Тема: Многоспутниковые методы исследования транзиентных структур в космической плазме

Токовые слои (ТС) являются важным объектом для изучения в физике плазмы, поскольку в ТС могут накапливаться, храниться и преобразовываться значительные энергии. Основные процессы, позволяющие высвобождать энергию в ТС - это магнитное пересоединение и неустойчивости в плазме. Стабильность ТС, механизмы их формирования, процессы в плазме, ответственные за перенос тока, являются актуальными вопросами.
В нашей работе мы исследуем ТС в магнитосфере Земле. Магнитосфера это область с характерными размерами 10-30 Re, которая образуется при взаимодействии плазмы солнечного ветра с магнитным полем Земли. На ночной стороне магнитосферы магнитное поле сильно вытягивается, образуются так называемые доли с полями противоположного направления, между которыми расположен токовый слой. В магнитосфере существуют и другие токовые слои, например, ток на магнитопаузе. Для краткости в дальнейшем мы будем использовать термин ТС именно для токового слоя хвоста магнитосферы.
В основном в токовых слоях хвоста магнитосферы наблюдается полный электрический ток в ТС порядка 106-107 А, что соответствует плотности тока 1-10 нА/м2, при толщине порядка 1Re. Наблюдается и более мелкомасштабная структура с интенсивностями порядка 100 нА/м2 на масштабах 10-100 км.. Наблюдения показывают, что профили
плотности тока могут иметь максимум в центре или быть
бифурцированными, иметь локальный минимум в центре. Токовый слой часто вложен в плазменный слой, т.е. профиль электрического тока имеет более узкий максимум, чем профиль концентрации плазмы. Было показано, что часто основными носителями тока являются электроны, а ионы могут давать даже отрицательный вклад в ток. Важно отметить, что почти все свойства и параметры ТС были получены при пересечениях (сканировании), когда слой двигался со скоростями 20-100 км/с, относительно спутников имеющих небольшую собственную скорость: 1 -2 км/с. В большинстве работ ранее рассматривались быстрые пересечения ТС, не превышающие 10 минут по длительности. Такой критерий выбирался, чтобы исследовать слои, которые не успевает эволюционировать в течение пересечения. В качестве примера приведем событие, исследованное с помощью многоспутниковой системы CLUSTER, представленное из работы Runov et al. (2005), рисунок 1. На рисунке показаны два типичных пересечения токового слоя, длительностью около 2 минут каждое. На первых трех панельках представлены три компоненты вектора индукции магнитного поля для четырех спутников, на четвертой панельке три компоненты вектора индукции магнитного поля в барицентре, на пятой панельке три компоненты плотности электрического тока. В правом верхнем углу показаны координаты спутников CLUSTER. Пунктирными линиями показаны времена пересечения нейтрального слоя барицентром.
Статистика пересечений ТС, представленная на рис 2 (а), говорит о том, что в большинстве исследуемых случаев ТС движутся со скоростью 30 км/с и более. На рис 2 (а) показана частота встречаемости различных значений скорости ТС вдоль нормали в работах ранее, а на рис 2 (б) частота встречаемости различных значений отношения полутолщин ТС к гирорадиусу протона.
Другая статистика исследований пересечения ТС, также представленная в работе Рунова 2005 года (рис 2 (б)), свидетельствует о том, что ранее преимущественно изучались события, для которых отношение толщины ТС к гирорадиусу протона в долях лежит в диапазоне 1 - 20. Забегая вперед, мы обозначим, что в нашей работе рассмотрены ТС, движущиеся со скоростью 2-5 км/с, а толщина (h/Lcp) лежит в диапазоне 40 - 100, показано на Рис. 2 синими метками. Это существенно отличает поднабор исследуемых нами ТС от предыдущих работ.
Благодаря появлению миссий THEMIS (c 2007) и MMS (c 2015) научные исследования сдвинулись в область изучения тонких и супертонких (даже с размагниченными электронами) токовых слоев. В отличие от CLUSTER с его полярной орбитой миссии THEMIS и MMS имеют близкие к экваториальным орбиты, вследствие чего пересечения ТС возможны только из -за движения самого слоя. Поэтому в большинстве работ опять исследуются быстрые пересечения ТС, чаще всего это флэппинг колебания.
Купить

Ранее длительные пересечения токовых слоев оставались неизученными, предполагалась, что ТС нестационарен на масштабах времени более 10 минут. Наши результаты показывают, что возможно исследование длительных пересечений 30 -90 минут и возможно более. Симметричность профилей тока и давлений относительно центра ТС косвенно подтверждают,
что слой стационарен. В перспективе можно воспользоваться длительными пересечениями усреднения данных и, как следствие, получение более точных измерений функций распределения.
Предположение одномерности ТС и постоянства давления (плазменного плюс магнитного) поперек слоя соответствует диамагнитному механизму тока. Мы это показали из реальных наблюдений градиентов давлений. В области около цента ТС, где ионы становятся размагниченными и диамагнитное описание неприменимо, существенный вклад в ток дают градиентные токи электронов (анизотропийные). Вклад анизотропийных токов доходит до 100%, что выше, чем показано статистически в работе Artemyev et al. 2019 (25%) [22].
Основные результаты:
• Была показана возможность изучать квазистационарные токовые слои, в которых сканирование происходит в основном из -за собственного движения спутников Cluster
• Найденные три вклада в ток, протонный и электронные диамагнитные и градиентный ток электронов в сумме близки к току по курлометру. Основной вклад в суммарный ток вблизи нейтрального слоя вносит градиентный ток электронов; вдали от нейтрального слоя, где ионы становятся замагниченными, - диамагнитные токи ионов и электронов. Найденные профили токов бифурцированы, имеют максимальные плотности 1-4 нА/м2, толщины 1.5-2 Re или 20-50 протонных гирорадиусов.
Купить