close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Презентация

код для вставкиСкачать
Тонкие токовые слои в магнитосфере Земли:
роль продольной неоднородности в структуре
многомасштабного вложенного слоя.
Попов В.Ю.3,1,4, Зеленый Л.М.1 , Малова Х.В. 2,1,
Петрукович А.П.1
1
2
3
4
ИКИ РАН
НИИЯФ МГУ
Физический ф-т МГУ
Финуниверситет
Восьмая Ежегодная Конференция «Физика Плазмы
в Солнечной Системе» 4 - 8 февраля 2013 г., ИКИ РАН
1
Динамическое взаимодействие солнечного ветра
и магнитосферы
Солнечный ветер
B z (B z x )
1
L x L z B x ( B x z )
1
Z
X
Восьмая Ежегодная Конференция «Физика Плазмы в
Солнечной Системе» 4 - 8 февраля 2013 г., ИКИ РАН
2
Три основных типа тонких токовых слоев (Cluster data )
(Runov et al., Annales Geophysicae, 24, 247–262, 2006)
А. Симметричные с одним пиком в
центре h<2000~5Lp
В. Расщепленный
(«бифурцированный») с двумя пиками
h~4000 km~10Lp
С. Асимметричный
h<2000~5Lp
Восьмая Ежегодная Конференция «Физика Плазмы в
Солнечной Системе» 4 - 8 февраля 2013 г., ИКИ РАН
3
Не Харрисовские свойства ТТС
Наблюдаемая структура TТС:
•
Вложенная структура
•
Анизотропная функция распределения
J y,n
ионов, быстрая плазма течет по силовым
линия магнитного поля
•
Z
Маленькая толщина ~ несколько ионных
Harris profile
гирорадиусов
•
TCS
1-2- пика и ассиметричный профиль
плотности тока
•
Вертикальный флаппинг (B~10 tens of
Jy
nT, time period T~10 sec – several minutes)
n
Z4
Runov et al., PSS, 2005
Восьмая Ежегодная Конференция «Физика Плазмы в
Солнечной Системе» 4 - 8 февраля 2013 г., ИКИ РАН
Функция распределения протонов не гиротропна
3 случая ТТС
vy км/с
Спайсеровские
ионы
Квазизахваченные
ионы
vx км/с
vx км/с
vx км/с
Результаты аналитического моделирования
vy км/с
Zelenyi et al. 2004
Particle-in cell model
5
vx км/с
Восьмая Ежегодная Конференция «Физика Плазмы в
Солнечной Системе» 4 - 8 февраля 2013 г., ИКИ РАН
Burkhart et al. 1992
Электронные токи могут быть существенными в вытянутых слоях
Geotail data: VERY THIN current sheets
with thickness about 500 km
Cluster’ data: CS with triple peaks
CLUSTER DATA
2 0 0 3 .1 0 .1 8 .0 8 :0 8
40
40
30
j (n A /m 2 )
Nakamura et.al. SSR, 2006
j (n A /m 2 )
30
20
20
10
10
0
0
-0 .2
0
0 .2
z (1 0 0 0 k m )
Восьмая Ежегодная Конференция «Физика
Плазмы в Солнечной Системе» 4 - 8
0 .4
-8
-4
0
B l (n T )
4
6
Artemyev et al., Geocosmos, 2008
8
Вопросы:
Как ТТС формируются в магнитосфре? Какие
механизмы определяют их структуру?
Какова природа бифурцированных тройных
ТТС и ТТС с пиками на профиле тока?
Какова роль сильных электронных токов и
захваченной плазмы?
…….
Восьмая Ежегодная Конференция «Физика
Плазмы в Солнечной Системе» 4 - 8
февраля 2013 г., ИКИ РАН
7
Stress balance:
Ponderomotive force F=
Isotropic pressure
models (Kan, 1973)
vy
1
j y Bn c x
p
vx
Z
X
Anisotropic pressure models
(Zelenyi et al., 2000)
R c m in
m ax
v II2
1
F= j y B n c
R curv
Z
<<1
X
2
B0
8
n 0 T e T i Across TCS stress balance is the same that in Harris’ model
Восьмая Ежегодная Конференция «Физика
Плазмы в Солнечной Системе» 4 - 8
февраля 2013 г., ИКИ РАН
8
Популяции плазмы в магнитосфере Земли
Convection
Quasi-trapped
(cucumber) ion orbit
“cucumber” orbit
Z
Z
Y
Jy
Speiser orbit
Speiser ion orbit
Основные плазменные источники:
Солнечный ветер,
Ионосфера,
Магнитосферная
конвекция
Восьмая Ежегодная Конференция «Физика
Плазмы в Солнечной Системе» 4 - 8
февраля 2013 г., ИКИ РАН
9
Временные масштабы движения частиц в ТТС
1 Энергия,
2 Обобщенный импульс
3. квазиадиабатические
инварианты движения
Сохраняются на
траекториях движения
частиц
Quasi-trapped
(“cucumber”) orbit
x
z
~
Bz
B0
~
<<
1
B
X
Y
Z
W0 2
Tf~z-1
Iz 1
• Быстрое движение
2
m
• Медленное движение Ts~x-1 >>Tf
Ix 2
• Очень медленное движение
Восьмая Ежегодная Конференция «Физика
в Солнечной Системе» 4 - 8
Tvs~Tconvection >>TsПлазмы
февраля 2013 г., ИКИ РАН
2
2
e
2
Py 0 m v y Jy
m (v x v y v z )
2
2
m v0
e
c
Ay ( x, z )
m v z dz const
I z
v
x
Iz
dx const
10
Neistadt, 1986; Timofeev, 1978
Cary, Escande, Tennyson, 1986
Стохастическая диффузия квазиадиабатического инварианта
Диффузия квазиадиабатического инварианта
I z
Ток захваченных частиц отрицателен в центре
ТТС
“cucumber” orbit
Z
Z
Y
Jy
Speiser orbit
Восьмая Ежегодная Конференция «Физика
Плазмы в Солнечной Системе» 4 - 8
февраля 2013 г., ИКИ РАН
11
Функции распределения ионов
Пролетные (Спайсеровские) ионы
(v
f tra n sien t ( v ) ~ exp 0
2
2
vD ) v 2
vT
v D2 v 02 f tra p ( v ) ~ ex p 2
vT
На границе ТС
z=L
Iz m
2
v
z
dz
zL
v0 v x v y v z 2
2
2
f ( v ) ~ ex p 2
2
2mc
2
m
m v
v 2
0
m
2
0
2
v0 I z vD Iz m
m
;
2
vT
0
Ix 2 B0
e
e ( z )
Квази-захваченные ионы
(огурцовые орбиты) и
захваченные (круговые орбиты)
m
2
m v y vx
2
v
x
dx Bz
2
B0 0
Iz
0
2
2
v D v0 Ix m
f ( v ) ~ ex p 2
v
T
Восьмая Ежегодная Конференция «Физика
Плазмы в Солнечной Системе» 4 - 8
февраля 2013 г., ИКИ РАН
12
Анизотротропное электронное давление в ТТС: вычисление электронных токов
J e
E, B
c
c
en e c
2 B , p e 4 p IIe p e B , B B 2
B
B
B Rcurv
1/Rcurv
eRcurv минимален
Jy
Электронный дрейф
кривизны
Восьмая Ежегодная Конференция «Физика
Плазмы в Солнечной Системе» 4 - 8
февраля 2013 г., ИКИ РАН
13
Самосогласованная модель ТТС
Восьмая Ежегодная Конференция «Физика
Плазмы в Солнечной Системе» 4 - 8
февраля 2013 г., ИКИ РАН
14
2D модель кинетического ТС
df dt 0
r
B B x ( x , z ), 0, B z ( x , z )
v y f tra n sien t ( v 0 , I z ) d 3 v
3
Bx
Bz
4 V
3
z
x
c v f
3 y tra p p ed ( v 0 , I x ) d v j e ( x , z ) V
E, B
c
c
B , B B j e en e c
B
,
p
p
p
e
IIe
e
2
2
B4
B
B Восьмая Ежегодная Конференция «Физика
Плазмы в Солнечной Системе» 4 - 8
февраля 2013 г., ИКИ РАН
15
Уравнения типа Грэда-Шафранова для 2D ТС
4 3
v
f
W
,
I
(
x
,
z
),
I
(
x
,
z
)
d
v
j
y
0
x
z
e x
z
c V
B z
B x
+ краевые условия
Iz m
2
m
2
v
z
dz
2
2
e
e
2e
v vx B y ( z z ') m v y A
(
x
,
z
)
A
(
x
',
z
')
( x , z ) ( x ', z ') d z '
y
y
m
c
m
c
m
2
0
z'
A y ( x , z ) A y ( x ', z ') B
z
Ix m
2
v
x
dx m
2
x
x
( z '') dz '' B
z
( x '') dx ''
x'
2
e
2e
v v vy A
(
x
,
z
)
A
(
x
',
z
)
( x , z ) ( x ', z ) dx '
y
y
mc
m
2
x
2
y
Восьмая Ежегодная Конференция «Физика
Плазмы в Солнечной Системе» 4 - 8
февраля 2013 г., ИКИ РАН
16
Уравнения типа Грэда-Шафранова для 2D ТС
Ay 4
c
[ j i (W 0 , I x , I z ) j e ]
+ краевые условия
Iz m
2
m
2
v
z
dz
2
2
e
e
2e
v vx B y ( z z ') m v y A
(
x
,
z
)
A
(
x
',
z
')
( x , z ) ( x ', z ') d z '
y
y
m
c
m
c
m
2
0
z'
A y ( x , z ) A y ( x ', z ') B
z
Ix m
2
v
x
dx m
2
x
x
( z '') dz '' B
z
( x '') dx ''
x'
2
e
2e
v v vy A
(
x
,
z
)
A
(
x
',
z
)
( x , z ) ( x ', z ) dx '
y
y
mc
m
2
x
2
y
Восьмая Ежегодная Конференция «Физика
Плазмы в Солнечной Системе» 4 - 8
февраля 2013 г., ИКИ РАН
17
2D distribution of partial current densities
Towards X-line
Towards the Earth
Speiser’s ions
Z
Quasi-trapped ions
X
Y
Electrons
Восьмая Ежегодная Конференция «Физика
Плазмы в Солнечной Системе» 4 - 8
февраля 2013 г., ИКИ РАН
18
2D профиль тока в ТТС
Earth
Вектор-потенциал
vector potential Ay(x,z)
Ay(x,z)
Восьмая Ежегодная Конференция «Физика
Плазмы в Солнечной Системе» 4 - 8
февраля 2013 г., ИКИ РАН
19
Роль квази-захваченной плазмы в формировании структуры 2D TТС
QT ion density is small
E
ТС CS is bifurcated in its near-Earth’s
edge triply splitted in downtail
E direction
E E E
ktrap=50
ktrap=1
E
E
E
E
E
Large density of
QT ions–TCS is
bifurcated
Ktrap=100
Восьмая Ежегодная Конференция «Физика
Плазмы в Солнечной Системе» 4 - 8
февраля 2013 г., ИКИ РАН
20
Ktrap=200
Radial distribution of magnetic field and current density in 2D TCS
Towards the Earth
Bz2
Towards X-line
Nakamura et.al. SSR, 2006
0
25
Z
Bz1
X
50
Y
1
0.4
X
0
25
50
0.3
X, L
0
25
50
0.8
0.6
0.4
0.2
Bx
Jy
0.2
0
-6
-0.2
0.1
-4
-2
0
2
4
6
z
-0.4
-0.6
0
-12
-8
-4
0
z
Hoshino et al., JGR, 1996
4
8
12
-0.8
-1
Восьмая Ежегодная Конференция «Физика
Плазмы в Солнечной Системе» 4 - 8
февраля 2013 г., ИКИ РАН
Boundary values are Bz1=0.3B0,, Bz2=0.2B0
21
Contribution of ions on quasi-trapped orbits in magnetotail current sheet
Cucumber ions
Speiser ions
0.2
0.3
X
0
25
50
0.2
0.1
Jy
Jy
0
0.1
-4
-2
0
2
4
Z
-0.1
X
-0.2
0
25
50
-0.3
Ktrap=100
0
-8
-4
0
Z
4
8
B
X
Z
Y
“cucumber” orbit
Jy
Z
Z
Y
Восьмая Ежегодная Конференция «Физика
Плазмы в Солнечной Системе» 4 - 8
февраля 2013 г., ИКИ РАН
22
Speiser orbit
Jy
2D distribution of total current density:
contribution of quasi-trapped ions leads to TCS splitting
0.4
X
0
25
50
Jy
0.3
0.2
0.1
0
B
-8
-4
0
4
8
Z
X
Z
Y
“cucumber” orbit
Jy
Z
Z
Y
Восьмая Ежегодная Конференция «Физика
Плазмы в Солнечной Системе» 4 - 8
февраля 2013 г., ИКИ РАН
23
Speiser orbit
Jy
Восьмая Ежегодная Конференция «Физика
Плазмы в Солнечной Системе» 4 - 8
февраля 2013 г., ИКИ РАН
24
Conclusions
Показано, что за неоднородность структуры ТТС в продольном
направлении отвечают электроны и квази-захваченные ионы, в то время,
как пролетные ионы поддерживают почти 1D ТС.
Плотность квази-захваченных ионов увеличивается с ростом Bz , что
приводит к расщепленной структуре ТС.
В областях с малым Bz профиль плотности тока Jy формируется в
основном токам электронов и пролетных ионов. Амплитуда Jy обратно
пропорциональна Bz.
2D самосогласованная квази-адиабатическая модель (Iz const, Ix const) is
способна воспроизводить структуру 2D ТС.
Восьмая Ежегодная Конференция «Физика
Плазмы в Солнечной Системе» 4 - 8
февраля 2013 г., ИКИ РАН
25
Спасибо за внимание!
Восьмая Ежегодная Конференция «Физика
Плазмы в Солнечной Системе» 4 - 8
февраля 2013 г., ИКИ РАН
26
Документ
Категория
Презентации по физике
Просмотров
2
Размер файла
8 600 Кб
Теги
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа