более. Установлено, что УНЧ-волны при взаимодействии с локальными зональными ветрами могут локализоваться в виде нелинейных одиночных вихрей, перемещаемых вдоль кругов широты как в западном, так и в восточном направлении со скоростью, отличной от фазовой скорости соответствующих линейных волн. Вихри затухают медленно и имеют долгий срок существования. Они обусловливают геомагнитные пульсации, на порядок больше, чем линейные волны. Вихревые структуры переносят захваченные частицы окружающей среды, а также энергию и теплоту, и поэтому могут быть элементами сильной макротурбуленции ионосферы.
|
References:
1. Aburjania G. D. Structural turbulences and diffusion of plasmas in the magnetic traps. Plasma Phys. Rep., 16, 70—76 (1990) [in Russian]. 2. Aburjania G. D. Self-organization of acoustic-gravity vortices in the ionosphere before earthquake. Plasma Physics Report, 22, 954—959 (1996) [in Russian]. 3. Aburjania G. D., Ivanov V. N., Kamenetz F. F. Dynamics of drift vortices in collision plasmas. Phys. Scripta, 35, 677—681 (1987) [in Russian]. 4. Aburjania G. D., Jandieri G. V., Khantadze A. G. Self-organization of planetary electromagnetic waves in the E-region of the ionosphere. J. Atmos. Sol.-Terr. Phys., 65, 661—671 (2003). 5. Aburjania G. D., Machabeli G. Z. Generation of electromagnetic perturbations by acoustic waves in the ionosphere. J. Geophys. Res., 103 (A5), 9441—9447 (1998). 6. Al'perovich L. G., Drobzhev V. I., Krasnov V. M., et al. Results of simultaneous observations of geomagnetic variations and wave disturbances in the ionosphere. Radiofizika, 23, 763—765 (1980) [in Russian]. 7. Al'perovich L. S., Drobgev V. I., Sorokin V. M., et al. On the midlatitude oscillations of the geomagnetic field and its connection to the dynamical processes in the ionosphere. Geomagn. Aeron., 22, 797—802 (1982) [in Russian]. 8. Al'perovich L. S., Ponomarev E. A., Fedorovich G. V. Geophysical phenomena modeling by an explosion: a review. Izv. Phys. Solid Earth, 21, 816—825 (1985) [in Russian]. 9. Bauer T. M., Baumjohann W., Treumann R. A., et al. Low-frequency waves in the near-Earth plasma sheet. J. Geophys. Res., 100A, 9605—9617 (1995). 10. Behnke R. A., Hogfors S. T. Evidence for the existence of night-time region polarization fields at Arecibo. Radio Sci., 9, 211—216 (1974). 11. Benney D. J. Long non-linear waves in fluid flows. J. Math. Phys., 45, 52—63 (1966). 12. Bostrom R. Dynamics of the Ionosphere. In: Cosmical Geophysics. (Universitetsforlaget, Oslo-Bergen-Tromso, 1973). 13. Cavalieri D. J. Traveling planetary-scale waves in the E-region. J. Atmos. Terr. Phys., 38, 965—978 (1976). 14. Cavalieri D. J., Deland R. J., Poterna J. A., Gavin R. F. The correlation of VLF propagation variations with atmospheric planetary-scale waves. J. Atmos. Terr. Phys., 36, 561—574 (1974). 15. Charney J. G., Drazin P. G. Propagation of planetary-scale disturbances from the lower into the upper atmosphere. J. Geophys. Res., 66, 83—109 (1961). 16. Chmyrev V. M., Marchenko V. A., Pokhotelov O. A., et al. Vortex structures in the ionosphere and the magnetosphere of the Earth. Planet. Space Sci., 39, 1025—1030 (1991). 17. Cowling T. C. Magnetohydrodynamics. (Adam Higer Ltd., New York, 1975). 18. Dickinson R. E. Planetary Rossby wave propagating vertically through weak westerly wind wave guides. J. Atmos. Sci., 25, 984—1002 (1968). 19. Dickinson R. E. Theory of planetary wave-zonal flow interaction. J. Atmos. Sci., 26, 73—81 (1969). 20. Gershman B. I. Dynamics of the Ionospheric Plasma. (Nauka, Moscow, 1974) [in Russian]. 21. Gill A. E. Atmosphere-Ocean Dynamics. (Academic Press, London, 1982). 22. Ginzburg V. L. Propagation of the Electromagnetic Waves in the Plasma. (Nauka, Moscow, 1967) [in Russian]. 23. Gossard E., Hooke W. Waves in the Atmosphere. (Elsevier, Amsterdam, 1975). 24. Hajkowicz L. A. Global onset and propagation of large-scale travelling ionospheric disturbances as a result of the great storm of 13 March 1989. Planet. Space Sci., 39, 583—593 (1991). 25. Hayakawa M. (Ed.) Atmospheric and Ionospheric Electromagnetic Phenomena Associated with Earthquakes, 996 p. (Terra Sci. Publ. Co., Tokyo, 1999). 26. Holton J. R. The Dynamic Meteorology of the Stratosphere and Mesosphere. (Amer. Meteor. Soc., Boston, 1975). 27. Jacchia L. G. Thermospheric temperature, density and composition: new models. Spec. Rep. Smithsonian astrophys. observ., No. 375, 1 — 106 (1977). 28. Kamide Y. Electrodynamic Processes in the Earth's Ionosphere and Magnetosphere. (Kyoto Sangyo Univ. Press, Kyoto, 1988). 29. Kelley M. C. The Earth's Ionosphere: Plasma Physics and Electrodynamics. (Academic Press, San Diego, 1989). 30. Khantadze A. G. Determination of the wind field by the pressure gradient field and latitudinal effect of geomagnetic field. Proc. Inst. Geophys. Acad. Sci. Georgian SSR, 24—29 (1967) [in Russian]. 31. Khantadze A. G. On the Dynamics of Conductive Atmosphere. (Nauka, Tbilisi, 1973) [in Russian]. 32. Kopitenko Yu. A., Komarovskikh M. I., Voronov I. M., Kopitenko E. A. Connection between ULF electromagnetic litospheric emission and extraordinary behavior of biological systems before the earthquake. Biofizika, 40, 1114—1119 (1995) [in Russian]. 33. Krall N. A., Trivelpiece A. W. Principles of Plasma Physics. (McGraw-Hill Book Company, New York, 1973). 34. Larichev V. D., Reznik G. M. On the two-dimencional solitary Rossby waves. Dokl. Akad. Nauk SSSR, 231, 1077—1079 (1976) [in Russian]. 35. Larichev V. D., Reznik G. M. Strong nonlinear two-dimensional solitary Rossby waves. Okeanologia, 16, 961 — 967 (1976) [in Russian]. 36. Long R. Solitary waves in the westerlies. J. Atmos. Sci., 21, 197—200 (1964). 37. Manson A. H., Heek C. E., Gregory J. B. Winds and waves (10 min — 30 day) in the mesosphere and lower thermosphere at Saskatoon. J. Geophys. Res., 86, 9615—9625 (1981). 38. Newel A. C. Solitons in Mathematics and Physics. (Society for Industrial and Applied Mathematics, Arizona, 1985). 39. Nezlin M. V., Snezhkin E. N. Rossby Vortices, Spiral Structures, Solitons. (Springer-Verlag, Heidelberg, 1993). 40. Pedlosky J. Geophysical Fluid Dynamics. (Springer-Verlag, New York, 1978). 41. Petviashvili V. I., Pokhotelov O. A. Solitary Waves in Plasma and in the Atmosphere. (Gordon and Breach Science Publ., Reading, 1992). 42. Pokhotelov O. A., Parrot M., Pilipenko V. A., et al. Response of the ionosphere to natural and man-made acoustic sources. Ann. Geophys., 13, 1197—1210 (1995). 43. Ratclife J. A., Weekes K. Physics of the Upper Atmosphere. (Academic Press, New York, 1960). 44. Redecopp L. On the theory of solitary Rossby waves. J. Fluid Mech., 82, 725—745 (1977). 45. Rishbeth N. Superrotation of the upper atmosphere. Geophys. Space Phys., 10, 799—819 (1972). 46. Shaefer L. D., Rock D. R., Lewis J. P., et al. Detection of explosive events by monitoring acoustically-induced geomagnetic perturbations. (Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA, 1999). 47. Sharadze Z. S., Japaridze G. A., Kikvilashvili G. B., et al. Wavy disturbances of nonacoustical nature in the midlatitude ionosphere. Geomagn. Aeron., 28, 446—451 (1988) [in Russian]. 48. Sharadze Z. S., Mosashvili N. V., Pushkova G. N., Yudovich L. A. Long-period-wave disturbances in E-region of the ionosphere. Geomag. Aeron., 29, 1032—1034 (1989) [in Russian]. 49. Sorokin V. M. Wave processes in the ionosphere associated with geomagnetic field. Izv. Vuzov, Radiofizika, 31, 1169—1179 (1988) [in Russian]. 50. Sorokin V. M., Fedorovich G. V. Physics of Slow MHD Waves in the Ionospheric Plasma. (Nauka, Moscow, 1982) [in Russian]. 51. Tarpley J. D. The ionospheric wind dynamo. 2. Solar tides. Planet. Space Sci., 18, 1091 — 1103 (1970). 52. Thompson P. D. Numerical weather analysis and prediction. (The Macmillan Company, New York, 1961). 53. Tolstoy I. Hydromagnetic gradient waves in the ionosphere. J. Geophys. Res., 7, 1435—1442 (1967). 54. Whitham G. B. Linear and Nonlinear Waves. (John Wiley, New York, 1977). 55. Williams G. P., Yamagata T. Geostrophic regimes, intermediate solitary vortices and Jovian Eddies. J. Atmos. Sci., 41, 453—468 (1984). 56. Zhou Q. H., Sulzer M. P., Tepley C. A. An analysis of tidal and planetary waves in the neutral winds and temperature observed at low-latitude E-region heights. J. Geophys. Res., 102, 491—505 (1997).