[論文レビュー] Average observed properties of the Earth's quasi-perpendicular and quasi-parallel bow shock

A. Czaykowska, Thomas Bauer+2 more|ArXiv.org|Sep 13, 2000

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 49被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、AMPTE/IRM惑星探査機の132回の日向バウ・シャック通過を用い、スーパーポジット・エポック解析を実施し、準垂直および準平行シャックにおけるプラズマおよび磁場の性質を分析した。その結果、低βの準垂直シャックでは陽子温度異方性が左回り偏光のイオンサイクロトロン波を駆動する一方、高β・高θBn条件ではミラー波が出現し、異方性と波の強度の強い相関が見られるが、圧縮性ゆらぎとは単純な関連がないことが判明した。

ABSTRACT

We present a statistical analysis of 132 dayside (LT 0700-1700) bow shock crossings of the AMPTE/IRM spacecraft. We perform a superposed epoch analysis of plasma and magnetic field parameters as well as of low frequency magnetic power spectra some minutes upstream and downstream of the bow shock by dividing the events into categories depending on the angle between bow shock normal and interplanetary magnetic field and on the plasma-beta, i.e., the ratio of plasma to magnetic pressure. Downstream of the quasi-perpendicular low-beta (beta < 0.5) bow shock we find a dominance of the left-hand polarized component at frequencies just below the ion cyclotron frequency with amplitudes of about 3 nT. These waves are identified as ion cyclotron waves which grow in a low-beta regime due to the proton temperature anisotropy. We find a strong correlation of this anisotropy with the intensity of the left-hand polarized component. Downstream of some nearly perpendicular high-beta (beta > 1.0) crossings mirror waves are identified. However, there are also cases where the conditions for mirror modes are met downstream of the nearly perpendicular shock, but no mirror waves are observed.

研究の動機と目的

• 衝撃波の幾何学的形状やプラズマ状態が異なる条件下で、地球のバウ・シャックの下流における平均的なプラズマおよび磁場特性を特徴づけること。
• 陽子温度異方性およびプラズマベータが、衝撃波の上流および下流で低周波数磁場ゆらぎを引き起こす役割を調査すること。
• 磁気圏膜中でイオンサイクロトロン波およびミラー波が生成・維持される条件を特定すること。
• さまざまな衝撃レジームにおいて、波の強度とβやT⊥/T∥などのプラズマパラメータとの相関関係を評価すること。
• 太陽活動最小期の条件下でのデータ分析により、バウ・シャック位置の推定値に生じる矛盾を解消すること。

提案手法

• AMPTE/IRM探査機データにおける132回の日向バウ・シャック通過に対するスーパーポジット・エポック解析。
• θBn（衝撃波法線と太陽風磁場のなす角度）およびプラズマβ（プラズマ圧力と磁場圧力の比）に基づくイベント分類。
• 衝撃波の上流および下流におけるプラズマパラメータ、磁場、および低周波数磁場パワー スペクトルの平均化。
• 0.01–0.04 Hz範囲の磁場ゆらぎパワー スペクトルの分析により、波の偏光および成長メカニズムを同定。
• 波の偏光解析を用いて左回りおよび右回りの円偏光成分を区別し、イオンサイクロトロン波を特定。
• 観測された波の振幅および異方性を、ミラー波およびイオンサイクロトロン不安定性の理論モデルと比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 準垂直シャック（θBn > 45°）と準平行シャック（θBn < 45°）の下流における陽子温度異方性（T⊥/T∥）はどのように変化するか？
• RQ2 プラズマβとイオンサイクロトロン波またはミラー波の生成との関係は何か？
• RQ3 なぜ準平行シャックの上流では、準垂直シャックの上流よりも磁場波動活動が顕著に高いのか？
• RQ4 左回り偏光の磁場ゆらぎの強度と陽子温度異方性との間に一貫した相関関係があるか？
• RQ5 高β・高θBn条件下では、すべての不安定性条件を満たしてもなぜミラー波が観測されないのか？

主な発見

• 準垂直シャック（θBn > 45°）の下流では、陽子温度異方性T⊥/T∥ ≈ 1.5が観測されたが、準平行シャック（θBn < 45°）の下流ではほぼ等方的であった。
• 準平行シャックの上流では、磁場ゆらぎパワーが準垂直シャックの上流よりも約10倍高く（0.01–0.04 HzでδB ≈ 4 nT）、観測された。
• 準平行シャック自体では、磁場波動パワーが4倍に増幅されており、おそらく界面での波の増幅または生成によるものと考えられる。
• 準垂直低βシャックでは、陽子サイクロトロン周波数のわずか下で、振幅が約3 nTの左回り偏光のイオンサイクロトロン波が支配的であり、T⊥/T∥と強く相関していた。
• ミラー波はほぼ垂直（θBn ≈ 90°）な高βシャックの下流で観測されたが、すべての不安定性条件を満たしてもその出現は保証されない。
• McKeanら（1994）のシミュレーションで得られた波の振幅（δB/B ≈ 0.2）および異方性の減少 timescale（τ ≈ 2.5/fcp）は、観測データと整合しており、ピッチ角散乱が飽和に寄与する役割を支持している。