Генерация электростатического КНЧ шума...
description
Transcript of Генерация электростатического КНЧ шума...
![Page 1: Генерация электростатического КНЧ шума локализованными электрическими полями и продольными токами](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062222/56815dac550346895dcbdfe7/html5/thumbnails/1.jpg)
Генерация электростатического КНЧ шумалокализованными электрическими полями
и продольными токами
И.В. Головчанская, Б.В. Козе лов, О.В. Мингалёв
Полярный геофизический институт КНЦ РАН
![Page 2: Генерация электростатического КНЧ шума локализованными электрическими полями и продольными токами](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062222/56815dac550346895dcbdfe7/html5/thumbnails/2.jpg)
Alfvenic turbulence and electrostatic ELF noise
[Golovchanskaya et al., 2013]
DE-2
FAST
![Page 3: Генерация электростатического КНЧ шума локализованными электрическими полями и продольными токами](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062222/56815dac550346895dcbdfe7/html5/thumbnails/3.jpg)
Samples of electrostatic ELF noise associated with Alfvenic turbulence
FAST
Alfvénic turbulence (f < several tens of Hz in the spacecraft frame), broadband electrostatic noise (f = 0.01-1 kHz),
[Stasiewicz et al., 2000]
![Page 4: Генерация электростатического КНЧ шума локализованными электрическими полями и продольными токами](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062222/56815dac550346895dcbdfe7/html5/thumbnails/4.jpg)
EIC waves?
Event of the broadband ELF turbulence observed by FAST in the near-midnight auroral zone; [Ergun et al., 1998]
Connection with TAI
FAST
![Page 5: Генерация электростатического КНЧ шума локализованными электрическими полями и продольными токами](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062222/56815dac550346895dcbdfe7/html5/thumbnails/5.jpg)
AMICISTh=850 км,Vr = 2 km/s
EIC waves?
Bonnell et al., 1996:Interferometric determination of BBELF wave phase velocity within a
region of transversely accelerated ions (TAI); v|| , k||/kperp, electrostatic character are relevant to EHC waves;
But:(1) PSD is not ordered by Ω of H+, He+ or O+ = 600 Hz, 160 Hz and 40 Hz, respectively; (2) j|| is subcritical for Kindel and Kennel
mechanism; (3) occurrence during TAI (i.e., Ti/Te is not << 1).
![Page 6: Генерация электростатического КНЧ шума локализованными электрическими полями и продольными токами](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062222/56815dac550346895dcbdfe7/html5/thumbnails/6.jpg)
Imaginary part DI of the local dispersion relation for CDEIC instability (negative DI indicating the growth)
as a function of u= k||/kperp, Vd, = Ti/Te
[Ganguli and Bakshi, 1982]
![Page 7: Генерация электростатического КНЧ шума локализованными электрическими полями и продольными токами](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062222/56815dac550346895dcbdfe7/html5/thumbnails/7.jpg)
Why does the character of the electrostatic ELF emission change so crucially in the presence of Alfvenic turbulence?
FAST
![Page 8: Генерация электростатического КНЧ шума локализованными электрическими полями и продольными токами](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062222/56815dac550346895dcbdfe7/html5/thumbnails/8.jpg)
Seasonal asymmetry of the electrostatic ELF noise has the same sense as the electric fields of Alfvenic turbulence
Over 100 summertime and 100 wintertime events, h = 3000-4000 km,
all ne
Over 61 summertime and 33 wintertime events, h = 3000-4000 km,
ne is fixed
1. Heppner et al., 1993, h < 1000 km2. Golovchanskaya et al., 2013, h up to 4000
km
![Page 9: Генерация электростатического КНЧ шума локализованными электрическими полями и продольными токами](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062222/56815dac550346895dcbdfe7/html5/thumbnails/9.jpg)
Inhomogeneous energy density driven instability(IEDDI) , the idea:
2
0 2 2 20
2 ( )( , ) 1 0nEIC
n i
bD kn
2 2 / 2ib k i
iti
v
)exp()( bbInn , ,
With damping terms neglected:
( )D DU
2 2 2
222 2 20
4 ( ) 0n
n
nUn
VE = 0
VE = E/B, 1 y Ek V )( 11' U,
U’ can be < 0, if ω < kyVE
Region II:
Region I:
Can the electric fields of Alfvenic turbulence be effective in excitation of electrostatic ion-cyclotron (EIC) modes?
Theory of Ganguli et al. [1985] in the simplest form: one sheared flow layer, Vd = 0:
![Page 10: Генерация электростатического КНЧ шума локализованными электрическими полями и продольными токами](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062222/56815dac550346895dcbdfe7/html5/thumbnails/10.jpg)
Unstable solutions of the nonlocal dispersion relation for EIC modes of Ganguli et al. [1985] in case of pure IEDDI
are narrowband, coherent and requires too large velocity shears;
In reality, in the auroral ionosphere: VE/Vti = 0.1- 0.5 instead of 2.9, and eps = 0.01 instead of 0.1;
H+
![Page 11: Генерация электростатического КНЧ шума локализованными электрическими полями и продольными токами](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062222/56815dac550346895dcbdfe7/html5/thumbnails/11.jpg)
EIC instability driven by combination of a parallel electron drift and a transverse localized electric field:
the single-layer theory of Gavrishchaka et al. [1996] with a smooth velocity profile
Growth is indicated even for individually subcritical parallel electron drift and transverse flow shear;
Growth rate as a function of peak E×B velocity in the region of velocity shear: L = 25 ρi (ε = 0.04),b=(kyρi)2/2 =0.15, τ = 0.5, Vd=0.17 Vte,u=kparall/kperp = 0.16; ωr depends on E×B;
O+
Vd(x) and E(x) are setto be in phase;
![Page 12: Генерация электростатического КНЧ шума локализованными электрическими полями и продольными токами](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062222/56815dac550346895dcbdfe7/html5/thumbnails/12.jpg)
The unstable solution of Gavrishchaka et al. [1996] corresponds tovelocity shears ωs of the order of 4 s-1.Can such velocity shears be produced by Alfvenic turbulence ? Marginally, and under winter conditions only.
[Golovchanskaya et al., 2011]
jz = -ΣP ·E, ωs ~ ·E
![Page 13: Генерация электростатического КНЧ шума локализованными электрическими полями и продольными токами](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062222/56815dac550346895dcbdfe7/html5/thumbnails/13.jpg)
Reynolds and Ganguli [1998] considered two transverse flow layers (without j||):
Conclusion:•The requirement of strong velocity shears can be significantly relaxed if the theory includes multiple sheared flows, especiallywith oppositely directed flows in adjacent layers;
![Page 14: Генерация электростатического КНЧ шума локализованными электрическими полями и продольными токами](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062222/56815dac550346895dcbdfe7/html5/thumbnails/14.jpg)
Can actually observed electric fields of Alfvenic turbulence
be effective in excitation of EIC-like modes?
[Golovchanskaya et al., 2013]
A close-up shows the non-uniform electric field configuration adopted in the calculations
![Page 15: Генерация электростатического КНЧ шума локализованными электрическими полями и продольными токами](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062222/56815dac550346895dcbdfe7/html5/thumbnails/15.jpg)
Formulation:
For small kx and inhomogeneity in the x direction, kx -i/ x.
Then, instead of a local dispersion relation, we have a second order differential (eigenvalue) equation for in each layer:
22
2( ) ( ) 0k
11 1 1
|| || || ||2
' 11
|| ||
1 ( ) ( ) ( ) ( ) ( )| | | | | | | |
2( ) ( ) ( )
| | | |
in
n ti ti te te
in
n ti ti
nbk V k V k V k V
knb
k V k V
where i
x
, and
1 y Ek V for ions; 1 y E z dk V k V for electrons;
0, 1, 2n 0n
( ) ( )exp( )n nb I b b 'n nb
2,
,
( )2
y i ei e
kb
r i
,
![Page 16: Генерация электростатического КНЧ шума локализованными электрическими полями и продольными токами](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062222/56815dac550346895dcbdfe7/html5/thumbnails/16.jpg)
Formulation:
1
2 2
3 3
1
2 3
4 5
2 ( 1)
..........................NL
L
ik x
ik x ik x
ik x ik x
ik xN
e
e e
e e
e
where Im k1 > 0, Im kNL > 0.
0M φ
Two matching conditions on , /x across each boundary set of 2 (Nl -1) eq:
det 0M
Nonlocal dispersion relation for EIC-like modes:
![Page 17: Генерация электростатического КНЧ шума локализованными электрическими полями и продольными токами](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062222/56815dac550346895dcbdfe7/html5/thumbnails/17.jpg)
Unstable solutions for EIC-like modes:2( )
2y ik
b
Vd = 0.05Vte
ε = ρi/L= 0.02
u =k||/kperp= 0.08
τ = 0.5
Vd = 0.17Vte
ωr = 0.9 thin lineωr = 2.1 thick line
ωr = 0.95 thin lineωr = 2.1 thick line
ωr = 1.25
Vd = 0.34Vte
ωr = 1.2
ε = ρi/L= 0.005
u =k||/kperp= 0.04
![Page 18: Генерация электростатического КНЧ шума локализованными электрическими полями и продольными токами](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062222/56815dac550346895dcbdfe7/html5/thumbnails/18.jpg)
Conclusions
1. Actually observed localized electric fields of Alfvernicturbulence can be effective in excitation of the EIC modes;2. Unlike solutions for the CDEIC instability, unstable solutionsof the nonlocal dispersion relation indicate a variety of frequencies and perpendicular wavelengths; 3. Unlike solutions for the CDEIC instability, the above solutions are persistent to variations of the parameters, e.g., τ ;
![Page 19: Генерация электростатического КНЧ шума локализованными электрическими полями и продольными токами](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062222/56815dac550346895dcbdfe7/html5/thumbnails/19.jpg)
Благодарность:
• Выражаем благодарность Программе 22 Президиума РАН за поддержку данной работы
![Page 20: Генерация электростатического КНЧ шума локализованными электрическими полями и продольными токами](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062222/56815dac550346895dcbdfe7/html5/thumbnails/20.jpg)
Plasma dispersion function Z(ς). Asymptotic.
Large argument asymptotic (ion term):
ς = x + i y
Small argument asymptotic (electron term):