Cosmic ResearchCosmic ResearchКосмические исследования0023-42063034-5502The Russian Academy of Sciences69943310.7868/S3034550225060079ArticlesСтатьиResearch ArticleLOWER HYBRID DRIFT WAVES IN THE DUSTY IONOSPHERE OF MARSО ВОЗМОЖНОСТИ ВОЗБУЖДЕНИЯ НИЖНЕГИБРИДНОЙ ДРЕЙФОВОЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ В ИОНОСФЕРЕ МАРСАMorozovaT. I.МорозоваТ. И.timoroz@yandex.ruPopelS. I.ПопельС. И.email@example.comSpace Research InstituteИнститут космических исследований РАН15122025636VOL 63, NO6 (2025)ТОМ 63, №6 (2025)65066225122025Copyright ©; 2025, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2025, Российская академия наук2025Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://rjsvd.com/0023-4206/article/view/699433

In the ionosphere of Mars, dust can remain at high altitudes as a result of combustion of meteoric bodies and its subsequent condensation. These dust particles acquire charges under the influence of solar radiation, interaction with charged particles of the ionosphere and solar wind, and also as a result of the triboeffect. In such plasma-dust systems, various wave oscillations can occur. In particular, taking into account the inhomogeneities of the plasma concentration of Martian plasma-dust clouds and the presence of a magnetic field of Mars, although weak, but significant for these processes, it is possible to excite lower hybrid drift waves. The conditions under which the propagation of lower hybrid drift waves in the dusty plasma of the ionosphere of Mars and the development of modulation instability of these waves are possible are considered. A possible connection is shown between the occurrence of low-frequency noise on Mars and the development of lower hybrid drift turbulence in plasma-dust systems of Mars, in which sufficiently large electric fields are observed. The influence of the magnetic field on the excitation of lower hybrid drift waves is shown and it is calculated for which regions of the magnetic field in the dust clouds of Mars lower hybrid drift waves of certain frequency ranges can be excited.

Рассмотрены нижнегибридные дрейфовые волны и развитие нижнегибридной дрейфовой турбулентности в применении к плазменно-пылевым системам ионосферы Марса. На основе кинетической теории получено общее нелинейное уравнение третьего порядка по напряженности поля для нижнегибридных дрейфовых волн в неоднородной плазме. Это уравнение позволяет описывать как сильные эффекты турбулентности (модуляционная неустойчивость, солитоноподобные решения и т.д.), так и слабые эффекты турбулентности (распады, рассеяние). Проведено исследование модуляционной неустойчивости нижнегибридных дрейфовых волн. Показано, что развитие модуляционной неустойчивости нижнегибридных дрейфовых волн возможно лишь тогда, когда волновой вектор модуляционных возмущений меньше или порядка волнового вектора волны накачки. Получено условие на волновые векторы, когда нелинейный отклик, определяющий характер модуляционной неустойчивости, определяется эффектами неоднородности. Нижнегибридные дрейфовые волны возбуждаются при достаточно высоких значениях электрических и магнитных полей. Такие условия присутствуют, например, в плазменно-пылевых облаках в ионосфере Марса. В ионосферу Марса пыль может попадать в результате сгорания метеорных тел. При определенных сезонах вариации температур и концентрации углекислого газа в ионосфере Марса оказываются благоприятными для конденсации метеорной пыли, а также углекислого газа на пылевые частицы и образования на них ледяных мантий. Здесь складываются условия для зарядки таких пылевых частиц и возникновения в пылевых облаках достаточно больших значений электрических полей. Принимая во внимание неоднородности концентрации плазмы марсианских плазменно-пылевых облаков и вихрей, а также наличие хотя и слабого, но существенного для данных процессов магнитного поля Марса, возможным оказывается возбуждение нижнегибридных дрейфовых волн. Отмечена возможная связь возникновения низкочастотных шумов в атмосфере Марса с развитием дрейфовой нижнегибридной турбулентности в плазменно-пылевых облаках ионосферы планеты.

Данная работа была поддержана грантом Фонда развития теоретической физики и математики “БАЗИС”.Hsia J.H., Chiu S.M., Hsia M.F. et al. Generalized lower-hybrid-drift instability // The Physics of Fluids. 1979. V. 22. Iss. 9. P. 1737–1746.Davidson R.C., Gladd N.T., Wu C.S. et al. Effects of finite plasma beta on the lower-hybrid-drift instability // The Physics of Fluids. 1977. V. 20. Iss. 2. P. 301–310.Sotnikov V.I., Shapiro V.D., Shevchenko V.I. On the nonlinear theory of current instability of short-wave drift oscillations // Physica D: Nonlinear Phenomena 2.1. 1981. P. 170–184.Bingham R., Shapiro V.D., Tsytovich V.N. et al. Theory of wave activity occurring in the AMPTE artificial comet // Physics of Fluids B: Plasma Physics. 1991. V. 3. Iss. 7. P. 1728–1738.Drake J.F., Guzdar P.N., Hassam A.B. et al. Nonlinear Mode Coupling Theory of the Lower-Hybrid-Drift Instability. 1983. Art.ID. NRLMR5209.Rudakov L.I., Tsytovich V.N. Strong langmuir turbulence // Physics Reports. 1978. V. 40. Iss. 1. P. 1–73.Veriaev A.A., Tsytovich V.N. Modulation instability of the lower-hybrid waves // Physica Scripta. 1979. V. 20. Iss. 3–4. P. 346–352.Tsytovich V.N., Vladimirov S.V., Popel S.I. On modulational interaction of lower-hybrid waves // Physica Scripta. 1992. V. 46. Iss. 1. P. 65–72.Fedorova A.A., Montmessin F., Korablev O. et al. Stormy water on Mars: The distribution and saturation of atmospheric water during the dusty season // Science. 2020. V. 367. Iss. 6475. P. 297–300.Montmessin F., Bertaux J.L., Quemerais E. et al. Subvisible CO2 ice clouds detected in the mesosphere of Mars // Icarus. 2006. V. 183. Iss. 2. P. 403–410.Montmessin F., Gondet B., Bibring J.P. et al. Observations of water vapor in the Martian atmosphere from the OMEGA/Mars Express instrument // J. Geophys. Res. 2007. V. 112. Art.ID. E11590.Whiteway J.A., Konguem L., Dickinson C. et al. Mars water-ice clouds and precipitation // Science. 2009. V. 325. Iss. 5936. P. 68–70.Резниченко Ю.С., Дубинский А.Ю., Попель С.И. Innsanov-mukasa система в марсианской ионосфере // Физика плазмы. 2023. T. 49. № 1. С. 57–66.Sauer K., Dubinin E., Baumgartel K. et al. Low-frequency electromagnetic waves and instabilities within the Martian bi-ion plasma // Earth, planets and space. 1998. V. 50. Iss. 3. P. 269–278.Морозова Т.И., Попель С.И. К вопросу о плазменно-пылевых процессах, сопровождающих метеорные потоки // Физика плазмы. 2020. T. 46. № 11. С. 993–1006.Морозова Т.И., Попель С.И. Модуляционное взаимодействие в пылевой плазме хвостов метеороллов // Геомагнетизм и аэрономия. 2021. T. 61. № 6. С. 794–802.Peter K., Pätzold M., Molina-Cuberos G.J. et al. The lower dayside ionosphere of Mars from 14 years of MaRS radio science observations // Icarus. 2021. V. 359. Art.ID. 114213.González-Galindo F., Lopez-Valverde M.A., Angelas i Coll M. et al. Extension of a Martian general circulation model to thermospheric altitudes: UV heating and photochemical models // J. Geophys. Res. 2005. V. 110. Art.ID. E09008.Pätzold M., Tellmann S., Häusler B. et al. A sporadic third layer in the ionosphere of Mars // Science. 2005. V. 310(5749). Art.ID. 837.Anbar A.D., Allen M., Nair H.A. Photodissociation in the atmosphere of Mars: Impact of high resolution, temperature-dependent CO2 cross-section measurements // J. Geophysical Research: Planets. 1993. V. 98. Iss. E6. P. 10925–10931.Pätzold M., Tellmann S., Häusler B. et al. A sporadic third layer in the ionosphere of Mars // Science. 2005. V. 310. Iss. 5749. P. 837–839.Бронштэн В.А. Планета Марс. Москва: Наука, 1977. 97 с.Bertaux J.L., Leblanc F., Witasse O. et al. Discovery of an aurora on Mars // Nature. 2005. V. 435. Iss. 7043. P. 790–794.Purucker M.E., Clark D.A. Mapping and interpretation of the lithospheric magnetic field // Geomagnetic observations and models. Dordrecht: Springer Netherlands, 2010. P. 311–337.Li S., Lu H., Cao J. et al. Global electric fields at mars inferred from multifluid hall-MHD simulations // Astrophysical J. 2023. V. 949. Iss. 2. Art.ID. 88.Akbari H., Andersson L., Peterson W. et al. Ambipolar Electric Field in the Martian Ionosphere: MAVEN Measurements // J. Geophysical Research: Space Physics. 2019. V. 124. Iss. 6. P. 4518–4524.Melnik O., Parrot M. Electrostatic discharge in Martian dust storms // J. Geophysical Research: Space Physics. 1998. V. 103. Iss. A12. P. 29107–29117.Harrison R.G., Barth E., Esposito F. et al. Applications of electrified dust and dust devil electrodynamics to Martian atmospheric electricity // Space Science Reviews. 2016. V. 203. P. 299–345.Farrell W.M., Desch M.D. Is there a Martian atmospheric electric circuit? // J. Geophysical Research: Planets. 2001. V. 106. Iss. E4. P. 7591–7595.Farrell W.M., Desch M.D., Kaiser M.L. et al. Radio and optical detection of Martian dust storm discharges // Acta Astronautica. 2000. V. 46. Iss. 1. P. 25–36.Farrell W.M., Kaiser M.L., Desch M.D. et al. Detecting electrical activity from Martian dust storms // J. Geophysical Research: Planets. 1999. V. 104(E2). Art.ID. 37953801.Kozakiewicz J., Kulak A., Kubisz J. et al. Extremely low frequency electromagnetic investigation on Mars // Earth, Moon, and Planets. 2016. V. 118. Iss. 2. P. 103–115.Morozova T.I., Popel S.I. Modulational Instability of Electromagnetic Waves on Mars Associated with Dust Acoustic Mode // Plasma physics reports. 2024. V. 50. Iss. 7. P. 822–828.Popel S., Vladimirov S., Tsytovich V. Theory of modulational interactions in plasmas in the presence of an external magnetic field // Physics Reports. 1995. V. 259. P. 327–404.