Токовые слои в «немаксвелловской» бесстолкновительной плазме

ОФН-15, ИКИ РАН, 8-12 февраля 2010 1

Токовые слои в «немаксвелловской» Токовые слои в «немаксвелловской» бесстолкновительной плазмебесстолкновительной плазме

Зелёный Л.М. Зелёный Л.М. (1)(1), , Малова Х.В.Малова Х.В.((3,3,1)1), , Попов В.Ю.Попов В.Ю.(1,2)(1,2), Артемьев А.В. , Артемьев А.В. (1,(1,33)),,

Петрукович А.А.Петрукович А.А.(1)(1)

(1) ИКИ РАН, (2) Физический факультет МГУ, (3) НИИЯФ МГУ


Немаксвелловские распределения Немаксвелловские распределения плазмы в хвосте магнитосферы Земли плазмы в хвосте магнитосферы Земли

Zhou et al., JGR, 2009

В плазме магнитосферного хвоста наблюдаются ионы с характерными энергиями от 100 эВ – 10 кэВ. Более холодные ионы (~100 эВ - 1кэВ) - происходят из солнечного ветра, более горячие (~10 кэВ) приходят из отдаленной области хвоста в ближнюю к Земле область посредством конвекции [E*B].


The observed current sheets are non-Harris ones (Runov et al., Annales

Geophysicae, 24, 247–262, 2006)

Тонкий анизотропный токовый слой

Толстый изотропный ТС

Плазменный слой


Наблюдения двойных масштабов в ТТС Наблюдения двойных масштабов в ТТС

Модель ТС Харриса

Наблюдаемые профили плотности тока: зависимость плотности тока от магнитного поля имеет двойной масштаб -тонкий токовый слой, создающий до 40% магнитного поля-толстый плазменный слой с малой амплитудой тока

Bx/BmaxBx/Bmax


Plasma populations in Earth’s Plasma populations in Earth’s magnetotailmagnetotail

Основные источники плазмы: солнечный ветер, ионосфера, магнитосферная конвекция


МоделиМодели кинетических плазменных кинетических плазменных равновесийравновесий

[ ] 0, ,f fq

v E v B i er m v

,

4( , )

i e

rotB vf v r dvc

4 ( , ) ,divE ef v r dv

Стационарные равновесные решения для потенциалов, полей и функций распределения плазмы в токовом слое магнитосферного

хвоста являются решением системы уравнений Власова-Максвелла:

1 2( , ,...)f f I I

0

0,

,

( , )

4( ( ), ( , ))

0, 0

y

x yi e

i e

f W P const

rotB vf W v P v z dvc

q n


1y n xj B p

c

X

X

21

curvy n

v

Rj B

c

Force balance:

Isotropic pressure models (Kan, 1973)

Anisotropic pressure models

(Zelenyi et al., 2000)

Z

Z

ie TTnB

0

20

8Баланс поперек слоя как в Баланс поперек слоя как в модели Харрисамодели Харриса

min

max

cR

vvxx

vvyy


Можно ли объединить два равновесия: «толстое» и Можно ли объединить два равновесия: «толстое» и «тонкое»?«тонкое»?Как эти равновесия самосогласованно влияют друг Как эти равновесия самосогласованно влияют друг на друга?на друга?

X

Z


Задача:Задача: построение самосогласованной модели построение самосогласованной модели многокомпонентного тонкого токового слоямногокомпонентного тонкого токового слоя с популяциями с популяциями частиц плазмы из двух источников: частиц плазмы из двух источников: 1) анизотропных потоков частиц, поступающих из мантии 1) анизотропных потоков частиц, поступающих из мантии и/или ионосферы (и/или ионосферы () ; 2) горячей плазмы с изотропным ) ; 2) горячей плазмы с изотропным давлением, распределяющейся в плазменном слое давлением, распределяющейся в плазменном слое благодаря конвекции.благодаря конвекции.

X

B

T ran s ie n t (S p e ise r) o rb it

“C u c u m b e r” o rb it

R in g o rb it

-10 0 10 20 30 40 50X, R E

-8

-4

0

4

8

Z,

RE

-10 0 10 20 30 40 50X , R E

-20

-16

-12

-8

-4

0

4

Y,

RE

constdzmvI zz 2

1


3 3

3 3

0

0

( , ), ( , )

4( , , ) ( , , ) ( , )

, 0

x z

x zy iso y aniso e

V V

z L z L

df dt

B B x z B x z

B Bv f v x z d v v f v x z d v j x z

z x c

B B

��

2 2 22 20

0 232 22

220

0 2322

( )( ) exp ( , )exp ;

( )

( , ) ( , )( , ) exp ;

2( )

y D x y D zisoiso

TT

D yiso T

T

P V H v v V vnf v N x z

T vv

eV A x z e x zn mvcN x z T

Tv

2 2102311

( )( ) exp ( , )

( )Daniso

aniso zTT

v V vnf v f H I

vv

22DD модель модель ТС: 1. ИоныТС: 1. Ионы

(Kan, 1973)


The map of the distribution functionThe map of the distribution functionat the edges and in the center of CSat the edges and in the center of CS

-3 -2 -1 0 1 2 3

Vx

-3

-2

-1

0

1

2

3

Vy

-3 -2 -1 0 1 2 3

Vx

-3

-2

-1

0

1

2

3

Vy

Z=2i

Z=0


Уравнения двумерной модели: 2. Уравнения двумерной модели: 2. Электроны в полужидкостном Электроны в полужидкостном Больцмановском приближенииБольцмановском приближении

e

eeee n

P

cEe

dt

dm

BVV

me=0

Bn

PeE

dt

dVm

e

eee

||

||||

E|| = –

0

Bn

Pe

e

e

2Bce

BEV

eee en VJ

e

e

en

P

EE

где

eeee ncTnP 0~

r

rr

),(),(

ssE

( , ) ( , ) ( , )total e H OJ J s J s J s r r r

2 2

,,e e e

E B cJ en c B p

B B

e in nQuasineutrality condition

e

e

T

sBse

n

sn )()(exp

)(

0


1D Vlasov-Maxwell equations (Lx>>Lz):1D Vlasov-Maxwell equations (Lx>>Lz):

3 3

3 3

0

0

4( ) ( )x

y aniso y iso e

V V

z

df dt

dBv f v d v v f v d v j

dz c

B B

; ;

( , ) ( , )

( , )

z

aniso II z

y

aniso

iso iso y

H const I const P

f f v v f I

const

H

f f H P

The distribution function fmight be presented as a function of integral motion {v0,Iz} and extended for the whole CS due to Liouville theorem

2 2

0 13 2 2

2 2 22

0 22

( ) exp

( )( ) ( , )exp

Tj Tj

j II Daniso

Tj

x y D ziso

T

n v V vf v

v vv

v v V vf v N x z

v


0 1 0 2 0 3 0 4 0

0

0 . 2

0 . 4

0 . 6

0 . 8

1

Bx

0 10 20 30 40

0

0.2

0.4

0.6

Jy

Ianiso/Iiso1 .00 .7 50 .50 .2 50 .0

Зависимость самосогласованных профилей ТС от относительного вклада Зависимость самосогласованных профилей ТС от относительного вклада двух компонент в магнитное поле (полный ток) двух компонент в магнитное поле (полный ток) BBanisoaniso/B/Bisoiso

~ / iZ


Зависимость профилей тока от относительного Зависимость профилей тока от относительного вклада изотропной плазмы (показано с вклада изотропной плазмы (показано с большим разрешением); большим разрешением); JJyy(B(Bxx))

0 2 4 6 8 10

0

0.2

0.4

0.6

Jy

Ianiso/Iiso1 .00 .7 50 .50 .2 50 .0

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1B x

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

J y

Ian iso/I iso

Anisotrop ic C S0.750.50.250.125Isotropic C S


Полный и парциальный профили параметров ТС в Полный и парциальный профили параметров ТС в присутствииприсутствиидвух сортов плазмы: потоков неадиабатических двух сортов плазмы: потоков неадиабатических частиц и горячей изотропной компоненты частиц и горячей изотропной компоненты BBisoiso/B/Banisoaniso=1=1

0 10 20 30 40 50

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Bx

0 10 20 30 40 50

0

0.1

0.2

0.3

0.4

Jy


Зависимость решения от характерного Зависимость решения от характерного масштаба изотропного ТСмасштаба изотропного ТС

0 2 4 6 8 10

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Bx

0 2 4 6 8 10

0

0.2

0.4

0.6

Jy

L iso/i

A n iso trop . C S5101530 Iso trop . C S


Two transient populations with different Two transient populations with different temperaturestemperatures

-8 -4 0 4 8

0

0 .4

0 .8

1 .2

1 .6

2

J y

Bn=0.1, vT2/vT1=1

T au = 5 E ps= 1 B n = 0 .1 kT rap1= 1 kT rap2= 1 n 2 /n 1= 3 vT 2 /vT 1= 3 vD 2/vD 1= 11 - co ld ion s, 2 - h o t ion s

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8

0 .0

0 .1

0 .2

0 .3

0 .4

0 .5

0 .6

0 .7

0 .8

Jy

C o ld io n sH o t io n sE lec tro n sT o ta l

Bn=0.1, vT2/vT1=3


Two ion populations with two different temperatures: the transient cold population and

the trapped hot one

Bn/B0=0.1, vT2/vT1=2, KTrapO=5Bn/B0=0.1, vT2/vT1=2, KTrapO=5

-12 -8 -4 0 4 8 1 2

-0 .5

0 .0

0 .5

1 .0

1 .5

2 .0

2 .5

Jy

C o ld tra n sien t io n sH o t tra p p ed io n sE lectro n sT ota l

Bn/B0=0.1, vT2/vT1=2, KTrapO=Bn/B0=0.1, vT2/vT1=2, KTrapO=7.47.4

B n /B 0= 0 .1 , v T 2 /v T 1= 2 K T ra p O = 5

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

0 .20

0 .45

0 .70

0 .95

1 .20

Jy

C o ld io n sH o t io n sE lec tro n sT o ta l


ВыводВыводыы

Построена кинетическая самосогласованная модель токового слоя хвоста магнитосферы, учитывающая две ионные популяции с анизотропным и изотропным распределениями.

В предположении о малости изменения параметров токового слоя от Х-координаты по сравнению изменением вдоль Z-координаты получены самосогласованные решения для редуцированной одномерной модели токового слоя.

Полученные самосогласованные профили магнитного поля и плотности тока имеют многомасштабную вложенную структуру, где в центре токового слоя доминируют неадиабатические ионы, а на периферии – ионы с изотропным распределением. Профиль ТС определяется относительным вкладом каждой из плазменных компонент в полный ток.

Показано, что «тонкий» токовый слой, поддерживаемый неадиабатическими частицами, расширяется под влиянием «толстого» токового слоя.

Показано, что полученные самосогласованные профили могут быть применены для описания тонких токовых слоев в магнитосфере, вложенных в токовые слои толщиной много больше ларморовского радиуса.


Спасибо за внимание!

Documents

Токовые слои в «немаксвелловской» бесстолкновительной плазме