Динамика токовых слоев в околоземной плазме. Механизмы суббури

Моделирование плазменных структур в космосе - актуальнейшая проблема современной физики, имеющая особенное значение в связи с новыми спутниковыми миссиями, призванными расширить границы познания природы человечеством. В последние годы были осуществлены или находятся в разработке проекты запуска одновременно нескольких спутников (например, CLUSTER) для проведения многоточечных экспериментов в космосе. Так, эксперимент CLUSTER позволил исследовать тонкую временную и пространственную структуры многих плазменных процессов в магнитосфере Земли, которые до сих пор были мало изучены. Например, были подтверждены идеи, выдвинутые еще в 60 г.г., о существовании в магнитосфере тонких токовых слоев (ТТС) - особых пограничных структур, исследованием которых многие годы занимается особая теоретическая группа Института Космических Исследований РАН, которая давно и успешно сотрудничает с профессором кафедры математики А. А. Быковым и доцентом той же кафедры В. Ю. Поповым.

Ими созданы уникальные комплексы программ моделирования самосогласованных ТТС, которые активно используется в Институте Космических Исследований РАН для проведения теоретических исследований структуры и эволюции ТТС в магнитосфере Земли. Результаты, полученные в результате математического моделирования и вычислительных экспериментов, не только хорошо согласуются с экспериментальными данными, но и позволили предсказать новые эффекты в динамике магнитосферных плазменных процессов.

Разработанные алгоритмы и комплексы программ позволили вывести на новый, более высокий, научный уровень теоретические исследования в области магнитосферной геофизики. Так, за последние 5 лет опубликовано более 30 научных работ, основанных на результатах математического моделирования магнитосферной плазмы. Ежегодно результаты докладывались на многих международных конференциях и имели неизменную поддержку и успех у мирового научного сообщества.

1. Структура многокомпонентных токовых слоев. Тонкие токовые слои (ТТС) толщиной порядка ионного гирорадиуса часто наблюдаются при спутниковых измерениях в хвосте магнитосферы Земли во время суббурь. Экспериментальные наблюдения свидетельствуют о том, что в эти периоды в хвосте магнитосферы появляется значительное количество ионов кислорода O+, которые приходят из ионосферы. Вопросы об их роли в динамике токовых слоев или 'триггерном переключении' суббурь до сих пор мало изучены, были сделаны только приближенные оценки относительного вклада ионов О+ в ток поперек магнитосферного хвоста.

Развита самосогласованная теоретическая модель многокомпонентного ТТС, плазма которого состоит из протонов, ионов O+ и электронов. Модель представляет собой систему нормализованных уравнений типа Грэда-Шафранова. Предполагается, что натяжение магнитных силовых линий уравновешивается силой инерции ионов, а быстрые электроны поддерживают квазиравновесное больцмановское распределение вдоль силовых линий.

На основании численных расчетов получены самосогласованные профили плотностей тока, плазмы и магнитных полей как функции безразмерной координаты Z в солнечно-магнитосферной системе координат. На рис. 1 показаны профиль полной плотности тока в токовом слое и парциальные профили для трех компонент плазмы, показывающие эффективное расширение токового слоя за счет тяжелых ионов в плазме; последние доминируют на краях токового слоя. Проведен анализ зависимости структуры ТС от отношения температур To+/Th+ на границах слоя. На рис. 2 представлен график зависимости интегральных токов от отношения концентраций n(o+)/n(h+) на краях слоя. Можно видеть, что вклад тока ионов О+ в полный ток не превышает 30-35%. Результаты моделирования согласуются со спутниковыми наблюдениями.

Показано, что ТТС имеют вложенную структуру. Так, узкий электронный ток в центре (дрейф анизотропных электронов) как бы вложен внутрь более широкого тока протонов. Последний вложен внутрь еще более широкого тока ионов кислорода. Токовый слой в целом вложен внутрь плазменного слоя. Таким образом, модель позволяет описать профиль ТТС с четырьмя уровнями вложенных плазменных структур. Представленные здесь результаты исследования самосогласованных многокомпонентных ТТС могут быть применены для объяснения механизмов формирования профилей магнитосферных токовых слоев в хвосте и на границах магнитосферы.

2. Анализ динамики частиц в бифурцированных несимметричных токовых слоях. Методом трассирования ионов и сечений Пуанкаре исследована нелинейная динамика заряженных частиц в расщепленных (бифурцированных) и нерасщепленных токовых слоях, которые обнаруживаются на ближнем к Земле крае токового слоя во время суббурь. Показано, что общая структура фазового пространства, включающая в себя области пролетных (спейсеровских), захваченных и квазизахваченных частиц, слабо зависит от самого факта бифуркации токового слоя, особенно в случае симметричного относительно нейтральной плоскости профиля. Однако, фазовое пространство может быть существенно другим в случае, когда бифурцированный слой несимметричный, т. е. ширины и амплитуды двух максимумов его различны. В несимметричных слоях фазовая область квазизахваченной плазмы как бы 'вытесняет' область пролетных частиц, которые являются носителями тока. Поскольку квазизахваченные частицы имеют почти замкнутые орбиты, и полный ток их близок к нулю, сокращение доли пролетных частиц может приводить к полному разрушению самосогласованной структуры токового слоя. Таким образом, степень асимметрии токового слоя может являться одним из ключевых параметров, определяющих динамику слоя в целом. Поскольку несимметричные токовые слои в природе встречаются достаточно часто, механизм разрушения слоя под влиянием накопления в нем квазизахваченной плазмы может играть существенную роль в суббуревой динамике.