Роль ускоренных электронных потоков в генерации интенсивных токовых структур и неидеальных электрических полей во внешней области плазменного слоя

Мұқаба

Дәйексөз келтіру

Толық мәтін

Ашық рұқсат Ашық рұқсат
Рұқсат жабық Рұқсат берілді
Рұқсат жабық Тек жазылушылар үшін

Аннотация

В работе сообщается об обнаружении продольных ускоренных электронных пучков во внешнем (|Bx| ∼ (10 − 20)нТ) Плазменном слое (ПС) геомагнитного хвоста. В этот момент спутники MMS находились с земной стороны от X-линии магнитного пересоединения, в Быстром плазменном потоке (БПП), на фазе накопления суббури. Показано, что продольные электронные пучки создаются сверхтепловой популяцией электронов с энергией ∼ (1− 5)кэВ. Сформировавшись, ускоренные интенсивные электронные пучки являются гиротропными. В процессе эволюции пучков развивается их негиротропия. Это приводит к образованию интенсивных (до ∼ 80 нА / м2) продольных электронных токовых структур. Наблюдения демонстрируют, что ускорение электронов происходит импульсно, на протяжении времени < 5с. Распространение быстрого электронного пучка во внешней плазме приводит к развитию неустойчивостей и генерации интенсивных (∼ 50мВ/м) неидеальных (в системе связанной с потоком электронов) электрических полей с частотами менее электронной гирочастоты ωc,e. Эти поля являются электростатическими, имеют линейную поляризацию. Появление таких полей приводит к нарушению вмороженности электронной плазмы и диссипации энергии. Объемная плотность трансформации энергии достигает ∼ −1000пВт/м3. В спектре неидеального электрического поля обнаружено выполаживание в частотном диапазоне между ионной плазменной ωp,i и электронной циклотронной ωc,e частотами, что свидетельствует о передаче энергии от частиц к волне в данном диапазоне. Изученные явления могут вносить значительный вклад в развитие турбулентности на электронных кинетических масштабах во внешней области ПС.

Авторлар туралы

М. Леоненко

Институт космических исследований РАН; Московский физико-технический институт

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: makarleonen@gmail.com
Ресей, Москва; (Московская обл.) Долгопрудный

Е. Григоренко

Институт космических исследований РАН

Email: makarleonen@gmail.com
Ресей, Москва

Л. Зелёный

Институт космических исследований РАН

Email: makarleonen@gmail.com
Ресей, Москва

Әдебиет тізімі

  1. Zelenyi L.M., Artemyev A.V., Malova K.V et al. Metastability of current sheets // Physics-Uspekhi. 2010. V. 53. Iss. 9. P. 933–941. doi: 10.3367/UFNe.0180.201009g.0973
  2. Angelopoulos V., McFadden J.P., Larson D. et al. Tail reconnection triggering substorm onset // Science. 2008. V. 321. Iss. 5891. P. 931–935. doi: 10.1126/science.1160495
  3. Angelopoulos V., Baumjohann W., Kennel C.F et al. Bursty bulk flows in the inner central plasma sheet // J. Geophysical Research: Space Physics. 1992. V. 97. Iss. A4. P. 4027-4039. doi: 10.1029/91JA02701
  4. Sergeev V., Runov A., Baumjohann W. et al. Current sheet flapping motion and structure observed by Cluster // Geophysical Research Letters. 2003. V. 30. Iss. 6. P. 601–604. doi: 10.1029/2002GL016500
  5. Runov A., Nakamura R., Baumjohann W. et al. Current sheet structure near magnetic X‐line observed by Cluster // Geophysical Research Letters. 2003. V. 30. Iss. 11. P. 331–334. doi: 10.1029/2002GL016730
  6. Runov A., Angelopoulos V., Sitnov M.I et al. THEMIS observations of an earthward‐propagating dipolarization front // Geophysical Research Letters. 2009. V. 36. Iss. 14. P. 1–7. doi: 10.1029/2009GL038980
  7. Sharma A.S., Nakamura R., Runov A. et al. Transient and localized processes in the magnetotail: A review // Annales Geophysicae. 2008. V. 26. Iss. 4. P. 955–1006. doi: 10.5194/angeo-26-955-2008
  8. Grigorenko E.E., Sauvaud J.A., Palin L. et al. THEMIS observations of the current sheet dynamics in response to the intrusion of the high‐velocity plasma flow into the near‐Earth magnetotail // J. Geophysical Research: Space Physics. 2014. V. 119. Iss. 8. P. 6553–6568. doi: 10.1002/2013JA019729
  9. Burch J., Moore T., Torbert R., Giles B. Magnetospheric multiscale overview and science objectives // Space Science Reviews. 2016. V. 199. Iss. 1. P. 5–21. doi: 10.1007/s11214-015-0164-9
  10. Phan T.D., Eastwood J.P., Cassak P.A. et al. MMS observations of electron‐scale filamentary currents in the reconnection exhaust and near the X line // Geophysical Research Letters. 2016. V. 43. Iss. 12. P. 6060–6069. doi: 10.1002/2016GL069212
  11. Wang R., Lu Q., Nakamura R. et al. An electron‐scale current sheet without bursty reconnection signatures observed in the near‐Earth tail // Geophysical Research Letters. 2018. V. 45. Iss. 10. P. 4542–4549. doi: 10.1002/2017GL076330
  12. Leonenko M.V., Grigorenko E.E., Zelenyi L.M. et al. MMS Observations of Super Thin Electron‐Scale Current Sheets in the Earth’s Magnetotail // J. Geophysical Research: Space Physics. 2021. V. 126. Iss. 11. Art.ID. e2021JA029641. doi: 10.1029/2021JA029641
  13. Eastman, T.E., Frank L.A., Peterson W.K. et al. The plasma sheet boundary layer // J. Geophysical Research: Space Physics. 1984. V. 89. Iss. A3. P. 1553–1572. doi: 10.1029/JA089iA03p01553
  14. Fujimoto M., Nagai T., Yokokawa N. et al. Tailward electrons at the lobe‐plasma sheet interface detected upon dipolarizations // J. Geophysical Research: Space Physics. 2001. V. 106. Iss. A10. P. 21255–21262. doi: 10.1029/2001JA900011
  15. Nakamura R., Baumjohann W., Nagai T. et al. Flow shear near the boundary of the plasma sheet observed by Cluster and Geotail // J. Geophysical Research: Space Physics. 2004. V. 109. Iss. A5. Art/ID. A05204. doi: 10.1029/2003JA010174
  16. Grigorenko E.E., Zelenyi L.M., Dolgonosov M.S. et al. Non-adiabatic ion acceleration in the Earth magnetotail and its various manifestations in the plasma sheet boundary layer // Space science reviews. 2011. V. 164. Iss. 1. P. 133-181. doi: 10.1007/s11214-011-9858-9
  17. Grigorenko E.E., Runov A., Angelopoulos V., Zelenyi L.M. Particle beams in the vicinity of magnetic separatrix according to near‐lunar ARTEMIS observations // J. Geophysical Research: Space Physics. 2019. V. 124. Iss. 3. P. 1883–1903. doi: 10.1029/2018JA026160
  18. Nakamura R., Sergeev V.A., Baumjohann W. et al. Transient, small‐scale field‐aligned currents in the plasma sheet boundary layer during storm time substorms // Geophysical Research Letters. 2016. V. 43. Iss. 10. P. 4841–4849. doi: 10.1002/2016GL068768
  19. Leonenko M. V., Grigorenko E. E., Zelenyi L. M. Strong Nonideal Electric Fields and Energy Dissipation Observed by MMS within Field-Aligned Current Layers in the Plasma Sheet of the Earth’s Magnetotail // Atmosphere. 2023. V. 14. Iss. 4. doi: 10.3390/atmos14040722
  20. Tsareva O.O., Leonenko M.V., Grigorenko E.E. et al. Fast tearing mode driven by demagnetized electrons // Geophysical Research Letters. 2024. V. 51. Iss. 8. Art.ID e2023GL106867. doi: 10.1029/2023GL106867
  21. Ergun R.E., Goodrich K.A., Stawarz J.E. et al. Large‐amplitude electric fields associated with bursty bulk flow braking in the Earth’s plasma sheet // J. Geophysical Research: Space Physics. 2015. V. 120. Iss. 3. P. 1832–1844. doi: 10.1002/2014JA020165
  22. Holmes J.C., Nakamura R., Schmid D. et al. Wave activity in a dynamically evolving reconnection separatrix // J. Geophysical Research: Space Physics. 2021. V. 126. Iss. 7. Art.ID. e2020JA028520. doi: 10.1029/2020JA028520
  23. Graham D. B., Khotyaintsev Yu.V., Vaivads A., Andre M. Electrostatic solitary waves and electrostatic waves at the magnetopause // J. Geophysical Research: Space Physics. 2016. V. 121. Iss. 4. P. 3069–3092. doi: 10.1002/2015JA021527
  24. Zhou M., Ashour-Adballa M., Berchem J. et al. Observation of high‐frequency electrostatic waves in the vicinity of the reconnection ion diffusion region by the spacecraft of the Magnetospheric Multiscale (MMS) mission // Geophysical Research Letters. 2016. V. 43. Iss. 10. P. 4808–4815. doi: 10.1002/2016GL069010
  25. Lakhina G. S., Singh S. V., Rubia R. A mechanism for electrostatic solitary waves observed in the reconnection jet region of the Earth’s magnetotail // Advances in Space Research. 2021. V. 68. Iss. 4. P. 1864–1875. doi: 10.1016/j.asr.2021.04.026
  26. Matsumoto H., Kojima H., Miyatake T. et al. Electrostatic solitary waves (ESW) in the magnetotail: BEN wave forms observed by GEOTAIL // Geophysical Research Letters. 1994. V. 21. Iss. 25. P. 2915–2918. doi: 10.1029/94GL01284
  27. Omura Y., Kojima H., Miki N., Matsumoto H. Two-dimensional electrostatic solitary waves observed by Geotail in the magnetotail // Advances in Space Research. 1999. V. 24. Iss. 1. P. 55–58. doi: 10.1016/S0273-1177(99)00423-8
  28. Omura Y., Kojima H., Miki N. et al. Electrostatic solitary waves carried by diffused electron beams observed by the Geotail spacecraft // J. Geophysical Research: Space Physics. 1999. V. 104. Iss. A7. P. 14627–14637. doi: 10.1029/1999JA900103
  29. Omura Y., Matsumoto H., Miyake T., Kojima H. Electron beam instabilities as generation mechanism of electrostatic solitary waves in the magnetotail // J. Geophysical Research: Space Physics. 1996. V. 101. Iss. A2. P. 2685–2697. doi: 10.1029/95JA03145
  30. Graham D.B., Khotyaintsev Y.V., Vaivads A. et al. Instability of agyrotropic electron beams near the electron diffusion region // Physical Review Letters. 2017. V. 119. Iss. 2. Art.ID. 025101. doi: 10.1103/PhysRevLett.119.025101
  31. Ergun R.E., Goodrich K.A., Wilder F.D. et al. Magnetic reconnection, turbulence, and particle acceleration: Observations in the Earth’s magnetotail // Geophysical Research Letters. 2018. V. 45. Iss. 8. P. 3338–3347. doi: 10.1002/2018GL076993
  32. Russell C.T., Anderson B.J., Baumjohann W. et al. The magnetospheric multiscale magnetometers // Space Science Reviews. 2016. V. 199. Iss. 1. P. 189–256. doi: 10.1007/s11214-014-0057-3
  33. Le Contel O., Leroy P., Roux A. et al. The search-coil magnetometer for MMS // Space Science Reviews. 2016. V. 199. Iss. 1. P. 257–282. doi: 10.1007/s11214-014-0096-9
  34. Lindqvist P.A., Olsson G., Torbert R.B. et al. The spin-plane double probe electric field instrument for MMS // Space Science Reviews. 2016. V. 199. Iss. 1. P. 137–165. doi: 10.1007/s11214-014-0116-9
  35. Pollock C., Moore T., Jacques A. et al. Fast plasma investigation for magnetospheric multiscale // Space Science Reviews. 2016. V. 199. Iss. 1. P. 331–406. doi: 10.1007/s11214-016-0245-4
  36. Robert P., Dunlop M.W., Roux A., Chanteur G. Accuracy of current density determination // Analysis Methods for Multi-Spacecraft Data. Ed. Pashmann G., Daly P.W. / ISSI Scientific Report SR-001. Bern. 1998. P. 395–418.
  37. Зеленый Л.М., Веселовский И.С. Плазменная гелиогеофизика // М.: Физмалит, 2008.
  38. Le Contel O., Roux A., Jacquey C. et al. Quasi-parallel whistler mode waves observed by THEMIS during near-earth dipolarizations // Annales Geophysicae. 2009. V. 27. Iss. 6. P. 2259–2275. doi: 10.5194/angeo-27-2259-2009
  39. Grigorenko E.E., Malykhin A.Y., Shklyar D.R. et al. Investigation of electron distribution functions associated with whistler waves at dipolarization fronts in the Earth’s magnetotail: MMS observations // J. Geophysical Research: Space Physics. 2020. V. 125. Iss. 9. Art.ID. e2020JA028268. doi: 10.1029/2020JA028268
  40. Sönnerup B.U.Ö., Scheible M. Minimum and Maximum Variance Analysis // Analysis Methods for Multi-Spacecraft Data. Ed. Pashmann G., Daly P.W. / ISSI Scientific Report SR-001. Bern. 1998. P. 185–220.
  41. Li X., Wang R., Lu Q. et al. Three-dimensional network of filamentary currents and super-thermal electrons during magnetotail magnetic reconnection // Nature Communications. 2022. V. 13. Iss. 1. Art.ID. 3241. doi: 10.1038/s41467-022-31025-9

Қосымша файлдар

Қосымша файлдар
Әрекет
1. JATS XML
Жүктеу

© Russian Academy of Sciences, 2024