Transmission mechanism of Pc 3 pulsations in the cusp

Abstract

In spite of accumulated observations of ULF (Ultra-Low Frequency) pulsations, there are no satisfactory explanations for the generation and transmission mechanisms of Pc 3 pulsations at very high latitudes. The characteristics of the high-latitude Pc 3 pulsations were studied by using data acquired in the ionosphere by the Super Dual Auroral Radar Network (SuperDARN) of HF (High Frequency) radar and in space by the GEOTAIL satellite. In order to use the SuperDARN radars for the Pc 3 studies, a special operating mode (called Basyouhu mode) was developed to obtain higher time resolution data. This mode was in operation for 17 days during 1999 and 2000. The time durations were selected by requiring GEOTAIL to make skimming orbits near the dayside magnetopause. In the preliminary analysis, scanning of range-time plots of the backscattered power and the line of sight Doppler velocity for the special beams were started in order to find periods of good backscatter. By visual inspection, time periods with clear radar backscatter at daytime were selected. In the next step, the power spectrum was calculated for the selected time periods using a 5-min data window. In order to remove noise and locally generated signals, 5-min events with identical spectral peaks over several range gates were selected. The observations revealed that narrow-band Pc 3 pulsations are occasionally observed in Doppler velocity data by the HF radar, and that there is a clear peak of the Pc 3 power near the cusp latitudes. Furthermore, it was found that compressional magnetic field variations in the morning magnetosheath include spectral peaks identical to the Pc 3 pulsations detected by the radar. The magnetic field variation spectrum associated with the Pc 3 pulsations is narrower the closer to the magnetosheath noon the spacecraft is located. The results suggest that the driving source is located outside the magnetosphere, and then part of the energy of driving source is transmitted into the ionosphere along cusp/LLBL (Low Latitude Boundary Layer) magnetic field lines.

極低周波(ULF)脈動の観測が蓄積されてきているにも関わらず、非常に高緯度でのPc3脈動の発生および伝播機構についてはいまだ満足できる説明はない。HF(高周波)レーダのSuper Dual Auroral Radar Network(SuperDARN)による電離圏でのデータ、およびGEOTAIL衛星による宇宙空間での観測データを用いることにより、高緯度Pc3脈動の性質を研究した。SuperDARNレーダ網をPc3の研究に用いるため、高時間分解能を得るための特殊な稼働モード(Basyouhuモードと呼ばれる)が開発された。このモードは1999年から2000年にかけて17日間稼働された。この期間はGEOTAILが昼側の磁気圏界面をかすめる軌道をとるように選定された。予備解析では、良質の後方散乱が得られる時間帯を見出すため、特殊なビームについて後方散乱のパワーおよび視線方向のドップラー速度の距離-時間プロットのスキャンを開始した。目視により、日中の鮮明なレーダ後方散乱が得られる時間帯を選択した。次の段階では、5分間のデータウィンドウを用い、選び出した時間帯についてパワースペクトルを求めた。雑音および局所的に発生した信号を除去するため、数個の距離ゲートにわたって同じスペクトルピークをもつ5分イベントを選んだ。この観測によって、狭帯域Pc3脈動がHFレーダのドップラー速度データで時折観測され、カスプの緯度付近でPc3のパワーのはっきりとしたピークがあることが見出された。さらに、朝方半球磁気シースでの圧縮性磁場変動が、レーダで得られたPc3脈動と同じスペクトルピークを持つことを発見した。Pc3脈動にともなう磁場変動のスペクトルは、衛星が磁気鞘の正午に対してより近くに位置するにつれ、より狭くなる。これらの結果から、駆動源は磁気圏の外に位置し、駆動源のエネルギーの一部はカスプ/LLBL(低緯度境界層)の磁力線に沿って伝播されていることが示唆される。