ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2010, том 36, № 10, с. 897-915
МАГНИТОСФЕРНАЯ ПЛАЗМА
УДК 533.95
ТОКОВЫЙ СЛОЙ В БЕССТОЛКНОВИТЕЛЬНОЙ НЕМАКСВЕЛЛОВСКОЙ ПЛАЗМЕ: САМОСОГЛАСОВАННАЯ ТЕОРИЯ, МОДЕЛИРОВАНИЕ И СРАВНЕНИЕ СО СПУТНИКОВЫМИ ЭКСПЕРИМЕНТАМИ
© 2010 г. Х. В. Малова1, 2, Л. М. Зелёный2, О. В. Мингалёв4, И. В. Мингалёв4, В. Ю. Попов3, 2, А. В. Артемьев2, 1, А. А. Петрукович2
1 Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ, Россия 2Институт космических исследований РАН, Москва, Россия 3Физический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Россия 4 Полярный геофизический институт Кольского научного центра РАН, Россия Поступила в редакцию 02.03.2010 г.
Окончательный вариант получен 31.03.2010 г.
Построена самосогласованная теория анизотропных токовых равновесий, поддерживаемых в плазме с немаксвелловским распределением частиц по скоростям в случае, когда плазма состоит из холодных электронов и двух горячих ионных компонент с разными температурами. Ионные популяции плазмы описываются в рамках квазиадиабатического приближения, а электроны — в МГД-при-ближении. Получены приближенные стационарные решения системы уравнений Власова— Максвелла и проведено их параметрическое исследование. Показано, что эти решения могут описывать разнообразные профили токовых слоев: от тонких токовых структур с максимумом плотности тока в нейтральном слое до сравнительно "толстых" токовых слоев с двумя или тремя максимумами плотности тока. Также показано, что электронная компонента с анизотропным распределением доминирует в центре токового слоя и может поддерживать узкий центральный пик плотности тока. Ионная компонента доминирует на периферии токового слоя, определяя его характерную толщину. Проведено сравнение с результатами численного моделирования в двухтемпературной плазме (метод крупных частиц) и с экспериментальными данными, полученными на спутниках Cluster. Это сравнение выявило хорошее соответствие между результатами теоретического анализа, численного моделирования и экспериментальными данными и позволяет сделать вывод о том, что разрабатываемая теория достаточно адекватно описывает бесстолкновительные токовые слои в космической плазме.
1. ВВЕДЕНИЕ
Взаимодействие солнечного ветра (потока во-дородно-гелиевой плазмы, истекающего из сол-
нечной короны) с магнитным полем Земли при-
водит к образованию на ночной стороне земной магнитосферы крупномасштабной плазменной структуры — магнитосферного хвоста, в середине которого с утренней стороны на вечернюю течет поперечный ток, поддерживающий сильно вытянутые вдоль хвоста магнитные силовые линии, имеющие разное направление в северной и южной долях хвоста. В течение долгого времени после открытия магнитосферного хвоста предполагалось, что плазма в нем изотропна, а движение частиц можно описать в рамках магнитной гидродинамики [1—3] или кинетических моделей с изотропным распределением плазмы [4, 5]. Для описания равновесных токовых слоев (ТС) в магни-тосферном хвосте было предложено множество моделей, в которых, как правило, предполагалась изотропия давления плазмы, а плазменное равно-
весие обеспечивалось градиентом давления вдоль слоя в направлении к Земле. Попытка учесть анизотропию давления (в направлениях вдоль и поперек магнитного поля) в рамках МГД-модели была сделана в работе [6]. В ней было показано, что учет анизотропии натяжений в токовом слое в случае р > р]_ (р и р± — давление плазмы в направлениях параллельном и перпендикулярном к магнитному полю) приводит к формированию в "центре" узкого токового слоя, вложенного в более широкий слой, а при рц < р± приводит к широкому провалу тока в центре слоя и образованию двухпикового распределения тока. Исследования тонких токовых структур на основе МГД-моделей [7] позволили описать глобальные процессы сжатия магнитосферного хвоста, но не позволяли исследовать тонкую структуру сжатых токовых слоев в хвосте магнитосферы. Таким образом, для создания теории предельно тонких токовых слоев и изучения их свойств нужны были кинетические
модели, основанные на учете анизотропии плазменных распределений.
Еще в 60-е годы Спейсером [8] была выдвинута пионерская идея, подтвержденная численной моделью [9] о возможности кинетического анизотропного плазменного равновесия, поддерживаемого неадиабатическими ионами на разомкнутых орбитах. Однако эта идея долгое время не находила экспериментального подтверждения. Создание последовательной теории тонких токовых слоев началось лишь в 90-е годы [10—13] в связи с активными исследованиями магнитосферного хвоста спутниками Interball 2, ISEE-1,2,3, Geotail и развитием многоточечных спутниковых исследований — миссий Cluster и THEMIS [14—17], позволившим получить данные о структуре и динамике токовых слоев с достаточно большим разрешением.
Идеи Франкфорта и Пелла [18] о важности учета захваченной плазмы для получения адиабатического плазменного равновесия получили развитие в теории анизотропных токовых слоев [19]. Была показана важная роль захваченной и квазизахваченной плазмы в формировании структуры токового слоя [19, 20], ионы которой хотя и не вносят вклад в полный ток через слой, но могут локально перераспределять плотность тока, увеличивая эффективную толщину токового слоя. Позднее была построена самосогласованная одномерная модель тонкого анизотропного токового слоя [12, 13], в которой удалось получить приближенные "полуаналитические" решения для произвольной анизотропии плазмы на границе слоя. Новый класс плазменных равновесий был детально исследован в работах [21, 22]. Толщины полученных токовых структур согласовывались с оценками [17] и [23], согласно которым толщина токового слоя, поддерживаемого спейсеровскими ионами, приблизительно равна
L ~ рD(VT/VD)^/Î (рD = VdI®о — дрейфовый лармо-ровский радиус иона, VT и VD — соответственно, тепловая и потоковая скорости, ю0 — гирочастота вращения иона в магнитном поле вдали от слоя), а оценка верхнего предела для толщины слоя дает L ~ pT, где pT — тепловой ларморовский радиус [24, 25].
Исследования спутников ISEE-1,2,3, Interball, Geotail и CLUSTER, проведенные в последние два десятилетия [26—29], свидетельствуют о том, что толщины наблюдаемых в магнитосфере Земли тонких токовых слоев составляют в среднем от одного до десяти ионных гирорадиусов. Тонкие слои, как правило, существуют вблизи областей пересоединения магнитного поля на магнитопау-зе (границе магнитосферы) и в области пересоединения силовых линий солнечного ветра и магнитосферы на расстояниях примерно 100RE (RE — радиус Земли). Тонкий токовый слой (ТТС) мо-
жет также образовываться на расстояниях 15— 20Яе от Земли в результате утоньшения сравнительно "толстого" токового слоя (имеющего начальную толщину до нескольких десятков ионных гирорадиусов), в результате чего образуется токовая конфигурация с толщиной от 250 до 2500 км [26, 28, 29].
Предельно сжатые магнитные конфигурации играют важную роль в динамике суббурь — они являются "резервуарами" свободной энергии, которая может спонтанно высвобождаться в виде кинетической энергии потоков плазмы и электромагнитного излучения. Таким образом, важнейшие свойства тонких токовых слоев принципиально отличаются от свойств классических МГД или кинетических плазменных равновесий с изотропным распределением плазмы. Такие тонкие токовые слои являются: 1) метастабильными, то есть могут сравнительно долго находиться в квазиравновесном состоянии, а потом взрывным образом разрушаться вследствие развития плазменной неустойчивости [30, 31]; 2) анизотропными, причем анизотропия плазменного давления обеспечивает баланс токового равновесия; 3) вложенными в более широкий плазменный слой. Кроме того, они могут иметь разнообразные немонотонные профили плотности тока (с двумя и более максимумами) и магнитного поля (так называемые "овершуты") с иерархией масштабов от электронного гирорадиуса до глобального. Подобные токовые конфигурации плохо описываются в рамках изотропных моделей, где, как правило, плотности тока и плазмы совпадают, как, например, в известной модели токового слоя Харриса [4]. Более того, в изотропных и анизотропных токовых слоях различны механизмы, обеспечивающие баланс давлений. В изотропных токовых слоях натяжение магнитных силовых линий уравновешивается, как правило, градиентом давления плазмы [2, 5, 7], в то время как в анизотропных токовых слоях баланс сил может быть обеспечен инерцией частиц плазмы, пересекающих токовый слой [32].
Спутниковые наблюдения показывают, что плазма, находящаяся в плазменном слое, поступает из двух основных источников. Первым является солнечный ветер, частицы которого попадают с границ магнитосферы в отдаленные области хвоста по открытым силовым линиям, затем дрейфует по направлению к Земле, ускоряясь поперек хвоста электрическим полем. Вторым источником служит ионосфера, частицы которой пополняют плазменный слой во время геомагнитных возмущений [33].
В плазменном слое могут наблюдаться энергетические распределения двух видов: 1) двухтем-пературные, когда в плазме можно выделить две основные компоненты: горячую и холодную (источником более холодной плазмы могут быть сол-
нечный ветер или ионосфера, а более горячей — частицы, уже ускоренные в плазменном слое); 2) немаксвелловские с выраженным степенным хвостом функции распределения.
Такой характер функции распределения может быть связан с тем, что частицы плазмы ускоряются электрическим полем в процессе глобальной магнитосферной конвекции или вблизи Х-линии во время суббурь [34, 35]. Что касается электронных распределений, то, как свидетельствуют многолетние наблюдения, популяции ионов и электронов в бесстолкновительной плазме хвоста далеки от состояния термодинамического равновесия: популяция электронов в среднем в 5—8 раз холоднее ионов [33].
Вопрос о влиянии сложного температурного состава космической плазмы на структуру токового слоя в хвосте магнитосферы и его характеристики долгое время оставался открытым. Некоторое время назад были сделаны попытки развить модели токового слоя с изотропной многокомпонентной плазмой
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.