Генерация электростатического КНЧ шума...

20
Генерация электростатического КНЧ шума локализованными электрическими полями и продольными токами И.В. Головчанская, Б.В. Козе лов, О.В. Мингалёв Полярный геофизический институт КНЦ РАН

Upload: boyd

Post on 12-Feb-2016

51 views

Category:

Documents


0 download

DESCRIPTION

Генерация электростатического КНЧ шума локализованными электрическими полями и продольными токами. И.В. Головчанская, Б.В. Козе лов, О.В. Мингалёв Полярный геофизический институт КНЦ РАН. Alfvenic turbulence and electrostatic ELF noise. DE-2. FAST. [ Golovchanskaya et al., 2013]. - PowerPoint PPT Presentation

TRANSCRIPT

Page 1: Генерация электростатического КНЧ шума локализованными электрическими полями и продольными токами

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Благодарность:

• Выражаем благодарность Программе 22 Президиума РАН за поддержку данной работы

Page 20: Генерация электростатического КНЧ шума локализованными электрическими полями и продольными токами

Plasma dispersion function Z(ς). Asymptotic.

Large argument asymptotic (ion term):

ς = x + i y

Small argument asymptotic (electron term):