Влияние ионов кислорода на формирование тонкого токового слоя геомагнитного хвоста

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Тонкий токовый слой в хвосте магнитосферы Земли, имеющий характерную толщину от одного до нескольких протонных гирорадиусов, часто наблюдаются во время магнитосферных возмущений — суббурь, когда сравнительно толстая токовая конфигурация в хвосте сужается до предельно малой толщины, а затем может спонтанно разрушаться. Процесс разрушения, как правило, сопровождается активными процессами: ускорением и нагревом плазмы, генерацией переменных электрических полей и магнитогидродинамических волн. В настоящей работе развита и исследована модель формирования тонкого токового слоя, в котором, наряду с протонами, присутствуют однозарядные ионы кислорода, поступающие из ионосферы в токовый слой хвоста в магнитоактивные периоды. Целью моделирования является изучение закономерностей образования равновесного тонкого токового слоя в плазме, состоящей из двух сортов ионов, и исследование его структуры. Показано, что равновесная конфигурация может иметь особенности. В частности, если в системе присутствуют только протоны или только тяжелые ионы, то формируется одномасштабное токовое равновесие, определяемое частицами, движущимися вдоль квазиадиабатических траекторий. При формировании токового слоя в плазме, состоящей из смеси протонов и ионов кислорода в сопоставимых концентрациях, с большой вероятностью образуется токовый слой, в котором носителями тока являются тяжелые ионы, а траектории протонов хаотизируются и вносят отрицательный вклад в ток, благодаря чему профиль плотности тока становится расщепленным с минимумом в центре и максимумами на периферии слоя. Полученные результаты могут быть полезными для интерпретации данных наблюдений в хвосте магнитосфере Земли.

Об авторах

В. И. Домрин

Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ

Email: hmalova@yandex.ru
Россия, Москва

Х. В. Малова

Институт космических исследований РАН; Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына МГУ им. М.В. Ломоносова

Email: hmalova@yandex.ru
Россия, Москва; Россия, Москва

В. Ю. Попов

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова; Институт космических исследований РАН; Национальный исследовательский университет “Высшая школа экономики”

Email: nn.levashov@physics.msu.ru
Россия, Москва; Россия, Москва; Россия, Москва

Е. Е. Григоренко

Институт космических исследований РАН

Email: hmalova@yandex.ru
Россия, Москва

Л. М. Зеленый

Институт космических исследований РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: nn.levashov@physics.msu.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Ness N.F. The Earth’s magnetic tail // J. Geophys. Res. 1965. V. 70. Iss. 13. P. 2989–3005. https://doi.org/10.1029/JZ070i013p02989
  2. Zelenyi L.M., Malova H.V., Artemyev A.V. et al. Thin current sheets in collisionless plasma: equilibrium structure, plasma instabilities, and particle acceleration // Plasma Physics Reports. 2011. V. 37. Iss. 2. P. 137–182. https://doi.org/10.1134/S1063780X1102005X
  3. Axford W.I., Hines C.O. A Unifying Theory of High-Latitude Geophysical Phenomena and Geomagnetic Storms // The Upper Atmosphere in Motion / ed. C.O. Hines. 1974. V. 18. 1974. P. 936–967. Geophysical Monograph Series. https://doi.org/10.1029/GM018p0936
  4. Sergeev V.A., Mitchell D.G., Russell C.T. et al. Structure of the tail plasma/current sheet at ∼11 RE and its changes in the course of a substorm // J. Geophys. Res. 1993. V. 98. Iss. A10. P. 17345–17365. https://doi.org/10.1029/93JA01151
  5. Sanny J., McPherron R.L., Russell C.T. et al. Growth-phase thinning of the near-Earth current sheet during the CDAW 6 substorm // J. Geophys. Res. 1994. V. 99. Iss. A4. P. 5805–5816. https://doi.org/10.1029/93JA03235
  6. Asano Y., Mukai T., Hoshino M. et al. Evolution of the thin current sheet in a substorm observed by Geotail // J. Geophys. Res. 2003. V. 108. Iss. A5. CiteID 1189. 10 p. https://doi.org/10.1029/2002JA009785
  7. Coppi B., Laval G., Pellat R. Dynamics of the Geomagnetic Tail // Phys. Rev. Letters. 1966. V. 16. Iss. 26. P. 1207–1210. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.16.1207
  8. Daughton W. The unstable eigenmodes of a neutral sheet // Phys. Plasmas. 1999. V. 6. Iss. 4. P. 1329–1343. https://doi.org/10.1063/1.873374
  9. Lui A.T.Y., Lopez R.E., Anderson B.J. et al. Current disruptions in the near-Earth neutral sheet region // J. Geophys. Res. 1992. V. 97. Iss. 2. P. 1461–1480. https://doi.org/10.1029/91JA02401
  10. Zelenyi L.M., Malova Kh.V., Popov V.Yu. et al. Albert Galeev: The Problem of Metastability and Explosive Reconnection // Plas. Phys. Rep. 2021. V. 47. Iss. 9. P. 857–877.https://doi.org/10.1134/S1063780X21090075
  11. Harris E.G. On a plasma sheath separating regions of oppositely directed magnetic field // Nuovo Chimento. 1962. V. 23. № 1. P. 115–121. https://doi.org/10.1007/BF02733547
  12. Kann J.R. A globally integrated substorm model: Tail reconnection and magnetosphere-ionosphere coupling // J. Geophys. Res. 1998. V. 103. P. 11787–11795. https://doi.org/10.1029/98JA00361
  13. Birn J., Sommer R., Schindler K. Open and closed magnetospheric tail configurations and their stability // Astrophys. Space Sci. 1975. V. 35. Iss. 7. P. 389–402. https://doi.org/10.1007/BF00637005
  14. Birn J., Schindler K. Thin current sheets in the magnetotail and the loss of equilibrium // J. Geophys. Res. 2002. V. 107. Iss. A7. Art. № 1117. 10 p. https://doi.org/10.1029/2001JA000291
  15. Zelenyi L.M., Delcourt D., Malova H.V. et al. Forced current sheets in the Earth’s magnetotail: Their role and evolution due to nonadiabatic particle scattering // Advances in Space Research. 2002. V. 30. Iss. 7. P. 1629–1638. https://doi.org/10.1016/S0273-1177(02)00427-1
  16. Asano Y., Mukai T., Hoshino M. et al. Evolution of the thin current sheet in a substorm observed by Geotail // J. Geophys. Res. 2003. V. 108. Iss. A5. Art. 1189. https://doi.org/10.1029/2002JA009785
  17. Runov A., Sergeev V.A., Nakamura R. et al. Local structure of the magnetotail current sheet: 2001 Cluster observations // Annales Geophysicae. 2006. V. 24. Iss. 1. P. 247–262. https://doi.org/10.5194/angeo-24-247-2006
  18. Runov A., Angelopoulos V., Sergeev V.A. et al. Global properties of magnetotail current sheet flapping: THEMIS perspectives // Ann. Geophys. 2009. V. 27. P. 319–628. https://doi.org/10.5194/angeo-27-319-2009
  19. Kistler L.M., Mouikis C., Mobius E. et al. Contribution of nonadiabatic ions to the cross-tail current in an O+ dominated thin current sheet // J. Geophys. Res. 2005. V. 110. Iss. 6. Art. № A06213. 15 p. https://doi.org/10.1029/2004JA010653
  20. Kronberg E., Ashour-Abdalla M., Dandouras I. et al. Circulation of Heavy Ions and Their Dynamical Effects in the Magnetosphere: Recent Observations and Models // Space Science Review. 2014. V. 184. P. 173–235. https://doi.org/10.1007/s11214-014-0104-0
  21. Zelenyi L.M., Malova H.V., Popov V.Yu. et al. Nonlinear equilibrium structure of thin currents sheets: influence of electron pressure anisotropy // Nonlinear Processes in Geophysics. 2004. V. 11. P. 579–587. https://doi.org/10.5194/npg-11-579-2004
  22. Zelenyi L.M., Malova H.V., Grigorenko E.E. et al. Universal Scaling of Thin Current Sheets // Geophysical Research Letters. 2020. V. 47. Iss. 14. Art. № e2020GL088422. 10 p. https://doi.org/10.1029/2020GL088422
  23. Büchner J., Zelenyi L.M. Regular and chaotic charged particle motion in magnetotaillike field reversals: 1. Basic theory of trapped motion // J. Geophys. Res. 1989. V. 94. Iss. A9. P. 11821–11842. https://doi.org/10.1029/JA094iA09p11821
  24. Zelenyi L.M., Neishtadt A.I., Artemyev A.V. et al. Quasiadiabatic dynamics of charged particles in a space plasma // Physics — Uspekhi. 2013. V. 56. Iss. 4. P. 347–394. https://doi.org/10.3367/UFNe.0183.201304b.0365
  25. Zelenyi L.M., Malova H.V., Popov V.Yu. Splitting of thin current sheets in the Earth’s magnetosphere // J. Experimental and Theoretical Physics Letters. 2003. V. 78. Iss. 5. P. 296–299. https://doi.org/10.1134/1.1625728
  26. Delcourt D.C., Malova H.V., Zelenyi L.M. Dynamics of charged particles in bifurcated current sheets: The κ ≈ 1 regime // J. Geophys. Res. 2004. V. 109. Iss. A1. Art. № A01222. https://doi.org/10.1029/2003JA010167
  27. Nakamura R., Baumjohann W., Runov A., Asano Y. Thin Current Sheets in the Magnetotail Observed by Cluster // Space Science Reviews. 2006. V. 122. P. 29–38. https://doi.org/10.1007/s11214-006-6219-1
  28. Domrin V.I., Malova Kh.V., Popov V.Yu. et al. Influence of Oxygen Ions on the Structure of the Thin Current Sheet in the Earth’s Magnetotail // Geomagn. Aeron. 2020. V. 60. Iss. 2. P. 171–183. https://doi.org/10.1134/S0016793220020048
  29. Kropotkin A.P., Domrin V.I. Theory of a thin one-dimensional current sheet in collisionless space plasma // J. Geophys. Res. 1996. V. 101. P. 19893–19902.
  30. Domrin V.I., Kropotkin A.P. Dynamics of equilibrium upset and electromagnetic energy transformation in the geomagnetotail: A theory and simulation using particles. 3. Versions of formation of thin current sheets // Geomagn. Aeron. 2007. V. 47. Iss. 5. P. 555–565. https://doi.org/10.1134/S0016793207050039
  31. Grigorenko E.E., Zelenyi L.M., DiBraccio G. et al. Thin Current Sheets of Sub-ion Scales observed by MAVEN in the Martian Magnetotail // Geophysical Research Letters. 2019. V. 46. Iss. 12. P. 6214–6222. https://doi.org/10.1029/2019GL082709
  32. Leonenko M.V., Grigorenko E.E., Zelenyi L.M. et al. MMS Observations of Super Thin Electron-Scale Current Sheets in the Earth’s Magnetotail // J. Geophysical Research: Space Physics. 2020. V. 126. Iss. 11. Art. № e2021JA029641. https://doi.org/10.1029/2021JA029641
  33. Zelenyi L., Malova H., Grigorenko E. et al. Current sheets in planetary magnetospheres // Plasma Physics and Controlled Fusion. 2019. V. 61. Iss. 5. Art. № 054002. https://doi.org/10.1088/1361-6587/aafbbf
  34. Березин Ю.А., Вшивков В.А. Метод частиц в динамике разреженной плазмы. Новосибирск: Наука, 1980. 95 с.
  35. Григорьев Ю.Н., Вшивков В.А., Федорук М.П. Численное моделирование методами частиц в ячейках. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2004.
  36. Бэдсел Ч., Лэнгдон А. Физика плазмы и численное моделирование. М.: Энергоатомиздат, 1989. 452 с.
  37. Mingalev O.V., Setsko P.V., Mel’nik M.N. et al. Role of Oxygen Ions in the Structure of the Current Sheet of the Near-Earth Magnetotail // Plasma Physics Reports. 2022. V. 48. Iss. 3. P. 242–262. https://doi.org/10.1134/S1063780X22030096
  38. Domrin V.I., Malova H.V., Popov V.Yu. Time Evolution of the Macroscopic Characteristics of a Thin Current Sheet in the Course of Its Formation in the Earth’s Magnetotail // Plasma Physics Reports. 2018. V. 44. Iss. 4. P. 424–437. https://doi.org/10.1134/S1063780X18040025
  39. Zelenyi L.M., Malova H.V., Popov V.Yu. et al. “Matreshka” model of multilayered current sheet // Geophysical Research Letters. 2006. V. 33. Iss. 5. Art. № L05105. 4 p. https://doi.org/10.1029/2005GL025117
  40. Zelenyi L., Artemyev A., Malova H., Popov V. Marginal stability of thin current sheets in the Earth’s magnetotail // J. Atmos. Solar Terr. Phys. 2008. V. 70. Iss. 2–4. P. 325–333. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2007.08.019

Дополнительные файлы


© В.И. Домрин, Х.В. Малова, В.Ю. Попов, Е.Е. Григоренко, Л.М. Зеленый, 2023