«Физика плазмы в солнечной системе». Москва 14-18 февраля 2011. 1 Title Институт космических исследований РАН Афонин В.В. Прямые наблюдения областей ускорения. - презентация

1 «Физика плазмы в солнечной системе». Москва февраля Title Институт космических исследований РАН Афонин В.В. Прямые наблюдения областей ускорения ионов во внутренней магнитосфере на спутнике Интербол-2

2 «Физика плазмы в солнечной системе». Москва февраля фвВ An intriguing problem of magnetospheric physics is the energization of ionospheric ions and their subsequent escape from low altitudes. It is widely believed that an outflow of heated ions of ionospheric origin and not only ions penetrating from the solar wind can contribute significantly to the dynamics of the magnetosphere [Chappell, 1988]. Much of the ion outflow is caused by ion heating perpendicular to the geomagnetic field. These ions may then move adiabatically up the field lines of the inhomogeneous terrestrial magnetic field and form so-called conics in velocity space. Andre, Norqvist et al., Ion energization mechanisms at 1700 km in the auroral region, J. Geophys. Res., 103, 4199, 1998.

3 «Физика плазмы в солнечной системе». Москва февраля Цель доклада 1. На спутнике Интербол-2 был установлен прибор КМ-7 предназначенный для измерения концентрации и температуры электронов холодной плазмы - зонд Ленгмюра. 2. Ne и Te определялись путем снятия вольт-амперных характеристик (ВАХ) зонда Ленгмюра. 3. Одна из задач прибора – вычисление Te на борту в физических единицах и передача на землю. 4. Для этого прибор производил некоторые манипуляции с ВАХ зонда с целью получения электронной ветви тока на зонд. 5. Некоторые особенности методики измерения позволяют идентифицировать наличие в плазме ионов, подвергшихся энергизации (нагрев или ускорение).

4 «Физика плазмы в солнечной системе». Москва февраля Вид зонда ДЭТ-П

5 «Физика плазмы в солнечной системе». Москва февраля Зондовая характеристика [ Каган и Перель, Зондовые методы исследования плазмы, УФН, LXXXI, вып.3, стр.410, 1963] В полете прибор КМ-7: -Выделял электронную ветвь Ie путем вычитания ионного тока Ii; -Из Ie вычислял Те [К] и в цифровом виде передавал на землю. Зондовая характеристика: I(U) = Ie(U) + Iim(U) + [Iih(U)] Iim(U) вычислялся в предположении максвелловского распределения. Измеренная прибором КМ-7 в.а.-характерисика: Iкм(U)= Ie(U) + [Iih(U)]

6 «Физика плазмы в солнечной системе». Москва февраля Пример измеренной ВАХ Iкм(U) Каждая ВАХ состоит из 11 пар ток- потенциал зонда. ВАХ измерялись каждые 5,12 с; за один типичный пролет северной полярной области регистрировалось ~2500 ВАХ. Сконструированная на борту электронная часть зондовой характеристики ВАХ.

7 «Физика плазмы в солнечной системе». Москва февраля Влияние ионного тока Рис. 3. Электронная часть зондовой характеристики в полулогарифмическом масштабе. Отклонение от прямолинейности в нижней части кривой связано с влиянием ионного тока. [ Каган и Перель, Зондовые методы исследования плазмы, УФН, LXXXI, вып.3, стр.413, 1963] Измеренная прибором КМ-7 в.а.-характерисика: Ie(U)= Ie(U) + [Iih(U)] Ионные токи [Iih(U)] – дополнительны е к ионным токам Iim(U), соответствующих максвелловскому распределению.

8 «Физика плазмы в солнечной системе». Москва февраля Энергизация ионов Ионные токи [Iih(U)] свидетельствуют о наличии в плазме процессов, приводящих к энергизации ионной компоненты. Признак энергизации ионов: характерный загиба вниз в области малых токов сконструированной на борту электронной ветви зондовой характеристики.

9 «Физика плазмы в солнечной системе». Москва февраля Примеры ВАХ ВАХи с признаками энергизации ионов

10 «Физика плазмы в солнечной системе». Москва февраля Сужение ВАХ и критерии отбора «Сужение» ВАХ свидетельствует о наличии в плазме - эффективного локального нагрева ионов или - появления потоков ускоренных ионов. < В Критерий отбора ВАХ: разность потенциалов между 11-й и 10-й «точками» развертки ВАХ

11 «Физика плазмы в солнечной системе». Москва февраля Распределение по InvLat-MLT По всем 545 пролетам без учета - высоты тыс км - геомагнитгой активности - уровня солнечной активности. Визуально четко выделяются: - эллипсообразная зона, смещенная к полуночи –авроральная зона. - кольцевая зона InvLat= Справа – степень покрытия ячеек InvLat-MLT. Количество прохождений спутником каждой ячейки – шкала справа. Размер ячейки 2 град широты х 20 минут MLT. Здесь КА пролетал не менее 1500 раз Слева – участки траектории,на которых точками показаны ВАХи с наличием энергизации ионов. Экваториальная граница кольцевой зоны не определена – нет данных (см. «покрытие» справа).

12 «Физика плазмы в солнечной системе». Москва февраля Rev Нет энергизации Есть энергизация Точки – «ручная» обработка ВАХ. Зеленые линии (и синяя для Usc) автоматизирован ная обработка ВАХ.

13 «Физика плазмы в солнечной системе». Москва февраля Rev 2323 Автоматизирова нная обработка ВАХ. Нет энергизации Есть энергизация

14 «Физика плазмы в солнечной системе». Москва февраля Пример mv mf0257 afL Rev Пследовательно зарегистрированные BAX, иллюстртрующие резкое появление энергизации ионов. Есть энергизация Нет энергизации

15 «Физика плазмы в солнечной системе». Москва февраля Пример mv mv Rev последовательных BAX Нет энергизации Есть энергизация

16 «Физика плазмы в солнечной системе». Москва февраля Пример mv mv1729_ _Shadow Rev последовательных BAX , иллюстрирующие переход от света к тени. Во всех случаях имеет место энергизация ионов.

17 «Физика плазмы в солнечной системе». Москва февраля FAST observations Fig. 3. Distribution of ion conic events in this study over invariant latitude and magnetic local time: (top) BBELF events, and (bottom) EMIC events. Lund, Moebius et al., Transverse ion acceleration mechanisms in the aurora at solar minimum: occurrence distributions, JASTPs 62 (2000) % of the events found are associated with either - broad-band extremely low frequency (BBELF) emissions (84% от обнаруженных) or - electromagnetic ion cyclotron (EMIC) waves. За 6 месяцев полета FAST обнаружено 714 случаев наблюдений ion conics.

18 «Физика плазмы в солнечной системе». Москва февраля Выделение случаев энергизации ионов Электронная ветвь зондовой характеристики представляет собой интегральный спектр электронной компоненты плазмы Разность потенциалов между 1-й и последней «точками» развертки ВАХ является «шириной» электронного спектра в заданном диапазоне токов. Ширина спектра

19 «Физика плазмы в солнечной системе». Москва февраля Выводы 1. Показано, что при помощи сравнительно простых приборов (зонд Ленгмюра) можно идентифицировать области энергизации (ускорения или нагрева) ионов плазмы во внутренней магнитосфере до высот 3RE. 2. На статистически значимом материале показано наличие двух зон энергизации ионов: - Эллипсообразная зона, смещенная к полуночи – классическая авроральная зона. - Кольцевая зона с полярной границей InvLat = 67 град и экваториальной границей InvLat < 60 град. 3. В дневном-послеполуденном секторе магнитосферы между этими зонами существует зазор, в котором практически не наблюдаются эффекты энергизации ионов. 4. Кольцевая зона является первым статистически значимым наблюдением во внутренней магнитосфере так называемой «горячей зоны плазмосферы», обнаруженной Безруких и Грингаузом на спутнике ПРОГНОЗ в 1976 г. [Вezrukikh, Gringauz, Тhe hot zone in the outer plasmasphere of the Earth, J. Atmos. Terr. Phys.,38,1071, 1976.