1 Динамика срыва равновесия и трансформации энергии в геомагнитном хвосте: теория и численное моделирование А.П.Кропоткин НИИЯФ МГУ

2 В.И.Домрин и А.П.Кропоткин, Геомагнетизм и аэрономия, 2007, в печати: Динамика срыва равновесия и трансформации электромагнитной энергии в геомагнитном хвосте: возникновение и эволюция неравновесной структуры в МГД приближении Динамика срыва равновесия и трансформации электромагнитной энергии в геомагнитном хвосте: численное моделирование методом частиц Динамика срыва равновесия и трансформации электромагнитной энергии в геомагнитном хвосте: варианты формирования тонких токовых слоев

3 Глобальная квазистатическая эволюция магнитоплазменной конфигурации: формирование токовых слоев. Эффекты волнового (БМЗ) возмущения. Сингулярности в МГД моделях. J. Birn, K. Schindler, and M. Hesse, J. Geophys. Res., 108(A9), 2003 (a)квазистатическое возмущение – теория (b) квазистатическое возмущение – численное МГД моделирование (c) волновое (БМЗ) возмущение – численное МГД моделирование

4 Пересоединение: перестройки в плазменных системах, в которых одновременно (а) происходит быстрое перераспределение магнитных потоков; (б) интенсивная трансформация магнитной энергии в энергию плазменных потоков или vice versa. В 1D системе пересоединение магнитных потоков вообще невозможно. В 2D и 3D конфигурациях быстрая конверсия энергии возможна только если (а) происходит пересоединение магнитных потоков; (б) имеются пространственно протяженные структуры токовых слоев (ТС), на которых и происходит конверсия энергии.

5 Протяженные токовые структуры должны быть квази-1D. Чтобы ТС был включен в процесс пересоединения, т.е. чтобы по нему происходил вынос магнитного потока из диффузионой области, нормальная компонента магнитного поля на нем должна быть ненулевой – но малой, чтобы ТС был протяженным, квази-1D. Ни теория, ни численное моделирование пока неспособны описать пространственный переход от диффузионной области к протяженному, квази-1D ТС, где происходит конверсия энергии. Какая же 1D структура возникает? В бесстолкновительной плазме имеется целый ряд разных возможных равновесных 1D структур. Получить такую информацию из эксперимента!

6 В окрестности z = 0 ион движется неадиабатически, по спейзеровской орбите. В слабом поле B n он проходит большое расстояние по y, создавая вклад в ток. Ион ускоряется полем E y и затем покидает ТС, создавая вне ТС двухпотоковую анизотропию. Траектория иона, формирующего анизотропный токовый слой РАВНОВЕСНЫЙ АНИЗОТРОПНЫЙ ТОКОВЫЙ СЛОЙ

7 Взаимопроникающие ионные потоки вне токового слоя, обеспечивающие баланс импульса по x в равновесном анизотропном ТС E=0 E = -V A B n /c

8 Холодная плазма, одномерная плоская магнитная конфигурация где постоянно, а - произвольная функция как альвеновская волна, с постоянной скоростью - постоянная концентрация частиц (электронов и ионов) - масса иона распространяется в направлении АЛЬТЕРНАТИВА: ВРАЩАТЕЛЬНЫЙ «РАЗРЫВ»

9 : При малой нормальной компоненте магнитного поля, такие динамические ТС могут рассматриваться в одном ряду с равновесными стационарными ТС типа слоя Харриса и ВКТС. На ТС осуществляется конверсия электромагнитной энергии в энергию плазменного потока. При распространении в покоящейся плазме, скорость потока плазмы на выходе из ТС определяется величиной полного набега фазы внутри ТС на толщине ТС, и величиной альвеновской скорости: В случае обращения поля на ТС :, т.е. величиной полного шира магнитного поля

10 Y. Zheng, G. Le, J. A. Slavin, M. L. Goldstein, C. Cattell, A. Balogh, E. A. Lucek, H. Rème, J. P. Eastwood, M. Wilber, G. Parks, A. Retinò, and A. Fazakerley Cluster observation of continuous reconnection at dayside magnetopause in the vicinity of cusp Annales Geophysicae, 23, 2199–2215, 2005 Cluster multispacecraft observations at the high-latitude duskside magnetopause: implications for continuous and component magnetic reconnection A. Retinò, M. B. Bavassano Cattaneo, M. F. Marcucci, A. Vaivads, M. André, Y. Khotyaintsev, T. Phan, G. Pallocchia, H. Rème, E. Möbius, B. Klecker, C. W. Carlson, M. McCarthy, A. Korth, R. Lundin, and A. Balogh Annales Geophysicae, 23, 461–473, 2005 M. B. Bavassano Cattaneo, M. F. Marcucci, et al. Kinetic signatures during a quasi-continuous lobe reconnection event: Cluster Ion Spectrometer (CIS) observations J. Geophys. Res., 111, A09212, doi: /2006JA В серии статей (Retinò и др.) гг. представлены наблюдения, проведенные на CLUSTER, относящиеся к случаям пересечения магнитопаузы, которые трактуются как проявления магнитного пересоединения.

11 The Walén relation test results. Two intervals (C1: 01:34:30– 01:36:00 UT and C3: 02:55:30– 02:55:50 UT) are randomly chosen. The top panel is the result of finding the deHoffmann Teller (HT) frame and the bottom panel shows the fitting result of the measured velocity in the HT frame versus the Alfvén velocity.

12 D-shaped distribution functions on the (V, V ) plane and Walén test on the (L,M) plane for the flow reversal observed by SC/3 between 10:57:08 and 10:58:08 UT. R is the ratio |ΔV obs |/| ΔV th | while θ is the angle between the two vectors ΔV obs and ΔV th on the (L,M) plane. A perfect agreement would result in antisymmetric vectors for the sunward jet (R=1, θ =180°) and overlapping vectors for the tailward jet (R=1, θ =0°).

13 SC/3 ion distribution function on the (V, V ) plane when the spacecraft is in the current sheet. A second population parallel to the magnetic field is present besides the transmitted magnetosheath ions. (MSH=magnetosheath)

14 SC/3 ion distribution function on the (V, V ) plane at 09:52:22 UT when the spacecraft is in the MSBL. Incident and reflected populations are shown, as well as a sketch of the reconnection geometry. (MSH=magnetosheath) (MSBL=magnetosheath boundary layer)

15 Four cuts of the ion distribution functions in the V -V plane by HIA. (top) Two simultaneous measurements (a) by SC1 (in the MSBL) and (b) by SC3 (in the magneto- sheath); (bottom) taken by SC3 in the MSBL (c) sunward of the reconnection site and (d) tailward of it. In the MSBL, the population with the larger phase space density is the incident magnetosheath population, and the other is the reflected magnetosheath population.The vertical segments between the two populations represent the expected separation (2V A ).

16 Avanov L.A., Smirnov V.N., Waite J.H., Jr., Fuselier S.A., Vaisberg O.L. High-latitude magnetic reconnection in sub- Alfvenic flow: Interball Tail observations on May 29, J. Geophys. Res. V P Домpин В.И., Кpопоткин А.П. Плоские разрывы в бесстолкновительной плазме: анализ с применением к магнитопаузе. Геомагнетизм и аэpономия, 2006, 46, N 1, с Анализ и обсуждение:

17 Определение системы отсчета деХоффмана - Теллера Тест Валена

18 Двумерные сечения 3D ионных распределений. 0xB; 0yE x B. Черная линия – в направлении на Солнце. Красная линия показывает массовую скорость. Распределения относятся к моментам, упорядоченным по убыванию |B x | (т.е. по убывающим расстояниям от нейтрального слоя). Raj et al, Wind data: FIELD-ALIGNED BEAM Пример двухпотоковой анизотропии в ТС геомагнитного хвоста

19 V z = 0 V z = v T (c) Successive cross-sections of the velocity distribution No trigger; B n /B 0 = 0.2; t = 4/W 0, Z = 12.2r 0 VzVz VzVz v T (h) increase v T (c) increase V z = 2.45v T (c) vyvy vxvx Численное моделирование: Домрин и Кропоткин, 2006

20 Стационарная структура «вынужденного» кинетического токового слоя ( ВКТС). Теория и численное моделирование (А.П.Кропоткин, В.И.Домрин, М.И.Ситнов, Х.В.Малова, ) «Аннигиляция» магнитного поля на токовом слое. Электрическое поле, поток электромагнитной энергии, конвекция плазмы.

21 tangential magnetic field electric field plasma density Time unit = 0.1/ion gyrofrequency B n /B 0 = 0.12 Эволюция токового слоя во времени: формируется предельно тонкий вложенный ТС - анизотропный «вынужденный» токовый слой

22 tangential magnetic field electric field plasma density Эволюция токового слоя во времени: формируются предельно тонкие вложенные структуры ударных волн Time unit = 0.1/ion gyrofrequency B n /B 0 = 0.2

23 B z z t = 0 t = 240/ 0 t = 400/ 0 B Формирование тонких вложенных токовых слоев «вынужденный» анизотропный токовый слой медленные ударные волны Вид СПОНТАННОГО возмущения ВНЕ ДИФФУЗИОННОЙ ОБЛАСТИ. Самоорганизация: формирование вложенных предельно тонких почти одномерных токовых структур. Медленные ударные волны; ВКТС. (В.И.Домрин, А.П.Кропоткин, 2007, в печати)

24 ДОВКТС Схема суббури

25 Продольные токи переносят возмущение к Земле в МГД моде. Двумерная структура альвеновского возмущения

26 Пятна «аннигиляции» магнитного поля в геомагнитном хвосте. Спорадические электрические поля и потоки плазмы – BBFs?

27 ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ (I) Тонкий ТС, первоначально порождаемый сохраняющими магнитный поток (МГД) движениями, испытывает локальные спорадические потери равновесия. Они возникают под действием быстрых МГД возмущений, генерируемых во внешней области посредством механизма нелинейной (тиринг-, баллонной) неустойчивости. В последние годы выявлены те процессы, которые ответственны за возникающую перестройку магнитных потоков – магнитное пересоединение, происходящее в диффузионной области на нелинейной стадии, и их характерные масштабы. - Холловские токи, вистлерная мода, квадрупольные магнитные поля By. - Незамагниченные ионы и электроны, негиротропное ионное и электронное давление. Электрическое поле в диффузионной области и скорость пересоединения определяются лишь электрическим полем конвекции на краю диффузионной области, независимо от конкретного вида ионной и электронной динамики внутри этой области.

28 На тех участках ТС вне диффузионной области, где при возмущении нарушается баланс магнитного натяжения и градиента давления, начинается нелинейная квазиодномерная эволюция. Ее важнейшая черта состоит в самоорганизации, выражающейся в спонтанном формировании вложенных предельно тонких токовых структур. В численном моделировании такие структуры обнаруживаются в виде либо медленных ударных волн, либо анизотропных «вынужденных» ТС. Путь самоорганизации: УВ либо ВКТС, - критически зависит от относительной величины нормальной компоненты поля B n. На этих структурах происходит крупномасштабная «аннигиляция» магнитного поля, т.е. трансформация энергии, охватывающая всю структуру целиком. В ходе эволюции профиль магнитного поля в случае образования ВКТС становится очень близким к профилю для равновесного стационарного ВКТС по теории. ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ (II)

29 ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ (III) В некоторых общих чертах ход эволюции системы согласуется с МГД: волна разрежения вблизи ТС, поток энергии к центральной плоскости, возрастающий поток плазмы в центральной области, направленный по x. При учете неоднородности по y – формирование альвеновских возмущений, бегущих к Земле, продольные токи, магнитосферно-ионосферное взаимодействие. Однако, вследствие кинетических эффектов возникают различные типы анизотропии, регистрируемые при моделировании: - Смещенные квазимаксвелловские распределения: массовые потоки (bulk flows) - Направленные вдоль поля двойные потоки - Особые кистеобразные распределения, отвечающие квазиадиабатическим ионам на спейзеровских орбитах

30 Определены особенности нелинейной динамики ТС, ответственные за спорадические всплески «разгружения» (unloading) магнитной энергии, т.е. трансформации этой энергии в энергию плазменных потоков и в тепло. В магнитосфере эти эффекты лежат в основе спорадических активизаций в геомагнитном хвосте, с формированием анизотропных ионных потоков внутри плазменного слоя и на его краю, с нестационарной конвекцией (BBFs), с диполизациями поля в околоземной части плазменного слоя и инжекциями плазмы во внутреннюю магнитосферу. ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ (IV)