Условные обозначения 4
Введение 4
Объект исследования - токовый слой 4
Актуальность 7
Цели и задачи работы 8
Инструменты и данные 8
Спутниковая система CLUSTER 8
Наблюдения 11
Критерии отбора событий 11
Параметры СВ для события №1 13
Выбор локальной системы координат 14
Обзорная картинка 15
Относительное движение спутника относительно ТС 17
Профили электрического тока 19
Характерные параметры токовых слоев 20
Замагниченность частиц и области применимости 21
Распределение давлений поперек токового слоя 23
Сравнение концентраций протонов и электронов 25
Оценки вкладов в ток 26
Сравнение данных на отдельном спутнике и в барицентре 26
Диамагнитные токи. Протоны и электроны 27
Градиентный ток электронов 29
Сумма трех вкладов в ток 30
Обсуждение и выводы 32
Список литературы 34
Приложение.
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 [1]. Наблюдается и более мелкомасштабная структура с интенсивностями порядка 100 нА/м2 на масштабах 10-100 км. [2], [3]. 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 [4]. Было показано, что часто основными носителями тока являются электроны, а ионы могут давать даже отрицательный вклад в ток [5]. 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.
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.
