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 12**, В. Ю. Попов 234, 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

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.

DOI: 10.31857/S0023420620060035

Список литературы

  1. Зелёный Л.М., Малова Х.В., Артемьев А.В. и др. Тонкие токовые слои в бесстолкновительной плазме // Физика плазмы. 2011. 37. № 2. С. 137.

  2. 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

  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.

  4. 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.

  5. 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.

  6. 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.

  7. Baumjohann W., Roux A., Le Contel O. et al. Dynamics of thin current sheets: Cluster observations // Annales Geophysicae. 2007. V. 25. Issue 6.

  8. Bagenal F. 2000 Planetary Magnetospheres. Bristol: Institute of Physics Publishing, 2001.

  9. Zelenyi L., Malova H., Grigorenko E. et al. Current sheets in planetary magnetospheres // Plasma Phys. Control. Fusion. 2019. V. 61. № 5. 054002.

  10. 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.

  11. 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

  12. Speiser T.W. Particle trajectories in model current sheets; Analytical solutions // J. Geophys. Res. 1965. V. 70. P. 4219.

  13. 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.

  14. 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.

  15. 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

  16. 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

  17. 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

  18. 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

  19. 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

  20. 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

  21. 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

  22. 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.

  23. 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.

  24. 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.

  25. 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.

  26. 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.

  27. 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.

  28. Harris E.G. On a plasma sheath separating regions of oppositely directing magnetic fields // Nuovo Chimento. 1962. V. 23. P. 115.

  29. 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.

  30. 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

  31. 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

  32. Krall N.A., Trivelpiece A.W. Principles of plasma physics. Mc Graw–Hill, New York, 1973.

  33. 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.

  34. Francfort P., Pellat R. Magnetic merging in collisionless plasmas // Geophys. Res. Lett. 1976. V. 3. № 8. P. 433.

  35. 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.