极光电磁离子回旋波加速He＋的快速观测外文翻译资料

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地球物理研究报告,卷.25,NO.12,第2049-2052页,1998年6月15日

极光电磁离子回旋波加速He^＋的快速观测

E. J. Lund,¹ E. Mobius,¹² L. Tang, ¹² L. M. Kistler, ¹² M. A. Popecki, ¹ D. M.Klumpar,³ W. K .Peterson, ³E.G. Shelley, ³ B.Klecker, ⁴ D.Hovestadt,⁴ M.Temerin, ⁵ R. E. Ergun,⁵ J.P. McFadden,⁵ C. W. Carlson,⁵ F. S. Mozer,⁵R. C. Elphic,⁶ R. J. Strangeway, ⁷ C. A. Cattell, ⁸ and R. F. Pfaff⁹

摘要：在FAST卫星上的TEAMS仪器检测到He 离子在垂直于磁场的方向上以几千电子伏特的能量进行共振加速这一事件。这与电磁离子回旋加速器（EMIC）波和H 中的几百电子伏特和O 中的几千电子伏特的圆锥分布有关。在这些事件中，He 浓度可以显著提高。我们的解释为He 离子是通过与波的回旋共振来加速的。这种加速度类似于提出的脉冲太阳耀斑中选择性离子加速机制。

介绍

离子加热和垂直于磁场的加速度是极光区域的一个常见特征。这些离子获得高达几千电子伏特的能量，然后向上移动场线，绝热交换垂直平行能量产生离子锥体[Sharp等人,1977]。各种各样的波，包括电磁离子回旋加速器（EMIC）波[e.g., Chang等人, 1986]，被认为是横向加速机制。通过极光EMIC波的优先加速O 已被报道[Erlandson等人, 1994]，并且最近已经表明：对于低浓度的He （n_He / n_elt;0.01），EMIC波可以加热Be 以产生靠近赤道附近的日间外磁层观察到的双圆锥形He 分布[Horne and Thorne, 1997]。由Collin等人[1988]的DE-1数据推断在极光纬度优先加热He 的机制的存在，他发现大部分上升的He 事件的数量通量大大超过了冷电离层预期的通量。

EMIC波也与极光中的其他几个物理过程相关联。斜EMIC波的有限E_||可以将电子加速到几千电子伏特的能量，从而在下行电子通量中产生调制，从而产生闪烁的极光[Temerin等人, 1986]；最近，EMIC波与调制电子通量一起被观察到[Lund等人, 1995; McFadden等人, 1998]。这些波也与最近发现的短时间孤立电场结构相关联，这些电场结构可能携带大量的平行电位下降[Ergun等人, 1998]。

这些波的产生机理尚不清楚。主要候选人是由自由电子束驱动的不稳定性 [Ternerin and Lysak, 1984; Oscars-son等人，1997]。然而，除非慎重选择用于线性不稳定性计算的电子分布，否则所得到的增长率太低而不能解释观测波，重离子回旋波的观测不能用这种机制来解释（参见Lund和LaBelle [1997]讨论）。

在这封信中，我们报告了EMIC波与极光中共振加速的He 相关的观测结果。 我们从数据中推断出的加速机制类似于已经在脉冲太阳耀斑中提出的回旋共振加速机制[Ternerin和Roth，1992]。

数据描述

快速极光快照探索（FAST）于1996年8月21日发射，运行轨道为4200times;350公里，倾角830°。 FAST携带了飞行时间能量角度质谱仪（TEAMS），这是第一台可以同时测量在0.001-12keV的H ，He2 ，He 和O 的3D分布，并且还提供了在1-60amu / q范围内的每电荷质量谱[MSbiibull;s等，1998a]。

图1. 1997年1月25日的来自轨道1697的FAST数据的四分钟概述，显示了电子能量，离子俯仰角（所有物种），H 能量，He 能量，O 能量，每种物种的每个离子的平均能量，离子混合频率，ELF电场和ELF磁场。 频谱图上的线表示本地质子回旋频率。 ELF B光谱已被平坦化为f²，以降低显示光谱图所需的动态范围。

图1显示了1997年1月25日来自北极极光通道的粒子和ELF波数据的总体情况。从上到下，这些图显示了一个电子能谱图、 离子倾角分布（所有物种）、 H ，He 和O 能谱图、每个物种的平均能量（上行能量通量除以上行数量通量）、根据Libull;nd和LaBfrac12;||frac12; [1997]给出的公式，由H ，He 和O 的分数密度计算得到的H -He 离子混合频率f·a，和ELF电场和磁场频谱图。 能谱图覆盖了所有的俯仰角度。 波谱图上的线表示当地质子回旋频率fcH asymp; 190 Hz。

在08：39-08：41 UT期间，FAST遇到了一个电子倒V，其中峰值能量超过20 keV，尽管这个轨道在地球上是安静的（Kp=1）。 在08:39到08:40:21之前离子圆锥被观察，此时发生向光束的突然转变。在此期间三次，TEAMS检测到He 和O 的通量和能量增加了。 每次都观测到60-120 Hz的电磁波，离子节距角分布变宽，以及反V电子能量增加；然而，质子能量范围从3到200eV的变化很小或没有变化。EMIC波主导着离子圆锥体中的电场光谱；低频混合发射在300-400赫兹可见，但约为20分贝就很弱。一些EMIC波在f_IH以下达20Hz，在EMIC波观察期间为80-100Hz。从图中可以看出，在EMIC活动期间，He 比O 更加有效：He 通常落在100-5000eV的能量范围内，而O 则从20eV延伸到3000eV。当FAST进入离子束时，电磁波的频率增加到正好低于f_cH ，而宽带静电湍流出现在约100Hz以下; 即使在这里，He 和O 的能量几乎相等，而在离子束中O 通常具有比He 更高的能量[Mobiu等人，1998b]。

图2. 1997年1月25日08:39:40-45 UT的H ，He ，O ，电子的速度空间分布

图2显示了08：39：40-45在一个自旋周期内H ，He ，O 和电子的速度空间分布。 三个离子种类图的坐标轴被缩放，使得每个图覆盖相同的能量范围。 H 和O 分布表现出经典的圆锥形特征，H 垂直速度延伸约100km/s和O 垂直速度延伸约200km/s。O 的平行温度显着高于H 的平行温度。在FAST（4140公里）高度的锥体的倾斜角约为130°；展开二次曲线意味着在2400公里左右的横向加热区域。 He 离子几乎完全位于100-400km /s的范围内；它们似乎具有更高的最小平行能量和约110°的稍平坦的锥角。后者的锥角表示在3600km附近或高于3600km的第二加热区域。电子分布中的两个特征突出了倒V族群，其中包括v_{|| asymp; -} 5 x 10⁴ km /s的下行群（约10 keV的能量）和一些镜像电子，以及一个高达约1keV，低垂直温度的场对准元件。

图3.（a）具有EMIC波（实心符号）的24个离子圆锥体和没有EMIC的62个离子圆锥体（开放符号）的He 相对于H 的最大能量。（b）与这些事件相比较的He 的最大能量

数据中已经确定了其他几个优先加速事件。 一个明显的趋势出现：无论何时EMIC波都明确存在，He 会发生优先加速，而在没有EMIC波的情况下，所有离子种的通电都是可比的。 图3说明了这一点，图3显示了三个主要物种的最大能量在86个离子圆锥事件中如何相关，其中24个与EMIC波同时发生。（因为估计了最大能量，有几个点彼此重叠。）所有具有EMIC波（实心符号）的圆锥体显示He 优先在H 上加热，并且大部分显示He 优先在O 上加热; 几乎所有其他事件（开放符号）都沿着图中的y = x线落下。根据观察到的波与最近对Freja数据进行的统计调查相一致，这个离子锥可以分为两类或更多不同类[Andre等人，1998]。 其中一些事件伴随着He 密度的显著增加；例如，在1996年10月9日的第534位观察到的优先加速事件（未显示）期间检测到显着量的He ，但是He 在其他地方几乎完全不存在。

结论

与H 和O 相比，He 离子加速的效率以及优先加速度和EMIC波之间的一致关联表明了回旋加速器的共振加速机制。有人提出了类似的机制来解释非致密性太阳耀斑[Temerin和 Roth, 1992；Roth 和Ternerin, 1997]。 在冲击性太阳耀斑中，离子加速到几个MeV/核子，3He/4He的跳跃比通常约为10^-4，可以超过1.A在顶部极光电离层中的Temerin-Roth型机制可以容易地解释在这些事件中看到的增强的He 通电。 此外，这种机制将解释DE-1数据中报道的He 通量升高[Collin等人，1988]。

一些先前关于EMIC波离子加热的研究[例如Horne和Thorne，1997]已经明确地认为，当波频率等于或高于离子混合共振频率omega;IH时，会发生这种加热。在惠斯勒模式支持下EMIC波传播与较低混合频率的传播起到类似的作用[Smith和Brice，1964]。 在这个频率以上存在谐振锥并且波沿着场线被引导；在这个频率以下允许垂直传播并且波可以被反射[Rauch和Roux，1982]。在Freja数据[Erlandson等人，1994]中观察到的Omega;He 的EMIC波的截止值很容易被这种效应所解释，从那时起H 是多数物种，omega;IH→Omega;He 如nHe →0 。然而，由于在极光加速区产生的H EMIC波已经在地面上被检测到[Sato 和 Hayashi，1985]，所以wm处的反射并不总是在极光带发生。尽管图1中的数据并不排除离子频率下的反射，但更可能的情况是波如传统离子杂交共振那样传播，正如最近的光线追踪计算所预测的[Lund 和LaBelle，1997]，并在波频与当地氦回旋频率相匹配的高度附近加热He 。在3600公里处，Omega;He = 56Hz，接近观测到的EMIC频段的最低频率。结果，即使当等离子体含有大量He 浓度时，He 也可以通过回旋加速器共振加速。

应该强调的是，这里观察到的谐振加热是一种辅助加热机制；一些其他加速机制必须将质子加热到观察到的能量。在这种情况下，有两个可能性：波束区域中的宽带静电波可以加热离子，随后它们向上移动时对流于赤道，或者离子可以通过卫星以下产生的静电波加热。 这两种或两种以上机制的相对重要性是未来调查中将要讨论的一个悬而未决的问题。

致谢

作者感谢UNH，MPE，LPARL和UCB的许多无名人士，他们为成功实施TEAMS文书做出了贡献。 作者还要感谢W. Peria，G. Delory和J. Loran在制作和记录FAST AC数据分析软件方面的工作。新罕布什尔大学的工作得到了美国国家航空和航天局的资助，名额为NAS5-31283。

参考文献

Andre,M.,等人,极光地区1700千米的离子激发机制,J.Geophys.Res.,1998年出版.

Chang,T.,等人,横向加速氧离子的电磁离子回旋共振与宽带左旋极化波,地球物理学报.Res. Lett.,8,636,1986.

Collin,H.L.,等人,高能量ter-restrial离子上升的氦组分：它们的发生,形态和强度,J.Geophys. Res.Lett.,93,7558,1988.

Ergun,R.E.,等人,大幅度孤立波的FAST卫星观测,地球物理学.Res.Lett.,在印刷中,1998年.

Erlandson,R.E.等人,Freja观测电磁离子回旋加速器ELF波和横向氧离子加速在极光场线上,Geophys. Res.Lett.,21,1855年,1994年.

Horne,R.B.,和R.M.Thorne,通过电磁离子回旋波在磁球中波加热He :在H -He 双离子共振频率附近加热,J.Geophys.Res.,102,11,457,1997.

Lund,E.J.,等人,观察电磁氧气回旋波在闪烁的极光中的地球物理学.Res.Lett.,22,2465,1995.

Lund,E.J.,和J.LaBelle,极光电磁离子回旋波的产生和传播,J.Geophys.Res.,102,17,241,1997.

McFadden,J.P.,等人,FAST观测的电子调制和离子回旋波,地球物理学.Res.Lett.,在印刷中,1998.

Mobius,E.,等人,空间等离子体测量技术中的Clus-ter,FAST和Equator-S的飞行时间质量辨别的三维等离子体分布函数分析器,Geophys.Monogr.Set.,由J.Bor-ovsky,R.F.Pfaff和D.T.Yo

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