Цикл статей по теме «Механизмы Структура и плазменные процессы в тонких токовых слоев в бесстолкновительной плазме» в 2007 г.

Исполнители: Зеленый Л.М., Малова Х.В., Попов В.Ю., Коржов А.Г.

1) Измерения спутников ISEE-1,2, Geotail и Cluster продемонстрировали, что тонкие токовые слои в магнитосферном хвосте могут иметь несимметричные профили плотности тока, при этом минимум магнитного поля может не совпадать с максимумом плотности тока. В связи с новыми наблюдательными данными актуальным стал вопрос о том, какие факторы определяют асимметрию токовых слоев. Для его решения исследована самосогласованная модель анизотропного токового слоя, в котором для простоты рассмотрен единственный источник плазмы. Найдены равновесные токовые конфигурации в широком диапазоне изменения параметра, описывающего коэффициент отражения плазменного пучка после взаимодействия с токовым слоем. Показано, что равновесное решение уравнений Власова-Максвелла существует и может быть несимметричным. Асимметрия профиля плотности плазмы и соответствующего магнитного поля вызвана более интенсивными диамагнитными ионными токами на стороне источника. Продемонстрировано, что изменение баланса давлений приводит к смещению токового слоя как целого в сторону, противоположную источнику плазмы. Этот механизм может быть применен для объяснения вертикальных колебаний тонкого токового слоя (так называемого «флаппинга») как движений слоя под действием естественных флуктуаций источников плазмы в долях магнитосферы (Malova H.V., L.M. Zelenyi, V. Popov, D. Delcourt, A. Petrukovich, A. Runov, Asymmetric thin current sheets in the Earth's magnetotail, Geophys. Res. Lett. V. 34, L16108, doi:10.1029/2007GL030011, 2007).

2) Предложена численная модель бесстолкновительного тонкого токового слоя в хвосте магнитосферы с заданной постоянной компонентой магнитного поля B_z поперек слоя. Слой образован встречными потоками плазмы, которые движутся к нейтральной плоскости из долей хвоста вдоль силовых линий магнитного поля. Модель представляет собой 1D3V версию дискретной модели Власова-Дарвина в методе крупных частиц. Модель является открытой, то есть число модельных частиц в ней может изменяться и поддерживается примерно постоянным в результате соответствующего выбора модельных параметров. Используется новый высокоэффективный алгоритм расчета траекторий частиц, а также новая неявная итерационная схема численного решения уравнений дискретной модели Власова-Дарвина. Это позволяет даже на персональном компьютере рассматривать порядка 10⁷ модельных макрочастиц. В результате численного моделирования получены квазистационарные конфигурации для нескольких вариантов параметров плазмы в долях хвоста. Для контроля силового баланса в слое вычислялось продольное и поперечное давление, а также тензор напряжений. Установлено, что тензор напряжений в токовом слое недиагонален и существенно отличается от гиротропного тензора напряжений в модели Чу-Гольдбергера-Лоу, вычисленного по найденным магнитному полю, а также продольному и поперечному давлению плазмы. При этом оказалось, что в слое относительно точно выполнено уравнение магнитостатики, то есть сила Ампера уравновешивается дивергенцией тензора напряжений (Мингалев О.В., И.В. Мингалев, Х.В. Малова, Л.М. Зеленый, Численное моделирование силового баланса в бесстолкновительном одномерном токовом слое с постоянной нормальной компонентой магнитного поля, Физика плазмы, Т.33, N 10, С. 1-15, 2007).

3) Проведено аналитическое и численное исследование рассеяния заряженных частиц в токовых слоях с ''колоколообразными'' и ''двугорбыми'' профилями плотности тока. Проанализированы характеристики движения частиц в широкой области изменения параметров системы. Построены аналитическая и численная модели скачков магнитных моментов частиц при пересечении токовых слоев со сложными профилями плотности тока. Получена алгебраическая формула зависимости скачка магнитного момента от параметров слоя, фазы вращения и питч угла. Проанализирован механизм захвата заряженных частиц слоем. Аналитические оценки сравнивались с результатами трассирования частиц и численного интегрирования уравнений движения. Показано, что процессы рассеяния частиц, которые в целом определяются соотношением между радиусом кривизны силовой линии и ларморовским радиусом, существенным образом зависят от профилей плотности тока и магнитного поля. Так, в ''двугорбых'' токовых слоях, в отличие от ''колоколообразных'', могут существовать два рассеивающих центра (Оводков Д.А., В.Ю. Попов, Х.В. Малова, О характере рассеяния магнитных моментов частиц в сложных токовых конфигурациях, Вестник МГУ, в печати, 2007).

4) Рассмотрена самосогласованная модель токового слоя с тройным расщеплением. Такой слой состоит из трех рядом расположенных сверхтонких токовых слоев (суб-слоев), в которых направление тока в центральной области противоположно направлениям на периферии. Магнитное поле расщепленного токового слоя имеет три нейтральные плоскости, в отличие от классического токового слоя, в котором магнитное поле меняет знак в единственной нейтральной плоскости в центре слоя, а профиль плотности тока имеет монотонную ''колоколообразную'' форму. Динамика частиц в тройном расщепленном токовом слое сложнее, чем в хорошо известных моделях нерасщепленных слоев. Так, спейсеровские ионы движутся по меандровым, петляющим траекториям в центре слоя и могут самосогласованно поддерживать конфигурацию из трех равновесных суб-слоев. Показано, что механизмом образования расщепленного токового слоя может быть накопление в нем квазизахваченной плазмы благодаря стохастическому рассеянию квазиадиабатических инвариантов движения в возникающем сложном профиле магнитного поля. Результаты работы могут иметь важное значение для объяснения сложных динамичных процессов в хвосте магнитосферы Земли, подробно исследуемых в современных спутниковых экспериментах (Быков А.А., Л.М. Зеленый, Х.В. Малова, Tройной расщепленный токовый слой в магнитосферной плазме: новое равновесие, Физика плазмы, в печати)

5) Представлен обзор, в котором рассмотрены основные механизмы ускорения заряженных частиц в магнитосфере Меркурия. Имеющиеся немногочисленные наблюдения энергичных частиц, проведенные спутником Mariner-10 в 1974–1975 во время пролетов вблизи Меркурия и данные спутника Helios в 1979 в меркурианской головной ударной волне свидетельствуют о том, что в очень динамичной и компактной магнитосфере Меркурия ионная популяция является неадиабатической. Таким образом, следует ожидать очень эффективных процессов ускорения частиц. Однако, по имеющимся данным, механизмы ускорения работают, главным образом, по отношению к электронам, в то время как для ионов ускорение в магнитосфере оказывается очень малым и их энергии не превышают 100 keV. Проведен сравнительный анализ эффективности различных механизмов ускорения (индуктивное ускорение, ускорение импульсной центробежной силой, стохастическое ускорение в турбулентных магнитных полях, взаимодействие волна-частица и ускорение на ударной волне) в магнитосферах Земли и Меркурия. В свете рассмотренных проблем обсуждаются цели будущих научных исследований в магнитосфере Меркурия (Zelenyi L., M. Oka, H. Malova, M. Fujimoto, D. Delcourt, W. Baumjohann, Particle Acceleration in Mercury’s Magnetosphere, Space Sci. Rev., DOI_10.1007/s11214-007-91693, 2007).

6) Проведено исследование многокомпонентных равновесных тонких токовых слоев в магнитосфере Земли, образуемых при нелинейном взаимодействии нескольких ионных популяций с создаваемым ими самосогласованным магнитным полем. Показана возможность существования устойчивого токового слоя, состоящего из трех рядом расположенных монополярных токовых слоев с чередующейся полярностью тока. Магнитное поле имеет три точки инверсии, в отличие от стандартной конфигурации с одним токовым слоем и одной точкой инверсии магнитного поля. (Быков А.А., Зеленый Л.М., Малова Х.В., Внутренняя структура тонких токовых слоев в магнитосфере Земли, Вестник МГУ, Серия 3, Физика и Астрономия, N6, С. 3-7, 2006.)

7) При помощи аналитической аппроксимации численных результатов самосогласованной модели магнитосферного тонкого токового слоя получены аналитические и численные оценки зависимости полного поперечного тока от величины электрического поля, нормальной компоненты магнитного поля, температуры ионов и электронов. Показано, что зависимость тока нелинейна от параметров $\varepsilon$, $T_i$, $b_n$. Оценен относительный вклад различных компонент плазмы в полный ток. (Коржов А.Г., Х.В. Малова, В.Ю. Попов, О законе Ома в тонких токовых слоях магнитосферы Земли, Вестник МГУ, 2007, принято к печати).

Статьи, опубликованные или находящиеся в печати в 2007 г.:

1. Malova H.V., L.M. Zelenyi, V. Popov, D. Delcourt, A. Petrukovich, A. Runov, Asymmetric thin current sheets in the Earth's magnetotail, Geophys. Res. Lett., V. 34, L16108, doi:10.1029/2007GL030011, 2007.

2. Мингалев О.В., И.В. Мингалев, Х.В. Малова, Л.М. Зеленый, Численное моделирование силового баланса в бесстолкновительном одномерном токовом слое с постоянной нормальной компонентой магнитного поля, Физика плазмы, Т.33, N 10, С. 1-15, 2007.

3. Оводков Д.А., В.Ю. Попов, Х.В. Малова, О характере рассеяния магнитных моментов частиц в сложных токовых конфигурациях, Вестник МГУ, в печати, 2007.

4. Быков А.А., Л.М. Зеленый, Х.В. Малова, Tройной расщепленный токовый слой в магнитосферной плазме: новое равновесие, Физика плазмы, в печати.

5. Zelenyi L., M. Oka, H. Malova, M. Fujimoto, D. Delcourt, W. Baumjohann, Particle Acceleration in Mercury’s Magnetosphere, Space Science Review, Space Sci. Rev., DOI_10.1007/s11214-007-91693, 2007.

6. Быков А.А., Зеленый Л.М., Малова Х.В., Внутренняя структура тонких токовых слоев в магнитосфере Земли, Вестник МГУ, Серия 3, Физика. Астрономия, N6, С. 3-7, 2006.

7. Коржов А.Г., Х.В. Малова, В.Ю. Попов, О законе Ома в тонких токовых слоях магнитосферы Земли, Вестник МГУ, 2007, принято к печати.