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 Bz
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.