Спектры турбулентности в области диполяризации магнитного поля
| 1Козак, ЛВ, 1Петренко, Б, 2Кронберг, Е, 3Григоренко, Е, 4Луи, Е, 5Черемных, СО 1Киевский национальный университет имени Тараса Шевченка, Киев, Украина 2Институт Маска Планки, Геттинген, Германия 3Институт космических исследований РАН, Москва, Россия 4Университет им. Джона Хопкинса, Лаурел, США 5Институт космических исследований НАН Украины и ГКА Украины, Киев, Украина |
| Kinemat. fiz. nebesnyh tel (Online) 2018, 34(5):52-69 |
| Start Page: Динамика и физика тел Солнечной системы |
| Язык: русский |
Аннотация: Проанализировано наличие неоднородностей турбулентных процессов и получены спектры турбулентности в областях до и во время диполяризации магнитного поля в хвосте магнитосферы Земли по измерениям четырех космических аппаратов миссии «Кластер-2» (событие 21 сентября 2005 г.). Спектральный и вейвлет-анализ были дополнены исследованиями эксцесса флуктуаций модуля магнитного поля. Получено, что в области диполяризации магнитного поля в хвосте магнитосферы наблюдаются: уменьшение горизонтальной составляющей магнитного поля в долях хвоста и увеличение вертикальной составляющей; изменение эксцесса; наличие мощных Рс5- и Рс4-пульсаций, а также прямых и обратных каскадов; излом в спектрах на частотах, меньших чем гирочастота протонов; изменение характера турбулентных движений на разных временных масштабах (на больших временных масштабах турбулентные течения соответствуют однородным моделям Колмогорова и Ирошникова — Крайчнана, а на меньших временных масштабах турбулентная середа описывается моделью электрон-магнитогидродинамической турбулентности). Используя измерения на разных космических аппаратах, удалось оценить скорость течения плазмы в хвостовом направлении. Ключевые слова: турбулентные процессы, хвост магнитосферы Земли, Рс-пульсации, спектры турбулентности. |
| Ключевые слова: Pc-пульсации, спектры турбулентности, турбулентные процессы, хвост магнитосферы Земли |
References:
1. Баренблатт Г. И. Турбулентные пограничные слои при очень больших числах Рейнольдса. Успехимат. наук. 2004. 59, № 1. С. 45—62.
https://doi.org/10.1070/RM2004v059n01ABEH000700
2. Козак Л. В., Савин С. П., Будаев В. П., Лежен Л. А., Пилипенко В. А. Характер турбулентности в пограничных областях магнитосферы Земли. Геомагнетизм и аэрономия. 2012. 52, № 4. С. 470—481.
3. Козак Л. В. Методи і підходи визначення характеристик турбулентного середовища. Космічна наука і технологія. 2016. 22, № 2(99). С. 60—77.
https://doi.org/10.15407/knit2016.02.060
4. Козак Л. В. Пилипенко В. А., Чугунова О. М., Козак П. Н. Статистический анализ турбулентности форшоковой области и магнитослоя Земли. Космич. исслед. 2011. 49, № 3. С. 202—212.
https://doi.org/10.1134/S0010952511030063
5. Колмогоров А. Н. Локальная структура турбулентности в несжимаемой вязкой жидкости при очень больших числах Рейнольдса. Докл. АН СССР. 1941. 30, № 4. С. 299—303.
https://doi.org/10.1070/PU1968v010n06ABEH003710
6. Космическая геогелиофизика / под ред. Л. М. Зеленого, И. С. Веселовского. М. : Физматлит, 2008. Том 1. 624 с.
7. Нишида А. Геомагнитный диагноз магнитосферы. М. : Мир, 1980. 300 с.
8. Фрик П. Г. Турбулентность: модели и подходы. Курс лекций. Пермь: Перм. гос. техн. ун-т, 1999. Ч. II. 136 с.
9. Фриш У. Турбулентность: Наследие А. Н. Колмогорова. М. : Фазис, 1998. 343 с.
10.J. W. Bieber, E. Stone, E. W. Hones, et al., “Plasma behavior during energetic electron streaming events: Further evidence for substorm-associated magnetic reconnection,” Geophys. Res. Lett. 9, 664–667 (1982).
https://doi.org/10.1029/GL009i006p00664
11.D. Biskamp, E. Schwarz, and J. F. Drake, “Two-dimensional electron magnetohydrodynamic turbulence,” Phys. Rev. Lett. 76, 1264–1272 (1996).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.76.1264
12.M. N. Caan and R. L. McPherron, ‘The statistical magnetic signatures of magnetospheric substorms,” Planet. Space Sci. 26, 269–279 (1978).
https://doi.org/10.1016/0032-0633(78)90092-2
13.T. Chang, “Self-organized criticality, multi-fractal spectra, sporadic localized reconnections and intermittent turbulence in the magnetotail,” Phys. Plasmas 6, 4137–4149 (1999).
https://doi.org/10.1063/1.873678
14.G. Consolini, M. Kretzschmar, A. T. Y. Lui, G. Zimbardo, W. M. Macek, “On the magnetic field fluctuations during magnetospheric tail current disruption: A statistical approach,” J. Geophys. Res.: Space Phys. 110, A07202 (2005).
https://doi.org/10.1029/2004JA010947
15.M. Farge, “Wavelet transforms and their applications to turbulence,” Annu. Rev. Fluid Mech. 24, 395–458.
16.D. H. Fairfield, T. Mukai, M. Brittnacher, et al., “Earthward flow bursts in the inner magnetosphere and their relation to auroral brightenings, AKR intensifications, geosynchronous particle injections and magnetic activity,” J. Geophys. Res. Space Phys. 104, 355–370 (1999).
https://doi.org/10.1029/98JA02661
17.L. A. Frank, W. R. Paterson, J. Sigwarth, and S. Kokubun, “Observations of magnetic field dipolarization during auroral substorm onset,” J. Geophys. Res.: Space Phys. 105, 15897–15912 (2000).
https://doi.org/10.1029/1999JA000439
18.E. E. Grigorenko, E. A. Kronberg, P. W. Daly, N. Y. Ganushkina, J.-A. Sauvaud, and L. M. Zelenyi, “Origin of low proton-to-electron temperature ratio in the Earth’s plasma sheet,” J. Geophys. Res.: Space Phys. 121 (10) (2016).
https://doi.org/10.1002/2016JA022874
19.A. Grinsted, J. C. Moore, and S. Jevrejeva, “Application of the cross wavelet transform and wavelet coherence to geophysical time series,” Nonlinear Process. Geophys. 11, 561–566 (2004).
https://doi.org/10.5194/npg-11-561-2004
20. Handbook of the Solar-Terrestrial Environment, Ed. by Y. Kamide and A. Chian (Springer-Verlag, Berlin, 2007).
21.S. Jevrejeva, J. C. Moore, and A. Grinsted, “Influence of the Arctic Oscillation and El Niño-Southern Oscillation (ENSO) on ice conditions in the Baltic Sea: The wavelet approach,” J. Geophys. Res.: Atmos. 108, 4677–4708 (2003).
https://doi.org/10.1029/2003JD003417
22.Rae I. Jonathan, I. R. Mann, V. Angelopoulos, K. R. Murphy, D. K. Milling, A. Kale, H. U. Frey, G. Rostoker, M. J. Engebretson, M. Moldwin, S. Mende, H. J. Singer, and E. F. Donovan, “Near-Earth initiation of a terrestrial substorm,” J. Geophys. Res.: Space Phys. 114, 2156–2202 (2009).
23.L. V. Kozak, A. S. Prokhorenkov, and S. P. Savin, “Statistical analysis of the magnetic fluctuations in boundary layers of Earth’s magnetosphere,” Adv. Space Res. 56, 2091–2096 (2015).
https://doi.org/10.1016/j.asr.2015.08.009
24.L. V. Kozak, A. T. Y. Lui, E. A. Kronberg, and A. S. Prokhorenkov, “Turbulent processes in Earth’s magnetosheath by Cluster mission measurements,” J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 154, 115–126 (2017).
https://doi.org/10.1016/j.jastp.2016.12.016
25.R. H. Kraichnan, “Convergents to turbulence functions,” J. Fluid Mech. 41, 189–217 (1970).
https://doi.org/10.1017/S0022112070000587
26.R. H. Kraichnan, “The structure of isotropic turbulence at very high Reynolds numbers,” J. Fluid Mech. 5, 497–543 (1959).
https://doi.org/10.1017/S0022112059000362
27.E. A. Kronberg, E. E. Grigorenko, D. L. Turner, P. W. Daly, Y. Khotyaintsev, L. Kozak, “Comparing and contrasting dispersionless injections at geosynchronous orbit during a substorm event,” J. Geophys. Res.: Space Phys. 122 (10) (2017).
https://doi.org/10.1002/2016JA023551
28.R. E. Lopez, “Magnetospheric substorms,” Johns Hopkins APL Tech. Dig. 11, 264–271 (1990).
29.Lui, A.T.Y., “Extended consideration of a synthesis model for magnetospheric substorms,” in Magnetospheric Substorms, Ed. by J. R. Kan, T. A. Potemra, S. Kokobun, and T. Iijima (AGU, Washington, DC, 1991), in Ser: Geophysical Monograph, Vol. 64.
30.A. T. Y. Lui, “Inferring global characteristics of current sheet from local measurements,” J. Geophys. Res.: Space Phys. 98, 13423–13427 (1993).
https://doi.org/10.1029/93JA01436
31.A. T. Y. Lui, “Current disruption in the Earth’s magnetosphere: Observations and models,” J. Geophys. Res. : Space Phys. 101, 13067–13088 (1996).
https://doi.org/10.1029/96JA00079
32.A. T. Y. Lui, R. E. Lopez, B. J. Anderson, et al., “Current disruptions in the near-Earth neutral sheet region,” J. Geophys. Res.: Space Phys. 97, 1461–1480 (1992).
https://doi.org/10.1029/91JA02401
33.A. T. Y. Lui, Multiscale phenomena in the near-Earth magnetosphere,” J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 64, 125–143 (2002).
https://doi.org/10.1016/S1364-6826(01)00079-7
34.A. T. Y. Lui, “Potential plasma instabilities for substorm expansion onsets,” Space Sci. Rev. 113, 127–206 (2004).
https://doi.org/10.1023/B:SPAC.0000042942.00362.4e
35.A. T. Y. Lui, Y. Zheng, Y. Zhang, S. Livi, H. Reme, M. W. Dunlop, G. Gustafsson, S. Mende, C. Mouikis, and L. M. Kistler, “Cluster observation of plasma flow reversal in the magnetotail during a substorm.” Ann. Geophys. 24, 2005–2013 (2006).
https://doi.org/10.5194/angeo-24-2005-2006
36.R. L. McPherron, “Substorm related changes in the geomagnetic tail: The growth phase,” Planet. Space Sci. 20, 1521–1539 (1972).
https://doi.org/10.1016/0032-0633(72)90054-2
37.S. Ohtani, M. A. Shay, and T. Mukai, “Temporal structure of the fast convective flow in the plasma sheet: Comparison between observations and two-fluid simulations,” J. Geophys. Res.: Space Phys. 109, A03210 (2004).
https://doi.org/10.1029/2003JA010002
38.G. Paschmann and P. W. Daly, Spectral Analysis, Reprinted from Analysis Methods for Multi-Spacecraft Data, ISSI Scientific Report No. SR-001, ed. 1.1 (2000).
39.V. A. Sergeev, D. G. Mitchell, and D. J. Williams, “Structure of the tail plasma/current sheet at ~11 Re and its changes in the course of a substorm,” J. Geophys. Res.: Space Phys. 98, 17345–17365 (1993).
https://doi.org/10.1029/93JA01151
40. THOR Exploring Plasma Energization in Space Turbulence, ESA/SRE Assessment Study Report (2017).
41.C. Torrence and G. P. Compo, “A practical guide to wavelet analysis,” Bull. Am. Meteorol. Soc. 79, 61–78 (1998).
https://doi.org/10.1175/1520-0477(1998)079<0061:APGTWA>2.0.CO;2
42.A. G. Yahnin, I. V. Despirak, A. A. Lubchich, et al., “Indirect mapping of the source of the oppositely directed fast plasma flows in the plasma sheet onto the auroral display,” Ann. Geophys. 24, 679–687 (2006).
https://doi.org/10.5194/angeo-24-679-2006
43.S. Zacks, Theory of Statistical Inference (John Wiley & Sons, New York, 1971), in Ser.: Probability & Mathematical Statistics, Vol. 582.