Институт Лазерной Физики Отдел Лазерной Плазмы Новосибирск, СО РАН Мини-магнитосфера Антонов В.М., Бояринцев Э.Л., Мелехов В.М., Посух В.Г., Захаров Ю.П., - презентация

1 Институт Лазерной Физики Отдел Лазерной Плазмы Новосибирск, СО РАН Мини-магнитосфера Антонов В.М., Бояринцев Э.Л., Мелехов В.М., Посух В.Г., Захаров Ю.П., Пономаренко А.Г., Шайхисламов И.Ф.

2 Что происходит с магнитосферой когда ее масштаб становится меньше ионных кинетических масштабов ? R M c/ω pi

3 Пролет Galileo вблизи астероидов Gaspra в 1991 и Ida в 1993 мотивировал исследования о характере возмущений в СВ при взаимодействии со слабо намагниченным телом (Kivelson et al 1993). Пролет Galileo вблизи астероидов Gaspra в 1991 и Ida в 1993 мотивировал исследования о характере возмущений в СВ при взаимодействии со слабо намагниченным телом (Kivelson et al 1993). Однако позже магнитные сигналы были интерпретированы как скачки магнитного поля в СВ (Blanco-Cano et al 2003), поскольку были зарегистрированы слишком далеко от астероидов (>1000 км). Однако позже магнитные сигналы были интерпретированы как скачки магнитного поля в СВ (Blanco-Cano et al 2003), поскольку были зарегистрированы слишком далеко от астероидов (>1000 км). Единственное прямое измерение аппаратом NEAR- Shoemaker при посадке на Eros дало нулевое глобальное поле (Acuña et al 2002). Единственное прямое измерение аппаратом NEAR- Shoemaker при посадке на Eros дало нулевое глобальное поле (Acuña et al 2002). На основе одного пролета аппарата Deep Space на расстоянии 28 км от астероида Braille получена предположительная оценка магнитного момента А м 2 (Richter et al 2001). На основе одного пролета аппарата Deep Space на расстоянии 28 км от астероида Braille получена предположительная оценка магнитного момента А м 2 (Richter et al 2001). Астероиды

4 Lunar Prospector (Halekas et al 2008) Lunar Prospector набрал большую статистику по сильным возмущения магнитного поля (lunar external magnetic enhancements - LEMEs) на высотах до 100 км, связанным с локальными магнитными аномалиями. Часто сопровождаются энергичными электронами и волновой активностью (Halekas et al 2008). Вопрос о существовании плазменных каверн – областей защищенных магнитным полем от прямого попадания Солнечного Ветра – остается открытым. Например, из более чем 1000 пролетов над Crisium Antipode магнитной аномалией зарегистрировано только два значительных понижения концентрации (Halekas et al 2008). Оба события связаны с условиями высокой концентрации СВ и относительно малой ионной плазменной длины (~57 в отличие от средних 97 км). Вопрос о существовании плазменных каверн – областей защищенных магнитным полем от прямого попадания Солнечного Ветра – остается открытым. Например, из более чем 1000 пролетов над Crisium Antipode магнитной аномалией зарегистрировано только два значительных понижения концентрации (Halekas et al 2008). Оба события связаны с условиями высокой концентрации СВ и относительно малой ионной плазменной длины (~57 в отличие от средних 97 км). Новые миссии в последнее время дали новые результаты. SELENE Explorer (Saito et al 2010) обнаружил над South Pole Aitken аномалией отличительное магнитное отражение ионов СВ и коррелированное уменьшение ионов, отраженных с поверхности. Новые миссии в последнее время дали новые результаты. SELENE Explorer (Saito et al 2010) обнаружил над South Pole Aitken аномалией отличительное магнитное отражение ионов СВ и коррелированное уменьшение ионов, отраженных с поверхности. Помимо магнитно отраженных ионов аппарат Chandrayaan-1 обнаружил над Crisium antipode уменьшение потока отраженного от поверхности в виде нейтрального водорода (Wieser et al 2010). Помимо магнитно отраженных ионов аппарат Chandrayaan-1 обнаружил над Crisium antipode уменьшение потока отраженного от поверхности в виде нейтрального водорода (Wieser et al 2010). ChangE-2 обнаружил уменьшение концентрации протонов и увеличении их температуры над аномалией Serenitatis antipode. ChangE-2 обнаружил уменьшение концентрации протонов и увеличении их температуры над аномалией Serenitatis antipode. Магнитные аномалии на Луне

5 Исследование проблемы основано на численном моделировании гибридными и кинетическими, двух и трех-мерными кодами. Исследование проблемы основано на численном моделировании гибридными и кинетическими, двух и трех-мерными кодами. При размере магнитосферы меньше кинетических доминируют незжимаемые вистлерные моды. При размере магнитосферы меньше кинетических доминируют незжимаемые вистлерные моды. В хвосте генерируется след из вистлерных и магнитозвуковых волн. В хвосте генерируется след из вистлерных и магнитозвуковых волн. Перед магнитосферой нет ударной волны. Область ударного сжатия появляется только если расстояние до точки баланса давлений превышает ионную инерционную длину R m >L i. Ионы не отражаются на магнитопаузе, а проникают глубоко внутрь дипольного поля. (Blanco-Cano et al. 2004). Перед магнитосферой нет ударной волны. Область ударного сжатия появляется только если расстояние до точки баланса давлений превышает ионную инерционную длину R m >L i. Ионы не отражаются на магнитопаузе, а проникают глубоко внутрь дипольного поля. (Blanco-Cano et al. 2004). Параметрическое исследование 3D кинетическим кодом (Fujita, 2004) обнаружило, что плазма останавливается в МГД точке остановке когда ионная длина мала (R m ) и на радиусе Штермера (R St ) в обратном случае с резким переходом между этими двумя режимами. Параметрическое исследование 3D кинетическим кодом (Fujita, 2004) обнаружило, что плазма останавливается в МГД точке остановке когда ионная длина мала (R m ) и на радиусе Штермера (R St ) в обратном случае с резким переходом между этими двумя режимами. Состояние исследований

6 Выводы из предыдущих экспериментов на КИ-1 Когда ионная плазменная длина больше расстояния баланса давлений, магнитопауза удаляется, торможение плазмы через магнитопаузу уменьшается и она проникает внутрь магнитосферы. Когда ионная плазменная длина больше расстояния баланса давлений, магнитопауза удаляется, торможение плазмы через магнитопаузу уменьшается и она проникает внутрь магнитосферы. Плазма в конце концов останавливается вблизи радиуса Штермера. Плазма в конце концов останавливается вблизи радиуса Штермера. выводы численных расчетов впервые подтверждены экспериментально За этими изменениями стоит некомпланарное магнитное поле, направленное вдоль токов на магнитопаузе. За этими изменениями стоит некомпланарное магнитное поле, направленное вдоль токов на магнитопаузе. Пространственная структура этого поля и независимость от инверсии магнитного момента обнаруженная в эксперименте подтверждает, что его генерация описывается Холловским членом. Пространственная структура этого поля и независимость от инверсии магнитного момента обнаруженная в эксперименте подтверждает, что его генерация описывается Холловским членом. Равенство ионного тока электрическому указывает на то, что Равенство ионного тока электрическому указывает на то, что не смотря на движение ионов внутри магнитосферы, электроны неподвижны! Именно этим объясняется возможность движения ионов в магнитосфере без конвекции дипольного поля. Именно этим объясняется возможность движения ионов в магнитосфере без конвекции дипольного поля.

7 Новая серия экспериментов. Новая серия экспериментов. Более детальное подтверждение выводов предыдущих экспериментов. Более детальное подтверждение выводов предыдущих экспериментов. Исследование хвоста мини-магнитосферы. Исследование хвоста мини-магнитосферы. Обнаружение новых фактов, подтверждающих модель мини-магнитосферы, основанной на двухжидкостных эффектах, описываемых Холловским членом в законе Ома. Обнаружение новых фактов, подтверждающих модель мини-магнитосферы, основанной на двухжидкостных эффектах, описываемых Холловским членом в законе Ома. Содержание работы

8 CO 2 laser beams plasma gun Экспериментальная установка КИ-1 Вакуумная камера 1,25×5м, Toрр Вакуумная камера 1,25×5м, Toрр Источник однородного магнитного поля B o 1000 Гс Источник однородного магнитного поля B o 1000 Гс Серия компактных диполей = Гс·см 3 Серия компактных диполей = Гс·см 3 Электронные и ионные пучки кВ, 1-10 кА Электронные и ионные пучки кВ, 1-10 кА CO 2 лазер с выходной энергией до 1 кДж с разделением до 4 пучков CO 2 лазер с выходной энергией до 1 кДж с разделением до 4 пучков Тета-пинч для создания потока плазмы во всей камере Тета-пинч для создания потока плазмы во всей камере Диагностика: быстрое фотографирование, зонды, спектральный анализ, автоматизированная система регистрации и обработки Диагностика: быстрое фотографирование, зонды, спектральный анализ, автоматизированная система регистрации и обработки

9 Схема эксперимента

10 Параметры эксперимента размер магнитосферы R M 10 cм число Маха-Альвена M A >3 размер диполя R P =2.5 cм число Маха M S 3 температура электронов T e =5 –10 эВ число Рейнольдса R me ~100 скорость V o 100 км/с число Кнудсена ii /R M >100 концентрация плазмы n i см -3 параметр Холла L pi /R M =0.8

11 Пример зондовых измерений Временная динамика вариации магнитного поля и ионного тока, измеренный внутри магнитосферы в точке X=3 см, Z=0. Прямые линии обозначают интервал времени существования квази-стационарной магнитосферы и уровни магнитного сжатия, поддерживаемого потоком. Синяя линия показывает ионный ток, измеренный в отсутствии дипольного поля, голубая – в дипольном поле. р~300 дин/см 2

12 Профили вариации магнитного поля и ионного тока, измеренные вдоль оси X при Z=0 в момент времени примерно 30 сек. Вертикальные линии обозначают измеренное (Rm) и расчетное (RM) положение магнитопаузы, пограничный слой (стрелка), предельную границу Штермера и радиус диполя.

13 Фронтальное пересечение магнитосферы В отличие от дипольной компоненты B Z некомпланарная компонента поля B Y не меняет знак при инвертировании дипольного момента !!! Ионы проникают внутрь мини-магнитосферы, но электроны там неподвижны !!!

14 Пересечение в хвосте (X= -R m )

15 Пересечение в хвосте (X= -2 Rm)

16 Анализ методом минимальной вариации Представление вектора магнитного поля в системе координат минимальной вариации:

17 Ионный ток и электрический ток в хвосте В центральном слое хвоста электроны неподвижны!!! Плазма заполняет центральный слой хвоста непрямым образом в отличии от лобных долей

18 Нижнегибридные осцилляции Интенсивные нижнегибридные колебания локализованы во фронтальной части магнитосферы и центральном слое хвоста, т.е. там, где электроны неподвижны.

19 Выводы Систематические измерения во фронтальной части мини-магнитосферы дали неоспоримое свидетельство тому, что некомпланарная компонента компонента магнитного поля положительна сверху экватора, отрицательна снизу независимо от ориентации дипольного момента. Более того, электрический ток, связанный с компонентой примерно равен по величине ионному току и совпадает с ним по направлению. Это доказывает, что за генерацию некомпланарного поля ответственен Холловский член, и что проникновение ионов внутрь магнитосферы без адвекции дипольного поля объясняется тем, что электроны внутри магнитосферы неподвижны. Систематические измерения во фронтальной части мини-магнитосферы дали неоспоримое свидетельство тому, что некомпланарная компонента компонента магнитного поля положительна сверху экватора, отрицательна снизу независимо от ориентации дипольного момента. Более того, электрический ток, связанный с компонентой примерно равен по величине ионному току и совпадает с ним по направлению. Это доказывает, что за генерацию некомпланарного поля ответственен Холловский член, и что проникновение ионов внутрь магнитосферы без адвекции дипольного поля объясняется тем, что электроны внутри магнитосферы неподвижны. Пересечения позади диполя обнаружили, что мини-магнитосфера обладает хорошо структурированным хвостом, состоящим из долей или мантии, и центрального токового слоя с разреженной плазмой. Пересечения позади диполя обнаружили, что мини-магнитосфера обладает хорошо структурированным хвостом, состоящим из долей или мантии, и центрального токового слоя с разреженной плазмой. Необычным является то, что в областях мантии, примыкающих к погранслою, некомпланарная компонента дает основной вклад в полное поле. Вектор поля совершает специфическое вращение вокруг оси хвоста, и этот факт может быть использован при интерпретации спутниковых наблюдений. В ходе пролета хвоста мини-магнитосферы относительно близко к диполю должен наблюдаться либо обычный реверс поля направленного вдоль хвоста, либо почти 90 o вращение поля в лобных долях до пересечения токового слоя. Это будет зависеть от того, в какой плоскости происходит пересечение – экваториальной или меридиональной. Необычным является то, что в областях мантии, примыкающих к погранслою, некомпланарная компонента дает основной вклад в полное поле. Вектор поля совершает специфическое вращение вокруг оси хвоста, и этот факт может быть использован при интерпретации спутниковых наблюдений. В ходе пролета хвоста мини-магнитосферы относительно близко к диполю должен наблюдаться либо обычный реверс поля направленного вдоль хвоста, либо почти 90 o вращение поля в лобных долях до пересечения токового слоя. Это будет зависеть от того, в какой плоскости происходит пересечение – экваториальной или меридиональной.

20 Выводы Было обнаружено, что в центральном токовом слое компонента электрического тока вдоль хвоста близка ионному току, что также характерно для фронтальной части мини-магнитосферы. Таким образом, электроны должны быть неподвижны в этих областях. Этот вывод также подтверждается тем, что центральный токовый слой заселяется плазмой непрямым образом. Другой косвенный фактор – присутствие в этих областях интенсивных нижнегибридных осцилляций. Было обнаружено, что в центральном токовом слое компонента электрического тока вдоль хвоста близка ионному току, что также характерно для фронтальной части мини-магнитосферы. Таким образом, электроны должны быть неподвижны в этих областях. Этот вывод также подтверждается тем, что центральный токовый слой заселяется плазмой непрямым образом. Другой косвенный фактор – присутствие в этих областях интенсивных нижнегибридных осцилляций. Сравнение представленных новых данных с результатами численного 2-х мерного Холловского МГД моделирования и аналитической моделью (Shaikhislamov et al 2013) показывает очень хорошее качественное согласие. Модель и численное моделирование предсказывают, что фронтальная часть мини-магнитосферы и центральный токовый слой содержат квазистационарную замкнутую популяцию электронов, а электроны потока обтекают мини-магнитосферу вдоль магнитопаузы, а в хвосте заполняют погранслой и мантию. Сравнение представленных новых данных с результатами численного 2-х мерного Холловского МГД моделирования и аналитической моделью (Shaikhislamov et al 2013) показывает очень хорошее качественное согласие. Модель и численное моделирование предсказывают, что фронтальная часть мини-магнитосферы и центральный токовый слой содержат квазистационарную замкнутую популяцию электронов, а электроны потока обтекают мини-магнитосферу вдоль магнитопаузы, а в хвосте заполняют погранслой и мантию.