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

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 RE (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:2

)(22)(

XB

EmEXW

Z

YLY

, где EY – электрическое поле утро-вечер BZ - перпендикулярная ТС компонента локального магнитного поля

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 долейхвоста к НС.

Два типа ионных пучков в PSBL.

Выполнен анализ 995 пересечений PSBL спутником Geotail на X = -20 RE - -220 RE (1993-1995)

Общее свойство: узкое питч-угловое распределения на высокоширотной границеPSBL.

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.

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 происходитвблизи Х-линии, которая находится на |Х| < 46 RE

Geotail на [-46,1,-6] RE

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 линиймагнитного поля

Бимлет коллимирован по энергии: ΔV||/V|| ~ 0.1

Резонансное ускорение в локализованном источнике.

Geotail на [-46,1,-6] RE

Grigorenko et al., JGR, 2009 (in press)

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.

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 RE

даже на X ~ -110 RE

•энергии < 30 keV энергии до 140 кэВ

•температуры температурыэлектронов в PSBL электронов в PSBL< 1 keV > 1 кэВ

•типичные времена типичные временанаблюдения 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.

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

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 пространствеисточнике, 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.

x-line at x = -20 Revdetector at -6 Re

Z-10 0 10

10

30W, keV

ΔW

-10 0 100

30W, keV

Influence of magnetic field topology

x-line at x = -80 Revdetector at -20 Re

ЗаключениеПлазменные 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 <5мин. Есть транзиентные эффекты указывающие на прекращение генерации.

“Стохастическое” пересоединение в дальнем хвосте

•На высокоширотной границе PSBL нет явных признаков пересечения магнитной сепаратриссы: функции распределения электронов изотропны.

•Энергии электронов < 1 keV и постепенно растут к НС.

•Коллимированные по энергиям ионные пучки с энергиями ≤ 20 кэВ

•Большая длительность наблюдения ионных пучков (до 23 мин). Отсутствие транзиентных эффектов (нет признаков прекращения ускорения).

•Пространственная локализация в направлениях перпендикулярно магнитному полю: ΔY(∆Z) < 1 RE