闪烁极光中电磁氧回旋波的观测研究外文翻译资料

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闪烁极光中电磁氧回旋波的观测研究

摘要

在极光湍流火箭上的仪器，发现了在强闪烁的极光弧中存在的几个频率为6-13Hz的微弱的电磁振荡间隔。这些振荡的振幅达到了 和，并有向下场排列的能流密度通量高达。通过与最强的振荡想结合，观察到了大约9Hz的平行电子通量的波动。同时地面光学数据表明，电弧闪烁的频率在8-15Hz。观察到的频率与氧回旋频率在4500km的高度上相匹配。在一个波或粒子事件中，调制电子后的波明显滞后意味着调制源高度为2500-5000km。我们将这些波解释为位于极光加速区域的电磁离子回旋波。

简介

在极光弧的10Hz附近有一些关于粒子调制的研究。Evans（1967）在他的粒子探测器的1-120 keV范围内发现了调制，尤其是在较高的范围内。Arnoldy（1970）表明，调制电子的分布主要是场对齐的。最初的观测是在能量在析出电子通量的峰值之上进行的，然而，调制也可以延伸到1 keV或更少的能量（Mcfadden 等人，1987；Temerin 等人， 1986 ）。这些振荡与闪烁的极光之间的联系（Beach 等人，1968）曾一直被怀疑但没有建立，直到1984年Temerin等人的BIDARCA战役（Temerin 等人，1986）。在Temerin等人（1986，1993）的模型中，斜交的电磁氧和氢回旋加速了导致闪烁的极光的电子。

许多卫星观测到了电磁氧回旋波，最近的一次是Freja（Erlandson 等人，1994）。相比之下，在火箭的高度上发表的关于电磁氧回旋波的观测资料较少。Temerin 等人 （1986）研究表明在15Hz以下的宽带电场噪声与粒子调制有关，但没有发现与相关波相关的特定关联（M. H. Boehm, personal communication,，1995）。在DE-1 （Gurnett 等人，1984）中也发现了氧回旋频率下的宽带电磁噪声。一些作者报道了静电（e. g， Bering,，1984）和（Bale 等人，l1992）回旋加速器的观测。在本篇文章中，我们报告了在6-13Hz的同时波活动的探测火箭观测值，以及在这些频率的场排列的粒子通量的波动。我们将这些波认定为来自极光加速区域的电磁氧回旋波。

数据描述

1994年3月6日在UT发射的极光端流火箭从Poker Flat, Alaska飞向极光深处。主要的载荷测量仪器包括三轴磁强计、火箭自旋平面的几个电场测量、电子密度测量的等离子频率探针(PFP)、电子和离子探测器。磁场和电场数据被数字化到16位，分辨率分别为1.8 nT和16。自旋轴在背景磁场的某几度范围内排列。但由于负载系统连接器的过早分离，两个子负载没有获得任何有用的数据。在Poker Flat 和Kaktovik(Barter Is-land )的地面摄像机记录了飞行过程中的光学极光。在发射后，有效载荷在272至302秒，大约400km的高度穿过一个弧形结构。当有效载荷进入电荷时，它遇到了向西移动的浪涌，它在电荷处于弧线时演化成s型。图1显示了3.6 keV场排列，东西方向的电子通量，以及一个垂直的电场谱图。0.39Hz的残余火箭旋转已经被1-Hz的高通滤波器移除。在272-275秒和293-297秒之间爆发的1-7Hz的电磁波，它们与波动的边缘相关联，我们认为这是向下的能流密度通量Alfven 波动（Torbertet 等人，1994）。在弧形结构的中心，这些波的振幅不会降为零。

图1（a）3.6 keV场定向电子（b）东西电磁场（c）在400km高空上，由极光端流主要有效载荷所穿过的弧线上的垂直电场谱图。这些数据都经过了高通滤波，以1.0Hz的频率来消除直流偏移和火箭自旋的基本和二阶谐波（自旋速率是0.39 Hz）。由于遥测数据的改变，粒子数据从大约298-302秒开始下降。在图2中扩展了虚线之间的间隔。

在Poker Flat 上的窄场摄像机记录到了在圆弧遍历过程中，在第一个弧线和第二赤道弧线的频率为8-15Hz的强闪烁极光弧。由于相机在此过程中没有经过过滤，所以大部分信号是由557.7nm[OI]线发射的，该线的辐射寿命为0.8s。这条线倾向于把10 Hz的信号抹去，所以短寿命线的波动必须非常深才能在图像中清晰可见。

本篇文章的重点是在频率为7-13Hz的电场和磁场通道里的小振幅振荡。这些振荡在整个电弧遍历中偶尔出现，但不是在前面和后面的间隔中出现。图2即位这些波动的一个示例，它显示了电场和磁场的自旋平面分量，以及从282.5秒至284.5秒之间的电子伏特为3.6 keV和5.9 keV的场排列电子通道。这些波的最大振幅为4 mV/m和3 nT。该过程的波呈线性两极化，主要为东北到西南方向，主要为东南到西北方向。它们带着向下的场排列为的能流密度通量，在B的自旋轴上没有明显的波动。

图2中电子数据的俯角为或更小，在更大的角度上也检测到了磁通量调制。在本文数据中并没有明显的色散。由于我们的采样间隔为35.6毫秒，这样的色散在6000公里以下的地方是无法识别的。尽管该色散在其他研究中更为模糊，但是图2中的磁通调制在波之前仅约0.4秒。

图2 为自旋平面在282.5-284.5s内，能量通量在5.9keV和3.6keV

之间，俯仰角小于10度或更少的扩展试图。大约在同一频率的

相干通量调制后的0.4s，即在283.5s相干波开始波动。虚线之间

的间隔的光谱如图3所示。

图3 为E（上）和B（中）的自旋平面分量的光谱，以及在图2

所示的相关波内，在两种不同俯角范围内的，能量为3.6keV的

能流通量。波谱是在发射后的283.50秒内从0.66秒的间隔开始

的，而粒子光谱是从发射后的283.10 s开始的。

图3显示了从283.5s开始的以0.66s为间隔的电磁波动的光谱。此外还显示了还显示了3.6 keV电子通道的频率谱，其俯仰角小于以及在之间，并且比波谱早0.4秒。这6中光谱都在频率为9Hz时达到峰值。波谱类似于图2所示的高达100Hz的磁场谱。我们的电场光谱显示在100 - 250赫Hz的电波活动可能与电磁氢回旋波在是一致的，但是这个假设被认定为是暂时的。

PFP测量的密度扰动是，这与弧内的低能量波有关。然后，由于在火箭一侧PFP放置的天线位置不理想，此次测量受到了一种叫ram尾迹效应的严重影响，该效应将密度提高到了。在如此大的密度梯度下，电磁ELF波会产生相当大的密度波动。相当于火箭的等离子体运动产生的密度梯度，其中n为背景密度，d为火箭体尺寸，在火箭框架内的电子为。一条长波长的ELF波，其中会扰动整个电场，改变，并以角度改变尾迹方向。而尾迹移动的距离为，其中r为包括几何因子的有效密度探测长度，长度范围为：。对于极光端流和，及，这与观测到的波动情况一致。

模型识别与讨论

一些观测事实表明，这些波是由极光加速区产生的电磁氧回旋波，我们将关于生成机制的讨论推迟到下面的论文中。

图2所示的电场波动类似于Baleet等人所报道的，在200km处的被认为是静电回旋波，他们的假设无法解释我们的结果，我们看到的波是电磁波，而的浓度在400km内是可以忽略的。

观察到的爆发的频率范围从11-13Hz,而我们关注的事件的截止频率是11 Hz，而最大功率的频率是9 Hz。由于在离子陀螺仪下存在着低能量的模式，所以我们假设在源区域表示。这假设意味着，，与Forslund etal等人预测的以电流驱动的势波的最大生长频率一致。使用IGRF跟踪作为火箭场线高度的函数，我们发现在4500km的高度的频率为11Hz。此外，和仍远高于极光加速区域内观察到的波频率。因此，这些模式可能解释不了我们所观测到的波。

如果波动是在局部产生的，两种候选模式为Alfven 波 [Fejer and Kan, 1969]and doppler-shifted EMIC 波[ Forslund et al., 1979]。而kev电子的速度将与两种模式的相位速度相匹配，因此很难对观测到的大小进行调节。Alfven模式谱也可能比我们所观察到的光谱范围更广。局部氧回旋加速模式需要大量的多普勒频移。假设，其中k为波数，为氧回旋半径。我们发现在，的火箭上，可以看到46 Hz波多普勒偏移到9 Hz。这种离子温度常常在平静的夜间电离层中被观察到。尽管如此，我们认为这种大规模的多普勒频移是不可能的，为了观察到线的宽度，不可能超过10%，这意味着对这些波来说是不切实际的k谱。另一方面。这些波具有远距离的源，并且在沿着该路径的所有局部离子陀螺仪的下方，这些波将作为Alfven波传播。测试这一假设的一种方法是将的振幅与当地的Alfven波动进行比较，从图3的谱峰可以看出，在本次实验中为1400km/s，而在其他波事件产生的值在800-1600公km/s。PFP在试验期间测量了约密度。对于一个以氧为主导的等离子体，这种密度提供了大约1700km/s的局部Alfven速度.由于电离层响应部分地反射Alfven波，应该小于[Knudsen et al.， 1990]。因此，这些事件与Alfven传播模式是一致的。

从图2中粒子波的明显的0.4s的滞后，我们可以通过将Alfven的速度与场线相结合来估计被调制电子的源高度，因此获得的高度应该比共振高度要低，因为波必须有足够的时间来生长并调节电子。让我们修正Lysak[1991]对磁场径向依赖性的解析模型：，其中为电离层的Alfven速度，为电离层测量的地心高度，是磁层和电离层之间的质量密度无线电，是电离层密度的高度。这一计算结果与和有很大的关系，所以主要考虑应用一致性检验。对于上述参数，3-6keV电子的波粒延迟为0.4s，表示源高度约为5000 km。这一结果略高于所观察到的频率谱的估计，以及McFadden等人在1987年从电子烟雾中获得的4000-8000千米的低端点，能量分布在大约4Hz的估计。

总结和结论

在一个强烈闪烁的极光弧中，一个探空火箭探测到6-13赫兹频率的电磁波动。所观测到的波的特征与来自极光加速区域的电磁氧回旋波是一致的，并在波频上调制场排列的电子通量。我们的观察结果证实了Temerin et al.[1986]的模型，该模型预测氧回旋波将产生电子通量调制，从而导致闪烁的极光。观测到的波与电磁氧回旋波是一致的。另外，我们在磁场排列的电子通量中看到了相应的调制，被调制的电子出现在波之前。从Alfven速度的简单模型中，我们发现观察到的滞后与从频谱推断出的源高度范围是一致的。电子探测器的时间分辨率不足以解决色散问题。这些波可能也会导致在极光电离层散射过程中产生的不连贯散射雷达频谱的失真。克努森特(1993年)研究了在整合期的雷达散射体积和时间波动的影响，他们的结论是：在某些情况下，测量的离子温度可能比预期的要高得多。在低频Alfven波存在的报道中发现即使在很短的一段时间内也会产生这样的错误。

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