Два режима неадиабатического ускорения ионов в Токовом Слое геомагнитного хвоста. Григоренко Е.Е., Зеленый Л.М., Долгоносов М.С. Институт космических исследований. - презентация

1 Два режима неадиабатического ускорения ионов в Токовом Слое геомагнитного хвоста. Григоренко Е.Е., Зеленый Л.М., Долгоносов М.С. Институт космических исследований РАН, Москва, Россия

2 Ионные пучки в PSBL. Предыдущие исследования. PSBL - переходная область между лобами хвоста и плазменным слоем, в которой часто наблюдаются пучки ускоренных в ТС ионов, движущихся вдоль магнитного поля с V || 1000 km/s (E ~ десятки кэВ) В большинстве случаев при наблюдениях на X -30 R E (ISEE-1,2, Интербол-1, Wind, Geotail, Cluster), ионные пучки на высокоширотной границе PSBL движутся к Земле, т.е. их источник расположен в более дальних областях ТС. (DeCoster and Frank, 1979; Eastman et al., 1984; Takahashi and Hones 1988; Parks et al., 1998, 1999; Grigorenko et al., 2002; and so on...) В процессе неадиабатического взаимодействия с ТС ионы приобретают энергию:, где E Y – электрическое поле утро-вечер B Z - перпендикулярная ТС компонента локального магнитного поля

3 Если спутник находится достаточно далеко от источника, то структура PSBL будет обусловлена пространственной фильтрацией частиц с разными движущихся с разными скоростями V || вдоль Z: Наличие электрического поля утро-вечер приводит к дрейфу частиц (E x B), из долей хвоста к НС.

4 Два типа ионных пучков в PSBL. Выполнен анализ 995 пересечений PSBL спутником Geotail на X = -20 R E R E ( ) Общее свойство: узкое питч-угловое распределения на высокоширотной границе PSBL. Различия: Ширина функций распределения по V || (ΔV || /V || ~ 0.1 – 0.8) Энергии ~5000 – 35 кeV и более. Изотропные/анизотропные электронные функции распределения по скоростям. Электронные температуры в PSBL от нескольких сот эВ до нескольких кэВ. Эти различия могут быть обусловлены разными условиями ускорения ионов из-за различной близости источников к Х-линии.

5 Наблюдение в PSBL ионного пучка ускоренного вблизи Х-линии. Энергичный (V || > 2500 км/с) и широкий по V || (ΔV || /V || ~ 0.8) ионный пучок движется в хвост. Одновременно с ионным пучком наблюдаются электроны с анизотропной вдоль магнитного поля функцией распределения. Температура электронов в PSBL ~ 2 кэВ На границе PSBL-lobe функция распределения электронов состоит из холодного пучка движущегося к источнику ускорения и ускоренных электронов движущихся из источника. Ускорение ионов происходит вблизи Х-линии, которая находится на |Х| < 46 R E Geotail на [-46,1,-6] R E

6 Наблюдение бимлета ускоренного на замкнутых силовых линий магнитного поля. Долгоживущий бимлет Бимлет движущийся к Земле наблюдается в PSBL в течение 20 мин. Скорость бимлета неизменна в течение всего интервала V || ~ 1200 км/с. Температура электронов в PSBL < 1 кэВ. Ускорение в ТС квазистационарно Функции распределения электронов по скоростям регистрируемые вместе с бимлетом, а также на более высоких широтах изотропны. Ионы ускоряются в области замкнутых силовых линий магнитного поля Бимлет коллимирован по энергии: ΔV || /V || ~ 0.1 Резонансное ускорение в локализованном источнике. Geotail на [-46,1,-6] R E Grigorenko et al., JGR, 2009 (in press)

7

8

9 Ускоренные ионные пучки не наблюдались в 44% случаях (437 пересечений PSBL) Пучки ускоренные на замкнутых силовых линиях наблюдались в 20% случаев (200 пересечений) Пучки ускоренные вблизи Х-линии наблюдались в 27% (268 пересечений) В 9% случаях (91 пересечение PSBL) наблюдались «переходные» распределения (превращение коллимированного по энергиям пучка в широкий и наоборот). Частота наблюдения в PSBL ионных пучков разных типов.

10 Пучки на закрытых Пучки ускоренные линиях вблизи Х-линии наблюдаются в наблюдаются при спокойные периоды; любых АЕ; большинство более 60% движутся в движется к Земле хвост уже при X -50 R E даже на X ~ -110 R E энергии < 30 keV энергии до 140 кэВ температуры электронов в PSBL 1 кэВ типичные времена наблюдения 3-8 мин наблюдения 1-4 мин. иногда до 23 мин Пучки ускоренные вблизи Х-линии Пучки ускоренные на замкнутых линиях Статистический анализ характеритик двух типов пучков.

11 Статистика распределения энергий ионных пучков в направлении ~утро-вечер Предельная энергия W получаемая частицей при ускорении в ТС стационарным электрическим полем утро-вечер E: W = E·ΔY, где ΔY - расстояние от границы утреннего фланга до Y-координаты места регистрации пучка в PSBL. Распределение W(Y) пучков ускоренных на закрытых линиях ~ соответствует сценарию их ускорения в ТС квазистационарным электрическим полем утро-вечер. Однако, распределение W(Y) ионных пучков ускоренных вблизи Х-линии невозможно объяснить одним лишь квазистационарным механизмом ускорения. Индукционные электрические поля возникающие в области магнитной турбулентности вблизи Х-линии могут вносить вклад в ускорение, особенно для энергичных пучков наблюдаемых на утреннем фланге. Ускорение на закрытых линиях Ускорение вблизи Х-линии

12 Ускорение ионов происходит в локализованных областях (резонансах). Каждый резонанс производит коллимированный по энергиям пучок: ΔV || /V || ~0.1 Ускорение ионов происходит в более протяженном в пространстве источнике, находящимся вблизи Х-линии. Статистически такое ускорение происходит ближе к Земле (хвост с ближней Х-линией). Источник генерирует широкий по V || пучок: ΔV || /V || ~0.8 Ускорение вблизи Х-линии Ускорение на закрытых линиях Возможные сценарии ускорения ионов в ТС в области закрытых силовых линий и вблизи магнтной сепаратриссы.

13 x-line at x = -20 Rev detector at -6 Re Z W, keV ΔWΔW W, keV Influence of magnetic field topology x-line at x = -80 Rev detector at -20 Re

14 Переходный случай: Х-линия приближается к Земле и ближайшие к ней резонансы начинают перекрываться (переход от кинетической картины к МГД). Магнитные топологии хвоста определяющие характеристики ионных распределений в PSBL Магнитное пересоединение (возможно стохастическое) - в дальнем хвосте. Кинетическая модель предсказывает коллимированные по энергиям ионные пучки с ΔV || /V || ~0.1 (ионы ускоряются в резонансах). Х-линия формируется вблизи Земли: сильный пространственный градиент магнитного поля – все резонансы перекрылись и единый (макро-источник) сформировался. МГД-картина пересоединения. Слой изотропных негорячих электронов Энергия электронов растет к НС

15 Заключение Плазменные характеристики наблюдаемые в PSBL в двух «экстремальных» режимах ускорения ионов в ТС. Регулярная (MГД) X-линия Есть признаки пересечения магнитной сепаратриссы: анизотропные электроны на высокоширотной границе PSBL Энергии электронов в PSBL сравнимы с энергиями в ПС ( 1 keV) Ионные пучки широкие по параллельным скоростям. Энергии ионных пучков достигают 140 кэВ. Длительности наблюдения