На КОНКУРС НАУЧНЫХ РАБОТ 2006-2007 гг.

 

 

 

Об особенностях процессов переноса на границе магнитосферы: роль электрического поля и нелинейных магнитных барьеров.

 

С. П. Савин, А. А. Скальский, С. А. Романов, Е.А. Кузнецов

 

Серия статей посвящена экспериментальному исследованию роли неоднородного электрического поля и нелинейных магнитных структур в переносе и нагреве плазмы на границе магнитосферы, а также сравнению экспериментальных результатов с теоретическими работами и численным моделированием приграничной турбулентности.

Впервые по данным 4 КА КЛАСТЕР экспериментально показана разница в измерениях потока ионов и дрейфа плазмы в скрещенных полях за счет эффекта конечного гирорадиуса протонов и продемонстрирован механизм ускорения обтекающей плазмы при инерционном дрейфе в неоднородном электрическом поле на тонкой (сравнимой с величиной гирорадиуса протона) магнитопаузе. Сравнение с аналогичными данными ИНТЕРБОЛА-1 показывает, что эти процессы характерны для микромасштабов на границе движущихся плазм, и открывают новый тип передачи вещества через такие границы и возможность комбинированного нагрева плазмы в неоднородном электрическом поле с наложенной магнитной турбулентностью. Например, за счет совместного действия магнитных и электрических сил внутри токового слоя без магнитного пересоединения обеспечивается измеряемый приток солнечной плазмы и повышение ее эффективной температуры непосредственно под высокоширотной магнитопаузой. Одновременно, в более глубоких прилегающих погранслоях, выявлены черты как непосредственного проникновения плазмы через полярные каспы (вверх по течению от места наблюдения), так и персоединения магнитных силовых линий в нескольких радиусах Земли на дневной части магнитопаузы.

Т.о. эксперимент показывает выход из, казалось бы, неразрешимой дилеммы: пересоединение магнитных полей или микродиффузия определяют основной приток солнечной плазмы в земную магнитосферу - их вклад в общем случае сравним, и необходимы многоточечные измерения на микро- и макромасштабах, чтобы определить их взаимную роль.

Проведенное исследование влияния нелинейных микроструктур на свойства пограничного слоя между движущимися плазмами, достаточно неожиданно, показало, что при 3х-мерном характере возмущений поток набегающей плазмы может спровоцировать 'опрокидывание' магнитных силовых линий на границе, т.е. привести к Альвеновскому коллапсу магнитного поля, сопровождаемых ростом магнитных барьеров между плазмами. Это, в противоположность предыдущему, означает функционирование до сих пор не рассматриваемого в нашей отрасли науки механизма генерации магнитного поля, обеспечивающего разделения движущихся сред. Концепция Альвеновского коллапса была обобщена нами на случай конечного гирорадиуса протонов, что позволило предсказать наличие равновесного течения с тепловой скоростью протонов в окрестности барьеров с масштабами, сравнимыми с гирорадиусом протонов. И действительно, такое течение было обнаружено по данным как КА КЛАСТЕР, так и ИНТЕРБОЛ-1 как раз в областях микробарьров, вырастающих до магнитного давления порядка доминирующего теплового давления взаимодействующих плазм. Несколько неожиданным оказался тот экспериментальный факт, что специфичный погранслой с таким околозвуковым течением плазмы и магнитными микробарьерами может наблюдаться в квази-статическом режиме не расстояниях до радиуса Земли.

И наконец, было проведено численное моделирование погранслоя с измеренной микротурбулентностью и неоднородным электрическим полем, которое подтвердило как усиление процессов взаимного проникновения плазмы под действием 2 комбинированных факторов, так и эффективный нагрев плазмы. Последнее количественно согласуется с наблюдением на КА КЛАСТЕР нагрева однозарядных ионов кислорода при проникновении их из магнитосферы в обтекающий поток солнечной плазмы.

 

Список работ, представляемых на Конкурс

 

 

S. Savin, E. Amata, M. Andre, et al., Experimental study of nonlinear interaction of plasma flow with charged thin current sheets: 2. Hall dynamics, mass and momentum transfer, Nonlin. Proc. Geophys. 11, 377-392 (2006).

 

Kuznetsov, E. A., Savin, S., Amata, E., Dunlop, M., Khotyaintsev, Y. et al., Strong space plasma magnetic barriers and Alfvenic collapse, JETP Lett. (Письма в ЖЭТФ) 85, 288-293, (2007)

 

Amata, E., Savin, S., Andre, M., et al., Experimental study of nonlinear interaction of plasma flow with charged thin current sheets: 1. Boundary structure and motion, Nonlin.. Proc. Geophys., 13, 365-373 (2006)

 

Taktakishvili, A., G. Zimbardo, E. Amata, S. Savin, A. Greco, P. Veltri, and R. E. Lopez, Ion escape from the high latitude magnetopause: analysis of oxygen and proton dynamics in the presence of magnetic turbulence, Ann. Geophys., 25, 1877-1885 (2007)

 

Романов С.А., К вопросу о нахождении параметров поляризации низкочастотных плазменных волн, Космические Исслед., 45, 282-284 (2007)