Об особенностях процессов переноса на границе
магнитосферы: роль электрического поля и нелинейных магнитных барьеров.
Серия статей посвящена экспериментальному
исследованию роли неоднородного электрического поля и нелинейных магнитных структур в переносе и
нагреве плазмы на границе магнитосферы, а также сравнению экспериментальных
результатов с теоретическими работами и численным моделированием приграничной
турбулентности.
Впервые по данным 4 КА КЛАСТЕР экспериментально
показана разница в измерениях потока ионов и дрейфа плазмы в скрещенных полях
за счет эффекта конечного гирорадиуса протонов и
продемонстрирован механизм ускорения обтекающей плазмы при инерционном дрейфе в
неоднородном электрическом поле на тонкой (сравнимой с
величиной гирорадиуса протона) магнитопаузе.
Сравнение с аналогичными данными ИНТЕРБОЛА-1 показывает, что эти процессы
характерны для микромасштабов на границе движущихся
плазм, и открывают новый тип передачи вещества через такие границы и
возможность комбинированного нагрева плазмы в неоднородном электрическом поле с
наложенной магнитной турбулентностью. Например, за счет совместного действия
магнитных и электрических сил внутри токового слоя без
магнитного пересоединения обеспечивается измеряемый
приток солнечной плазмы и повышение ее эффективной температуры непосредственно под высокоширотной магнитопаузой. Одновременно, в более глубоких прилегающих погранслоях,
выявлены черты как непосредственного проникновения плазмы через полярные каспы (вверх по течению от места наблюдения), так и персоединения магнитных силовых линий в нескольких радиусах
Земли на дневной части магнитопаузы.
Т.о. эксперимент показывает выход из, казалось бы, неразрешимой
дилеммы: пересоединение магнитных полей или микродиффузия определяют основной приток солнечной плазмы в
земную магнитосферу – их вклад в общем случае сравним, и необходимы
многоточечные измерения на микро- и макромасштабах, чтобы определить их взаимную роль.
Проведенное исследование влияния нелинейных
микроструктур на свойства пограничного слоя между движущимися плазмами,
достаточно неожиданно, показало, что при
3х-мерном характере возмущений поток набегающей плазмы может спровоцировать
«опрокидывание» магнитных силовых линий на границе, т.е. привести к Альвеновскому
коллапсу магнитного поля, сопровождаемых ростом магнитных барьеров между
плазмами. Это, в противоположность предыдущему, означает функционирование до
сих пор не рассматриваемого в нашей отрасли науки механизма генерации
магнитного поля, обеспечивающего разделения движущихся сред. Концепция Альвеновского коллапса была обобщена нами на случай
конечного гирорадиуса протонов, что позволило
предсказать наличие равновесного течения с тепловой скоростью протонов в
окрестности барьеров с масштабами, сравнимыми с гирорадиусом
протонов. И действительно, такое течение было обнаружено по данным как КА
КЛАСТЕР, так и ИНТЕРБОЛ-1 как раз в областях микробарьров,
вырастающих до магнитного давления порядка доминирующего теплового давления
взаимодействующих плазм. Несколько неожиданным оказался тот экспериментальный
факт, что специфичный погранслой с таким
околозвуковым течением плазмы и магнитными микробарьерами может наблюдаться в квази-статическом
режиме не расстояниях до радиуса Земли.
И наконец, было проведено
численное моделирование погранслоя с измеренной микротурбулентностью и неоднородным электрическим полем,
которое подтвердило как усиление процессов взаимного проникновения плазмы под
действием 2 комбинированных факторов, так и эффективный нагрев плазмы. Последнее количественно согласуется с наблюдением на КА
КЛАСТЕР нагрева однозарядных ионов кислорода при проникновении их из магнитосферы
в обтекающий поток солнечной плазмы.
S. Savin, E. Amata, M. Andre, et al., Experimental study of nonlinear
interaction of plasma flow with charged thin current sheets: 2. Hall
dynamics, mass and momentum transfer, Nonlin. Proc. Geophys. 11, 377-392 (2006).
Kuznetsov, E. A., Savin, S., Amata, E., Dunlop, M., Khotyaintsev, Y. et al., Strong space plasma
magnetic barriers and Alfvenic collapse, JETP Lett.
(Письма в ЖЭТФ) 85,
288-293, (2007)
Amata, E., Savin, S.,
Andre, M., et al., Experimental study of nonlinear interaction of plasma flow
with charged thin current sheets: 1. Boundary structure and motion, Nonlin.. Proc. Geophys., 13, 365-373 (2006)
Taktakishvili, A., G. Zimbardo, E.
Amata, S. Savin, A. Greco, P. Veltri,
and R. E. Lopez, Ion
escape from the high latitude magnetopause: analysis of oxygen and proton
dynamics in the presence of magnetic turbulence, Ann. Geophys., 25, 1877–1885 (2007)
Романов С.А., К вопросу о
нахождении параметров поляризации низкочастотных плазменных волн, Космические Исслед.,
45, 282-284 (2007)