научная статья по теме ВОЗМОЖНЫЙ МЕХАНИЗМ УСИЛЕНИЯ И ПОДДЕРЖАНИЯ СДВИГОВОЙ КОМПОНЕНТЫ МАГНИТНОГО ПОЛЯ В ТОКОВОМ СЛОЕ ХВОСТА МАГНИТОСФЕРЫ ЗЕМЛИ Физика

Текст научной статьи на тему «ВОЗМОЖНЫЙ МЕХАНИЗМ УСИЛЕНИЯ И ПОДДЕРЖАНИЯ СДВИГОВОЙ КОМПОНЕНТЫ МАГНИТНОГО ПОЛЯ В ТОКОВОМ СЛОЕ ХВОСТА МАГНИТОСФЕРЫ ЗЕМЛИ»

ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2015, том 41, № 1, с. 92-106

КОСМИЧЕСКАЯ ПЛАЗМА

УДК 533.9

ВОЗМОЖНЫЙ МЕХАНИЗМ УСИЛЕНИЯ И ПОДДЕРЖАНИЯ СДВИГОВОЙ КОМПОНЕНТЫ МАГНИТНОГО ПОЛЯ В ТОКОВОМ СЛОЕ ХВОСТА МАГНИТОСФЕРЫ ЗЕМЛИ © 2015 г. Е. Е. Григоренко*, Х. В. Малова*, **, А. Ю. Малыхин***, Л. М. Зеленый*

* Институт космических исследований РАН, Москва, Россия ** МГУ им. М.В. Ломоносова, Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына, Москва, Россия *** Московский физико-технический институт (государственный университет), Москва, Россия e-mail: elenagrigorenko2003@yahoo.com, hmalova@yandex.ru, anmaurdreg@gmail.com, lzelenyi@iki.rssi.ru

Поступила в редакцию 20.05.2014 г.

Рассмотрен эффект влияния продольной компоненты магнитного поля, направленной вдоль тока в токовом слое (ТС) хвоста магнитосферы Земли, и усиленной вблизи его нейтральной плоскости, на неадиабатическую динамику ионов при их взаимодействии со слоем. Результаты моделирования движения неадиабатических ионов в заданных магнитных конфигурациях, аналогичных наблюдаемым в ТС магнитосферного хвоста спутниками CLUSTER, показали, что при наличии в ТС некоторой начальной величины продольной компоненты магнитного поля, наблюдается асимметрия "север-юг" в отражении/преломлении неадиабатических ионов при их взаимодействии со слоем. Наличие данной асимметрии способствует формированию дополнительной системы противоположно направленных токов, текущих в северной и южной частях плазменного слоя (ПС) в плоскостях тангенциальных плоскости ТС и в направлениях, перпендикулярных направлению тока в ТС. Формирование такой токовой системы, возможно, ответственно за усиление и дальнейшее поддержание продольной компоненты магнитного поля вблизи нейтральной плоскости ТС. Возможность реализации данного сценария подтверждается результатами анализа структуры ТС и динамики ионов, выполненного для 17 интервалов пересечения ТС спутниковым квартетом CLUSTER, во время которых наблюдались колоколообразные пространственные распределения продольной компоненты магнитного поля, обусловленные ее возрастанием вблизи нейтральной плоскости ТС.

DOI: 10.7868/S0367292115010023

1. ВВЕДЕНИЕ

С момента своего открытия в 1965 г. [1] токовый слой (ТС) хвоста магнитосферы Земли привлекает внимание исследователей как важнейшая область, в которой происходит трансформация накопленной в хвосте магнитной энергии в кинетическую и тепловую энергию плазмы. Процессы, происходящие в ТС, в конечном счете, определяют глобальную динамику магнитосферного хвоста и являются важным звеном в цепочке маг-нитосферно-ионосферного взаимодействия. В этой связи многочисленные усилия теоретических и экспериментальных исследований были направлены на выяснение структуры ТС и построение моделей, адекватно описывающих его динамику.

Для исследований плазменных процессов, происходящих в хвосте магнитосферы Земли, и, в частности, в его ТС, как правило, используется геоцентрическая солнечно-магнитосферная система координат (GSM). В этой системе координат ось X направлена вдоль линии Земля-Солнце, ось Z совпадает с осью геомагнитного диполя

и ось У дополняет правую тройку векторов. При описании геометрии ТС в простейшем случае предполагается, что электрический ток течет в У-направлении (т.е. от утреннего фланга геомагнитного хвоста к его вечернему флангу) в плоском горизонтальном слое конечной толщины, расположенном в плоскости (ХГ)08М (рис. 1). При этом, ТС вложен в более толстый плазменный слой (ПС), в северной части которого силовые линии магнитного поля направлены практически вдоль положительного направления оси Х(т.е. к Земле), а в его южной части — вдоль отрицательного направления оси X (от Земли). Обращение знака Х-компоненты магнитного поля происходит в нейтральной плоскости ТС. В такой простой конфигурации максимум плотности тока сосредоточен в нейтральной плоскости ТС, где Вх = 0. При этом, в большинстве современных моделей ТС хвоста учитывается наличие небольшой по величине компоненты магнитного поля перпендикулярной плоскости ТС (В2) и пренебрегается существованием продольной компоненты магнитного

поля (BY), которая параллельна (или антипарал-лельна) направлению тока в слое.

Однако спутниковые наблюдения показали, что в ТС- хвоста, в частности, в окрестности области магнитного пересоединения, может существовать довольно сильная (~50% от величины магнитного поля в высокоширотной доле хвоста) продольная компонента магнитного поля [2]. В работе [3] сообщалось о наблюдении наклонного ТС в присутствии продольной компоненты магнитного поля и обсуждалось влияние этого поля на холловскую систему токов. Усиление продольной компоненты магнитного поля в ТС также влияет на динамику заряженных частиц в ТС [4— 7] и на процесс магнитного пересоединения [8— 10]. Важно отметить, что эффект усиления продольной компоненты магнитного поля наблюдался в ТС генерируемых в лабораторных плазменных установках [11].

Вопрос о механизмах усиления и поддержания продольной компоненты магнитного поля BY в ТС магнитосферного хвоста до сих пор остается открытым. Предыдущие исследования показали неплохую корреляцию By-компоненты, наблюдаемой в хвосте, с соответствующей компонентой межпланетного магнитного поля (ММП) [12—15]. Таким образом, резонно было бы предположить, что продольная компонента магнитного поля в ТС хвоста может быть обусловлена проникновением ММП внутрь магнитосферы. В работе [3] также сообщалось о хорошей корреляции величины BY в ТС-хвоста и Y-компоненты ММП. Однако авторы также показали, что значительные вариации BY в ТС не были связаны с соответствующими вариациями в ММП и, скорее всего, являлись результатом динамических явлений в ТС. В работах [16, 17] были показаны случаи, когда Y-компонента магнитного поля в ТС-хвоста имела знак противоположный В^компоненте ММП.

В работе [16] на основе многоточечных наблюдений CLUSTER было показано, что в ряде случаев магнитное поле BY в ТС-хвоста имеет специфическое колоколообразное пространственное распределение вдоль нормали к плоскости ТС (вдоль Z). А именно, наиболее сильное поле BY наблюдалось в окрестности нейтральной плоскости ТС (плоскости BX = 0) и уменьшалось к краям слоя. Однако механизм усиления сдвигового поля вблизи нейтральной плоскости авторами не обсуждался.

В работе [18] сообщалось об эффекте наблюдения колоколообразных пространственных профилей магнитного поля BY в очень тонких и интенсивных ТС (толщина которых была меньше ионного гирорадиуса), наблюдаемых в хвосте магнитосферы Земли спутниками CLUSTER. Авторы показали, что в таких тонких слоях, в кото-

Z

Рис. 1. Схематическое изображение сечения геомагнитного хвоста в плоскости Темно-серым цветом показан ТС, в котором течет электрический ток J в направлении оси У (направление тока в ТС показано белой стрелкой). ТС вложен в более толстый ПС (показан светло-серым цветом). В северной части ПС силовые линии магнитного поля (В) направлены практически вдоль положительного направления оси X, а в южной части — вдоль отрицательного направления оси X. Между ПС и высокоширотными долями хвоста находится пограничный плазменный слой (ППС) (светло-серый заштрихованный участок), в котором часто наблюдаются пучки и потоки ускоренной плазмы.

рых ток переносится в основном электронами, возникновение продольной компоненты магнитного поля может быть результатом установления вертикального (в направлении нормали к плоскости слоя) баланса давления.

В данной работе рассмотрен эффект влияния продольной компоненты магнитного поля ВУ, усиленной вблизи нейтральной плоскости, на неадиабатическую динамику ионов, взаимодействующих с ТС, толщина которых порядка ионного гирорадиуса. В таких, не слишком тонких ТС, основными носителями тока, как правило, являются ионы. Присутствие в ТС небольшого начального продольного поля ВУ, например, за счет частичного проникновения ММП в хвост, вызывает асимметрию "север-юг" в отражении/преломлении неадиабатических ионов при их взаимодействии с ТС, и, как следствие, асимметрию "север-юг" в распределении плотности неадиабатических ионов, инжектированных из ТС в ПС. Наличие такой асимметрии способствует формированию пары противоположно направленных токов JX, текущих в северной и южной частях ПС. Такая дополнительная токовая система может быть ответственна за формирование и поддержание усиленной ВУ-компоненты магнитного поля вблизи нейтральной плоскости ТС. На осно-

вании анализа 17 пересечений ТС геомагнитного хвоста спутниковым квартетом CLUSTER, в которых были зарегистрированы колоколообраз-ные пространственные распределения By-компо-ненты магнитного поля, мы подтвердили наблюдение данных эффектов.

Для исследования структуры ТС и динамики ионов были использованы четырехточечные измерения магнитного поля спутниками CLUSTER (4-х секундные данные магнитометров FGM, [19]), а также трехточечные 12-ти секундные измерения трехмерных функций распределения ионов по скоростям и их моментов спектрометрами Hot Ion Analysers (HIA) без массового разрешения, в диапазоне энергий 5 э В/нуклон— 32кэВ/нуклон [20]. Везде в статье будет использована система координат GSM.

2. НАБЛЮДЕНИЕ КОЛОКОЛООБРАЗНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОДОЛЬНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ В ТОКОВОМ СЛОЕ ХВОСТА

На рис. 2 представлен интервал пересечения ТС геомагнитного хвоста спутниками CLUSTER (показан серым цветом), во время которого наблюдалось усиление продольной компоненты магнитного поля BY (см. рис. 2в). На рис. 3а показаны профили BY(BX), измеренные четырьмя спутниками CLUSTER. Так как в случае горизонтальных ТС величина Х-компоненты магнитного поля дает косвенное указание на удаленность спутника от нейтральной плоскости (BX = 0), то данные профили можно рассматривать как пространственные распределения продольной компоненты магнитного поля BY поперек ТС. Как видно из рис. 3а максимальная величина jBY наблюдалась четырьмя спутниками CLUSTER вблизи нейтральной плоскости. По мере удаления спутников от нейтральной плоскости, т.е. их движения в области с большими значениями jBxj, величина продольного поля jBYj уменьшалась, формируя колоколообразный пространственный профиль

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»