Механізм генерації та характеристики поширення структур ультранизькочастотних іоносферних електромагнітних хвиль планетарного масштабу
Рубрика:
| Абурджанія, ГД, Ломінадзе, ДГ, Хантадзе, АГ, Харшиладзе, ОА |
| Косм. наука технол. 2004, 10 ;(5-6):062-081 |
| https://doi.org/10.15407/knit2004.05.062 |
| Мова публікації: Англійська |
Анотація: Наведено результати теоретичного дослідження генерації та поширення електромагнітних УНЧ-хвиль планетарного масштабу (1 > 1000 км) у дисипативній іоносфері. Установлено, що вони генеруються неоднорідностями (широтними варіаціями) геомагнітного поля в іоносфері та обертанням Землі. Хвилі поширюються вздовж паралелей в обох напрямках. У Е-області швидкі хвилі мають фазові швидкості 2—20 км/с і частоти 0.1 –100 мГц; повільні хвилі поширюються зі швидкостями локальних вітрів і мають частоти 1 –100 мкГц. У F-області швидкі хвилі мають фазові швидкості від десятків до кількох сотень кілометрів за секунду і частоти 10–0.001 Гц. Повільна мода утворюється динамо електричного поля; вона є узагальненням типових хвиль Россбі в іоносфері, яка обертається, і зумовлена ефектом Холла в Е-шарі. Швидкі збурення – це нові моди, які асоціюються з осциляціями іоносферних електронів, вмерзлих у геомагнітне поле, і пов'язані з виникненням великомасштабного внутрішнього вихрового електричного поля в іоносфері. Великомасштабні хвилі затухають слабо. Теоретичні характеристики узгоджуються із спостережуваними характеристиками великомасштабних УНЧ-осциляцій і магнітоіоносферних хвильових збурень. Установлено, що завдяки силі Коріоліса й електромагнітній силі генерація повільних планетарних електромагнітних хвиль на певній широті в іоносфері може викликати зміну напрямків локальних вітрів і зміну напряму загальної іоносферної циркуляції. Розглянуто ще один тип хвиль, названих повільними магнітогідродинамічними хвилями, на які не впливає неоднорідність сил Коріоліса й Ампера. Ці хвилі виникають як суміш повільних альвенівських пертурбацій і пертурбацій типу вістлера і породжують геомагнітне поле порядку 10–100 нТл і більше. Установлено, що УНЧ-хвилі під час взаємодії з локальними зональними вітрами можуть локалізуватися у вигляді нелінійних одиночних вихорів, що переміщуються вздовж кіл широти як у західному, так і у східному напрямі зі швидкістю, відмінною від фазової швидкості відповідних лінійних хвиль. Вихори затухають повільно й мають довгий термін існування. Вони зумовлюють геомагнітні пульсації, на порядок більші, ніж лінійні хвилі. Вихрові структури переносять захоплені частки навколишнього середовища, а також енергію й теплоту, і тому можуть бути елементами сильної макротурбуленції іоносфери.
|
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).