Спектры флуктуаций параметров плазмы солнечного ветра вблизи фронта ударной волны

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Исследуются характеристики спектров мощности флуктуаций плотности протонов и альфа-частиц вблизи фронта межпланетной и околоземной ударной волны. Были посчитаны частоты излома спектров мощности флуктуаций концентрации протонов и альфа-частиц перед и за рампом околоземной ударной волны (ОЗУВ) и межпланетной ударной волны (МУВ). Для возмущенного солнечного ветра за рампом МУВ частота излома спектра флуктуаций протонов оказалась заметно выше (в среднем 1.3 Гц), чем в невозмущенной области (~0.8–1.0 Гц), что объясняется увеличением как скорости, так и концентрации частиц. В случае альфа-частиц частота излома спектра флуктуаций за фронтом МУВ также повышалась – почти в два раза (от 0.7 до 0.12 Гц). Показано, что среднее значение частоты излома спектров протонов за рампом ОЗУВ меньше (0.6 Гц), чем в солнечном ветре (1.0 Гц), ввиду меньшей скорости. Для альфа-частиц этот эффект статистически не был обнаружен из-за увеличения концентрации (0.11 Гц для обеих областей) в случае ОЗУВ.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

О. В. Сапунова

Институт космических исследований РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: sapunova_olga@mail.ru
Россия, Москва

Н. Л. Бородкова

Институт космических исследований РАН

Email: sapunova_olga@mail.ru
Россия, Москва

Ю. И. Ермолаев

Институт космических исследований РАН

Email: sapunova_olga@mail.ru
Россия, Москва

Г. Н. Застенкер

Институт космических исследований РАН

Email: sapunova_olga@mail.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Matthaeus W. H., Weygand J. M., Dasso S. Ensemble space-time correlation of plasma turbulence in the solar wind // Physical Review Letters. 2016. V. 116. Iss. 24. Art. ID. 245101. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.245101
  2. Bruno R., Carbone V. The solar wind as a turbulence laboratory // Living Reviews in Solar Physics. 2013. V. 10. Art. ID. 2. https://doi.org/10.12942/lrsp-2013-2
  3. Kolmogorov A. N. A refinement of previous hypotheses concerning the local structure of turbulence in a viscous incompressible fluid at high Reynolds number // J. Fluid Mechanics. 1962. V. 13. Iss. 1. P. 82–85. https://doi.org/10.1017/S0022112062000518
  4. Unti T. W.J., Neugebauer M., Goldstein B. E. Direct measurements of solar-wind fluctuations between 0.0048 and 13.3 Hz // Astrophysical J. 1973. V. 180. P. 591–598. https://ui.adsabs.harvard.edu/link_gateway/1973ApJ…180..591U/. https://doi.org/.1086/151987
  5. Celnikier L. M., Harvey C. C., Jegou R. et al. A determination of the electron density fluctuation spectrum in the solar wind, using the ISEE propagation experiment // Astronomy and Astrophysics. 1983. V. 126. Iss. 2. P. 293–298. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1983A&A…126..293C
  6. Zastenker G. N., Safrankova J., Nemecek Z. et al. Fast measurements of parameters of the Solar Wind using the BMSW instrument // Cosmic Res. 2013. V. 51. P. 78–89. https://doi.org/10.1134/S0010952513020081
  7. Safrankova J., Nemecek Z., Prech L. et al. Fast solar wind monitor (BMSW): Description and first results // Space Science Reviews. 2013. V. 175. Iss. 1–4. P. 165–182. http://dx.doi.org/10.1007/s11214-013-9979-4
  8. Safrankova J., Nemecek Z., Nemec F. et al. Solar wind density spectra around the ion spectral break // Astrophysical J. 2015. V. 803. Iss. 2. Art. ID. 107. https://doi.org/10.1088/0004-637X/803/2/107
  9. Safrankova J., Nemecek Z., Nemec F. et al. Power spectral density of fluctuations of bulk and thermal speeds in the solar wind // Astrophysical J. 2016. V. 825. Iss. 2. Art. ID. 121. https://doi.org/10.3847/0004-637X/825/2/121
  10. 10. Rakhmanova L., Riazantseva M., Zastenker G. Plasma fluctuations at the flanks of the Earth’s magnetosheath at ion kinetic scales // Annales Geophysicae. 2016. V. 34. P. 1011–1018. http://dx.doi.org/10.5194/angeo-34-1011-2016
  11. Riazantseva M. O., Budaev V. P., Rakhmanova L. S. et al. Comparison of properties of small scale ion flux fluctuations in flank magnetosheath and in solar wind // Advances in Space Research. 2016. V. 58. Iss. 2. P. 166–174. http://dx.doi.org/10.1016/j.asr.2015.12.022
  12. Rakhmanova L. S., Riazantseva M. O., Zastenker G. N. et al. Large-Scale Solar Wind Phenomena Affecting the Turbulent Cascade Evolution behind the Quasi-Perpendicular Bow Shock // Universe. 2022. V. 8. Iss. 12. Art. ID. 611. https://doi.org/10.3390/universe8120611
  13. Rakhmanova L., Riazantseva M., Zastenker G. et al. Role of the variable solar wind in the dynamics of small-scale magnetosheath structures // Frontiers in Astronomy and Space Sciences. 2023. V. 10. https://doi.org/10.3389/fspas.2023.1121230
  14. Ogilvie K. W., Wilkerson T. D. Helium abundance in the solar wind // Solar Physics. 1969. V. 8. Iss. 2. P. 435– 449. https://doi.org/10.1007/BF00155391
  15. Formisano V., Palmiotto F., Moreno G. α-particle observations in the solar wind // Solar Physics. 1970. V. 15. Iss. 2. P. 479–498. https://doi.org/10.1007/BF00151853
  16. Borovsky J. E. Flux‐tube texture of the solar wind: Strands of the magnetic carpet at 1 AU? // J. Geophysical Research. 2008. V. 113. Iss. A8. Art. ID. 8110. https://doi.org/10.1029/2007JA012684
  17. Kasper J. C., Stevens M. L., Korreck K. E. et al. Evolution of the relationships between helium abundance, minor ion charge state, and solar wind velocity over the solar cycle // The Astrophysical J. 2012. V. 745. Iss. 2. Art. ID. 162. https://doi.org/10.1088/0004-637X/745/2/162
  18. Yermolaev Y. I., Lodkina I. G., Yermolaev M. Y. et al. Dynamics of large‐scale solar‐wind streams obtained by the double superposed epoch analysis: 4. Helium abundance // J. Geophysical Research: Space Physics. 2020. V. 125. Iss. 7. Art. ID. e2020JA027878. https://doi.org/10.1029/2020JA027878
  19. Leamon R. J., Matthaeus W. H., Smith C. W. et al. MHD-driven kinetic dissipation in the solar wind and corona // Astrophysical J. 2000. V. 537. Iss. 2. P. 1054–1062. https://doi.org/10.1086/309059
  20. Smith C. W., Mullan D. J., Ness N. F. et al. Day the solar wind almost disappeared: Magnetic field fluctuations, wave refraction and dissipation // Geophysical Research. 2001. V. 106. Iss. A9. P. 18625–18634. https://doi.org/10.1029/2001JA000022
  21. Howes G. G., Cowley S. C., Dorland W. et al. A model of turbulence in magnetized plasmas: Implications for the dissipation range in the solar wind // Geophysical Research. 2008. V. 113. Art. ID. A05103. https://doi.org/10.48550/arXiv.0707.3147
  22. Schekochihin A. A., Cowley S. C., Dorland W. et al. Astrophysical gyrokinetics: kinetic and fluid turbulent cascades in magnetized weakly collisional plasmas // Astrophysical Journal Supplement Series. 2009. V. 182. Iss. 1. P. 310–377. https://doi.org/10.1088/0067-0049/182/1/310
  23. Sapunova O. V., Borodkova N. L., Zastenker G. N. et al. Dynamics of He++ Ions at Interplanetary and Earth’s Bow Shocks // Universe. 2022. V. 8. Iss. 10. Art. ID. 516. https://doi.org/10.3390/ universe8100516
  24. Рахманова Л. С., Рязанцева М. О., Застенкер Г. Н. и др. Влияние магнитопаузы и головной ударной волны на характеристики турбулентности плазмы в магнитослое Земли // Геомагнетизм и аэрономия. 2018. Т. 58. № 6. С. 749–758. https://doi.org/10.1134/S0016794018060135.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Спектрограммы пересечения: а – фронта МУВ 21.VI.2015; б – фронта ОЗУВ для события 06.V.2015. По оси абсцисс отложено время в UT в течение одних суток, по оси ординат – энергия запирающей сетки. Повышение концентрации потока ионов показано шкалой насыщенности цвета.

Скачать (45KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Параметры и спектры флуктуаций параметров ионов в невозмущенной области перед фронтом МУВ: а – полный поток ионов и концентрация протонов Np; б – концентрация альфа-частиц Na и относительная концентрация Na/Np; в – спектры мощности потока ионов и концентрации протонов; г – спектры мощности концентрации альфа-частиц; д – спектры мощности относительной концентрации альфа-частиц. На панелях в–д обозначены следующие величины: показатель степенной функции ~f a для потока, концентрации протонов, концентрации альфа-частиц и относительной концентрации альфа-частиц. Индексами 1 и 2 обозначены показатели степени до и после излома: Fl – для потока, Np – протонов, Na – альфа-частиц. FLP – частота излома по протонам, FLHe – по альфа-частицам.

Скачать (61KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Параметры и спектры флуктуаций параметров ионов в возмущенной области за фронтом МУВ. Обозначения как на рис. 2.

Скачать (60KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Параметры и спектры флуктуаций ионов в возмущенной области за фронтом МУВ. Обозначения как на рис. 2.

Скачать (63KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Параметры и спектры флуктуаций ионов в возмущенной области за фронтом МУВ. Обозначения как на рис. 2.

Скачать (63KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Гистограммы частоты излома для протонов (панели (а), (б)) и альфа-частиц (панели (в), (г)). Панели (а) и (в) относятся к невозмущенной области, панели (б) и (г) – к области за фронтом ОЗУВ. На панелях представлены максимальные, средние и минимальные значения параметра.

Скачать (46KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Гистограммы частоты излома для протонов (панели (а), (б)) и альфа-частиц (панели (в), (г)). Панели (а) и (в) относятся к невозмущенной области, панели (б) и (г) – к области за фронтом МУВ. На панелях представлены максимальные, средние и минимальные значения параметра.

Скачать (42KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Показатель степени спектра мощности флуктуаций параметров плазмы до излома для невозмущенной области. Представлены полный поток плазмы, концентрации протонов и альфа-частиц.

Скачать (21KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024