КОНКУРС НАУЧНЫХ РАБОТ 2005-2006 гг.

Малова Х.В., гл. спец. отд 54

Попов В.Ю., гл. спец. отд 54

Зеленый Л.М., директор ИКИ РАН

Цикл из 9 работ

Нелинейная динамика заряженных частиц и многомасштабные токовые слои в хвосте магнитосферы Земли.

1. Zelenyi L. M., H. V. Malova, V. Yu. Popov, D. C. Delcourt, A. S. Sharma, “Role of electrostatic effects in thin current sheets”, NATO science series, Multiscale processes in the Earth’s magnetosphere: from Interball to Cluster, Editors, Editors: J.-A. Sauvaud and Ž. Nemeček, Kluwer Academic Publishers, pp. 275-288, 2004.

Тонкие токовые слои в земной магнитосфере - области, где запасается, а потом взрывным образом высвобождается кинетическая энергия cолнечного ветра. Развита самосогласованная аналитическая модель одномерного тонкого токового слоя, в которой натяжение магнитных силовых линий уравновешивается конечной инерцией ионов. В модели учтена электронная популяция с изотропным давлением. Предполагается, что электроны в токовым слое поддерживают больцмановское распределение вдоль силовых линий. Электростатические эффекты приводят к характерному расщеплению профиля плотности тока, т.е. образованию двух максимумов тока вблизи нейтральной плоскости. Такая структура обусловлена электрическим [ExB] и градиентным дрейфами электронов в слое. Получены зависимости формы профиля токового слоя от отношения температур ионов и электронов, кривизны магнитных силовых линий, среднего магнитного момента электронов. Результаты модели могут быть очень полезными для объяснения расщепленной структуры профилей плотности токового слоя, наблюдаемых спутниками Cluster и Geotail во время суббурь и вблизи нейтральных линий в магнитосферном хвосте.

2. Delcourt D.C., H.V. Malova, and L.M.Zelenyi, Dynamics of charged particles in bifurcated current sheets: the k~1 regime, J.Geophys.Res., v.109, A01222, doi: 10.1029/2003JA010167, 2004.

Исследована нелинейная динамика частиц в расщепленных «толстых» слоях, через которые проходит поток заряженных частиц с адиабатическим параметром k ~ 1 (параметр k пропорционален квадратному корню отношения минимального радиуса кривизны магнитной силовой линии к максимальному ларморовскому радиусу). Показано, что рассеяние магнитного момента частиц может быть представлено как результат возмущения гиродвижения импульсной центробежной силой. В двойном слое, где радиус кривизны дважды проходит через минимум вдоль силовой линии, повторное воздействие импульсной центробежной силы может привести к существенному изменению магнитного момента частицы. В расщепленном слое могут существовать три разных режима изменения магнитного момента: систематическое усиление магнитного момента частиц с малыми питч-углами, пренебрежимо малое изменение моментов при больших питч-углах, и, в промежуточном случае, их уменьшение или увеличение, в зависимости от фазы гировращения. В двойных слоях двукратное применение модели центробежного импульса может приводить к непредсказуемому уменьшению или увеличению магнитных моментов частиц. Показано, что набег фазы гировращения во время и после центробежных импульсов играет критическую роль в процессах рассеяния магнитных моментов. В частности, режим движения частиц при k³ 1, характеризующийся в случае одногорбой конфигурации сильно хаотическим поведением частиц, для двойных слоев может носить квазиадиабатический характер: скачки магнитного момента частиц на входе в систему и выходе из нее компенсируются, в результате полное изменение магнитного момента пренебрежимо мало.

3. Zelenyi L. M., H. V. Malova, V. Yu. Popov, D. Delcourt, and A.S. Sharma, Nonlinear equilibrium structure of thin currents sheets: influence of electron pressure anisotropy, Nonlinear Processes in Geophysics, v. 11 , pp.1-9, 2004

Тонкие токовые слои широко распространены в земной магнитосфере. Они являются областями, где запасается и высвобождается энергия cолнечного ветра. Эти структуры, очень похожие на МГД-разрывы, в последние годы привлекают большое внимание ученых, особенно, в связи с запуском новых спутников CLUSTER, которые способны проводить многоточечные измерения в космосе с высоким разрешением. Развита самосогласованная аналитическая модель тонких токовых слоев, в которых натяжение магнитных силовых линий уравновешивается конечной инерцией ионов. Принято во внимание влияние анизотропной электронной популяции. Предполагается, что электроны в токовым слое движутся достаточно быстро, чтобы поддерживать квазиравновесное больцмановское распределение вдоль силовых линий. Электростатические эффекты приводят к появлению в профиле плотности тока очень узкого и интенсивного пика вблизи нейтральной плоскости. Эта особенность объясняется дрейфом кривизны электронов в областях с минимальной кривизной магнитных силовых линий. Магнитное поле в этой области приобретает резко возрастающий характер. Если ток в центре слоя контролируется электронами, то на краях слоя носителями тока являются ионы. Проанализирована зависимость электростатических эффектов от отношения температур ионов и электронов, от кривизны магнитных силовых линий и среднего магнитного момента электронов. Обсуждается применение этих эффектов для объяснения тонкой структуры профилей плотности тока во время суббурь.

4. Zelenyi L. M., H. V. Malova, V. Yu. Popov, D. C. Delcourt, A. S. Sharma, “Bifurcated” thin current sheets in the Earth’s magnetosphere: comparison of model and “in situ” observations, COSPAR Colloquia series, volume 16, “Frontiers in Magnetospheric Plasma Physics, Celebrating 10 years of Geotail Operation”, Proc. 16th COSPAR Colloquium held at the Institute of Space and Astronautical Science (ISAS), Kanagawa, Japan, July 24-26, 2002, Ed. by M. Hoshino, Y. Omura, and L.J. Lanzerotti, Elsevier, Tokyo, 2005, pp. 100-107, 2004.

C помощью аналитической модели исследуется тонкая структура тонких токовых слоев (ТТС) в различных стадиях эволюции. Модель основана на решении уравнения типа Греда-Шафранова в квазиадиабатическом приближении. В таком приближении возможно существование равновесия, предполагающего сохранение квазиадиабатического инварианта движения $I_z$. Такое приближение позволяет исследовать эволюцию этого инварианта под действием диффузии. Диффузия приводит к постепенному захвату пролетных частиц (на так называемых cпейсеровских орбитах) вблизи плоскости симметрии. Было обнаружено, что ток таких квазизахваченных частиц, текущий поперек хвоста, противоположен по знаку току пролетных спейсеровских частиц, и, в конечном счете, приводит к сглаживанию профиля магнитного поля вблизи плоскости симметрии. В результате профиль $B_x(z)$ приобретает довольно сложный вид, отличающийся от линейного профиля, характерного для случая равновесного слоя в модели Харриса. Соответствующий профиль поперечного тока становится "двугорбым", что может служить характеристикой ТТС в конце его "жизненного цикла". Результаты численного моделирования сравниваются с данными спутников Geotail и Cluster. Также обсуждаются возможные предсказания квазиадиабатической модели и условия, при которых они могут наблюдаться спутниками Geotail, Cluster и др.

5. Delcourt D. C., H. V. Malova, L.M.Zelenyi, J.-A. Sauvaud, T. E. Moore, and M.-C. Fok Energetic particle injections into the outer cusp during compression events, Earth Planets Space, 57, 125–130, 2005.

Изучена динамика заряженных частиц в дневной магнитосфере в ответ на внезапные вариции динамического давления солнечного ветра. Используя расчеты с тестовыми частицами, мы показываем, что электрические поля, индуцированные сжатием на передней части магнитосферы, могут приводить к значительному ускорению ионов плазменного слоя, а также к их захвату на высоких широтах. Мы показываем, что благодаря кратковременному характеру переконфигурации силовых линий магнитного поля (порядка нескольких минут), магнитный момент частицы (первый адиабатический инвариант) во время таких событий сохраняться не может. Получено, что ионы, которые двигаются от одной полусферы к другой, до того, как они инжектируются во внешний касп, могут ускоряться до сотни keV. Такие инжекции включают частицы из ограниченной части магнитных силовых трубок на дневной стороне. Энергичные частицы, которые появляются во внешнем каспе во время таких событий, затем вращаются относительно высокоширотного минимума поля, не пересекая экваториальной плоскости и обеспечивая, таким образом, наличие высокоэнергичной популяции, которая наблюдается в этой области пространства.

6. Зеленый Л.М., Малова Х.В., Попов В.Ю., Математическое моделирование двухкомпонентных тонких токовых слоев в магнитосферной плазме, Радиотехника и Электроника т.50, N 2, с.1-8, 2005.

Рассмотрена самосогласованная одномерная аналитическая модель TТС, в которой натяжение магнитных силовых линий уравновешивается, главным образом, инерцией ионов, а не плазменным давлением. Влияние электронов и электростатических полей, поддерживающих квазинейтральность, учтено в предположении о том, что электроны вдоль силовых линий движутся достаточно быстро, чтобы поддерживать квазиравновесное распределение Больцмана. Электростатические эффекты могут приводить к особенностям локальных профилей плотности тока внутри TТС, например, к их расщеплению. Проанализирована зависимость электростатических эффектов от электронной температуры и кривизны магнитных силовых линий. Обсуждается возможное влияние этих эффектов на тонкую структуру токового слоя (ТС) и на динамику процессов в плазменном хвосте Земли.

7. Delcourt D. C., D. A. Ovodkov, and V. Yu. Popov, H. V. Malova, L. M. Zelenyi Do phase portraits resist current sheet bifurcation? Advances in Space research, v.37, 547-551, 2006.

Методом трассирования ионов и сечений Пуанкаре исследована нелинейная динамика заряженных частиц в расщепленных (бифурцированных) и нерасщепленных токовых слоях, которые обнаруживаются на ближнем к Земле крае токового слоя во время суббурь. Показано, что общая структура фазового пространства, включающая в себя области пролетных (спейсеровских), захваченных и квазизахваченных частиц, слабо зависит от самого факта бифуркации токового слоя, особенно в случае симметричного относительно нейтральной плоскости профиля. Однако, фазовое пространство может быть существенно другим в случае, когда бифурцированный слой несимметричный, т.е. ширины и амплитуды двух максимумов его различны. В несимметричных слоях фазовая область квазизахваченной плазмы как бы "вытесняет" область пролетных частиц, которые являются носителями тока. Поскольку квазизахваченные частицы имеют почти замкнутые орбиты, и полный ток их близок к нулю, сокращение доли пролетных частиц может приводить к полному разрушению самосогласованной структуры токового слоя. Таким образом, степень асимметрии токового слоя может являться одним из ключевых параметров, определяющих динамику слоя в целом. Поскольку несимметричные токовые слои в природе встречаются достаточно часто, механизм разрушения слоя под влиянием накопления в нем квазизахваченной плазмы может играть существенную роль в суббуревой динамике.

8. Delcourt D.C., Malova H.V., Zelenyi L.M., Quasi-adiabaticity in bifurcated current sheets, Geophys. Res. Lett., v. 33, L06106, doi:10.1029/2005GL025463, 2006.

Исследована нелинейная динамика заряженных частиц в токовых слоях с двугорбым профилем, которые, как правило, наблюдаются в фазе подготовки суббури. Основное внимание в работе сконцентрировано на частицах с параметром адиабатичности (отношение минимального радиуса кривизны магнитной силовой линии к максимальному ларморовскому радиусу) каппа порядка 1. Показано, что в случае обыкновенного токового слоя (типа харрисовского) с одним максимумом рассеяние частиц обусловлено воздействием на частицу в экваториальной плоскости импульсной центробежной силы. Однако, в двойных слоях частица испытывает два импульса силы вне экваториальной плоскости, что существенным образом влияет на характер ее движения. Гирофаза частицы в области рассеяния играет определяющую роль для величины скачка магнитного момента. При некоторых значениях гирофазы скачок магнитного момента при рассеянии в токовом слое может компенсироваться скачком на выходе. Таким образом, вместо сильного динамического хаоса, система может проявлять свойство квазиадиабатичности.

9. Zelenyi L. M., H. V. Malova, V.Yu. Popov, D. C. Delcourt, N. Yu. Ganushkina, A. S. Sharma, ”Matreshka” model of multilayered current sheet, GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS, VOL. 33, L05105, doi:10.1029/2005GL025117, 2006

Представлена аналитическая самосогласованная модель многокомпонентых токовых слоев, в которых плазма состоит из ионов солнечного ветра и ионосферных ионов. Влияние электронной популяции учтено в предположении, что электроны имеют квазиравновесное больцмановское распределение в электростатическом поле, которое может приводить к острому максимуму плотности электронного тока в центре токового слоя. В нашей модели учитывается вклад неадиабатических ионов O+ как одно из слагаемых в системе уравнений типа Грэда-Шафранова, описывающих квазиравновесную конфигурацию. Вклад ионов кислорода в общий ток поперек хвоста в реальных условиях обычно не превышает 30%, но "крылья", состоящие в основном из O+, приводят к значительному уширению профиля тока. Продемонстрированы основные механизмы формирования тонкой структуры ТТС, за что данная модель получила название «модель матрешки». Так, очень узкий электронный слой с толщиной порядка L ~0.05-0.1r_L (где r_L - гирорадиус протона) вложен в тонкий протонный слой с L ~r_L, который , в свою очередь, вложен внутрь относительно толстого кислородного токового слоя (L~5-10r_L). Более того, весь ТТС как бы вложен внутрь еще более толстого плазменного слоя (толщина которого в модели равна бесконечности, а в реальной магнитосфере может достигать от нескольких до десятка R_E, т.е. много больше толщины ТТС). Таким образом, представленная в данной главе модель позволяет рассмотреть 4 уровня вложенных друг в друга плазменных структур, за что и получила название «модель матрешки». Она отражает иерархическое строение плазменных структур и процессов в магнитосфере Земли, где микро-, мезо-, макро- и другие масштабы тесно взаимосвязаны друг с другом.