Космические исследования, 2020, T. 58, № 6, стр. 461-470
Токовые слои с многокомпонентной плазмой в магнитосферах планет Солнечной системы
В. И. Домрин 1, *, Х. В. Малова 1, 2, **, В. Ю. Попов 2, 3, 4, Е. Е. Григоренко 2, А. А. Петрукович 2
1 Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына МГУ
г. Москва, Россия
2 Институт космических исследований РАН
г. Москва, Россия
3 Физический факультет МГУ
г. Москва, Россия
4 Национальный исследовательский университет “Высшая школа экономики”
г. Москва, Россия
* E-mail: dmr@dec1.sinp.msu.ru
** E-mail: hmalova@yandex.ru
Поступила в редакцию 25.02.2020
После доработки 25.02.2020
Принята к публикации 29.05.2020
Полные тексты статей выпуска доступны только авторизованным пользователям.
Аннотация
Предложена самосогласованная гибридная модель тонкого токового слоя (ТТС) толщиной порядка нескольких ионных гирорадиусов с учетом многокомпонентности бесстолкновительной космической плазмы. Несколько плазменных компонент могут присутствовать в хвостах магнитосфер планет земного типа (например, Земля, Меркурий, Марс, Венера). Проанализированы изменения структуры ТС в магнитосферной плазме в присутствии тяжелых ионов кислорода, обладающих разными характеристиками. Показано, что высокие относительные концентрации ионов кислорода, равно как их относительно высокие температуры и дрейфовые скорости приводят к существенному утолщению ТС и формированию дополнительного масштаба вложенности. При этом на профилях основных характеристик – плотности тока и магнитного поля, появляются симметричные изломы, соответствующие резкой смене градиентов изменения величин. Проведено сравнение и показано качественное согласие результатов моделирования с данными наблюдений в хвосте магнитосферы Марса.
Полные тексты статей выпуска доступны только авторизованным пользователям.
Список литературы
Зелёный Л.М., Малова Х.В., Артемьев А.В. и др. Тонкие токовые слои в бесстолкновительной плазме // Физика плазмы. 2011. 37. № 2. С. 137.
Zelenyi L., Oka M., Malova H. et al. Particle acceleration in Mercury’s magnetosphere // Space Sci. Rev. 2007. 132. Issue 2–4. P. 593. https://doi.org/10.1007/s11214-007-9169-3
Ashour-Abdalla M., Zelenyi L.M., Peroomian V. et al. Consequances of magnetotail ion dynamics // J. Geophys. Res. 1994. V. 99. № A8. P. 14891.
McPherron R.L., Nishida A., Russell C.T. Is near-Earth current sheet thinnig the cause of auroral substorm onset. Quantitative Modeling of Magnetosphere-Ionosphere Coupling Processes. Kyoto Sangyo University: Kyoto, Japan. 1987. P. 252.
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 substorm // J. Geophys. Res. 1993. V. 98. P. 17345.
Runov A., Sergeev V.A., Nakamura R. et al. Local structure of the magnetotail current sheet 2001 observatins // Annales Geophysicae. 2006. V. 24. Issue 1. P. 247.
Baumjohann W., Roux A., Le Contel O. et al. Dynamics of thin current sheets: Cluster observations // Annales Geophysicae. 2007. V. 25. Issue 6.
Bagenal F. 2000 Planetary Magnetospheres. Bristol: Institute of Physics Publishing, 2001.
Zelenyi L., Malova H., Grigorenko E. et al. Current sheets in planetary magnetospheres // Plasma Phys. Control. Fusion. 2019. V. 61. № 5. 054002.
Runov A., Sergeev V.A., Nakamura R. et al. Local structure of the magnetotail current sheet: 2001 Cluster observations // Annales Geophysicae. 2005. V. 23. P. 1. SRef-ID: 1432-0576/ag/2005-23-1.
Sergeev V., Runov A., Baumjohann W. et al. Current sheet flapping motion and structure observed by Cluster // Geophys. Res. Lett. 2003. V. 30. № 6. P. 1327. https://doi.org/10.1029/2002GL016500
Speiser T.W. Particle trajectories in model current sheets; Analytical solutions // J. Geophys. Res. 1965. V. 70. P. 4219.
Зеленый Л.М., Малова Х.В., Григоренко Е.Е. и др. Тонкие токовые слои: От работ Гинзбурга–Сыроватского до наших дней // УФН. 2016. Т. 186. № 11. С. 1153.
Büchner J., Zelenyi L.M. Regular and chaotic charged particle motion in magnetotaillike field reversals: 1. Basic theory of trapped motioh // J. Geophys. Res. 1989. V. 94. № 10. P. 11821.
Lennartsson W., Shelley E.G. Servey of 0.1 to 16 keV/e plasma sheet ion composition // J. Geophys. Res. 1986. V. 91. P. 3061. https://doi.org/10.1029/JA091iA03p03061
Nose M., Ieda A., Christon S.P. Geotail observations of plasma sheet ion composition over 16 years: On variations of average plasma ion mass and O+ triggering substorm model // J. Geophys. Res. 2009. V. 114. P. A07223. https://doi.org/10.1029/2009JA014203
Sauvaud J.-A., Louarn P., Fruit G. et al. Case studies of the dynamics of ionospheric ions in the Earth’s magnetotail // J. Geophys. Res. 2004. V. 109. P. A01212. https://doi.org/10.1029/2003JA009996
Kistler L.M., Mouikis C.G., Cao X. et al. Ion composition and pressure changes in storm time and nonstorm substorms in the vicinity of the near-Earth neutral line // J. Geophys. Res. 2006. V. 111. P. A11222. https://doi.org/10.1029/2006JA011939
Artemyev A.V., Petrukovich A.A., Nakamura R. et al. Proton velocity distribution in thin current sheets. Cluster observations and theory of transient trajectories // J. Geophys. Res. 2010. V. 115. P. A12255. https://doi.org/10.1029/2010JA015702,2010
Kronberg Elena, Ashour-Abdalla Maha, Dandouras Iannis et al. Circulation of heavy ions and their dynamical effects in the magnetosphere: Recent observations and models // Space Sci Rev. 2014. https://doi.org/10.1007/s11214-014-0104-0
Asano Y., Nakamura R., Baumjohann W. et al. How typical are atypical current sheets? // Geophys. Res. Lett. 2005. V. 32. N. 3. CiteID L03108. https://doi.org/10.1029/2004GL021834
Nakamura R., Baumjohann W., Runov A. et al. Thin current sheets in the magnetotail observed by Cluster // Space Sci. Rev. 2006. V. 122. P. 29.
Eastwood J.W. Consistency of fields and particle motion in the “Speiser” model of the current sheet // Planet Space Sci. 1972. V. 20. № 10. P. 1555.
Pritchett P.L., Coroniti F.V. Formation and stability of the self-consistent one-dimensional tail current sheet // J. Geophys. Res. 1992. V. 97. P. 16773.
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.
Sitnov M.I., Zeleny L.M., Malova H.V. et al. Thin current sheet embedded within a thicker plasma sheet: self-consistent kinetic theory // J. Geophys. Res. 2000. V. 105. № A6. 13029.
Zelenyi L.M., Sitnov M.I., Malova H.V. et al. Thin and superthin current sheets. Quasiadiabatic and nonadiabatic models // Nonlin. Proc. Geophys. 2002. V. 7. № 3/4. P. 127.
Harris E.G. On a plasma sheath separating regions of oppositely directing magnetic fields // Nuovo Chimento. 1962. V. 23. P. 115.
Zelenyi L.M., Malova H.V., Popov V.Yu. et al. Nonlinear equilibrium structure of thin currents sheets: influence of electron pressure anisotropy // Nonlin. Proc. Geophys. 2004. V. 11. № 1. P. 71.
Artemyev A.V., Petrukovich A.A., Zelenyi L.M. et al. Thin embedded current sheets: Cluster observations of ion kinetic structure and analytical models // Ann. Geophys. 2009. V. 27. 4075. www.ann-geophys.net/ 27/4075/2009
Zelenyi L.M., Malova H.V., Popov V.Yu. et al. “Matreshka” model of multilayered current sheet // Geophys. Res. Lett. 2006. № 33. P. L05105. https://doi.org/10.1029/2005GL025117
Krall N.A., Trivelpiece A.W. Principles of plasma physics. Mc Graw–Hill, New York, 1973.
Pulkkinen T.I., Baker D.N., Owen C.J. et al. Thin current sheets in the deep geomagnetotail // Geophys. Res. Lett. 1993. V. 20. P. 2427.
Francfort P., Pellat R. Magnetic merging in collisionless plasmas // Geophys. Res. Lett. 1976. V. 3. № 8. P. 433.
Grigorenko E.E., Shuvalov S.D., Malova H.V. et al. Imprints of quasiadiabatic ion dynamics on the current sheet structures observed in the Martian magnetotail by MAVEN // J. Geophys. Res. 2017. V. 122. № 10. P. 1. https://doi.org/10.1002/2017JA024216
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Космические исследования