Институт Лазерной Физики

Отдел Лазерной ПлазмыНовосибирск, СО РАН

 Токи Чепмена-Ферраро и продольные

токи зоны 1 в экспериментах по импульсному обтеканию магнитного

диполя

Программа моделирования солнечно-земных процессов с помощью облаков лазерной плазмы и

дипольного магнитного поля

Пономаренко А.Г., Антонов В.М., Бояринцев Э.Л., Захаров Ю.П., Посух В.Г., Мелехов В.М., Вшивков К.А.Шайхисламов И.Ф.

Основная токовая система, наблюдаемая в Основная токовая система, наблюдаемая в экспериментеэкспериментеПродольные токи (Продольные токи (FAC)FAC)Зависимости от величины момента диполяЗависимости от величины момента диполяСравнение результатов с проводящей и Сравнение результатов с проводящей и диэлектрической поверхностью диполядиэлектрической поверхностью диполя

СодержаниеСодержание

- Токи зоны 1 на дневной стороне, протекающие в направлении утро-вечер. На утренней стороне переносятся электронами, ускоренными вверх из ионосферы перепадом потенциала.

- В эксперименте в областях втекания и вытекания в ионосферу порождают пятна характерного свечения. Наблюдаются всегда, если поверхность диполя проводящая.

- В лаборатории также наблюдались на установке UCR-T1 (IGPP, Un. Of Cal.)

- На КИ-1 впервые проведены комплексные измерения полного продольного тока, его локальные характеристики, магнитные поля и связь с динамикой плазменного потока

- Токи Чепмена-Ферраро

- Магнитопауза и каспы

- Структура переходного слоя

Обнаружен скейлинг ЧепменаФерраро ~μ1/3

для положения магнитопаузыи интегральной величины FAC

- Моделирует наличие или отсутствие ионосферы.

- Позволяет выявить вклад FAC в магнитосферное поле.

Magnetic moment μ=2∙107 Gauss*cm3

Laser pulses 400 J in 50 ns Plasma parameters: [Mi]=5.6; [Zi]=2.5, velocity 150 km/s,total energy 40 J в in ~1 radian, total number of ions 5∙1017,plasma flow duration ~2 µs

Схема установкиСхема установки

targ

et

mag

netic

dipole

Статические и мгновенные фотографии взаимодействия потока плазмы с магнитным диполем в экваториальной и меридиональной плоскостях. Можно видеть плазменную мишень, пятна свечения на полюсах диполя, магнитопаузу и каспы.

μ =0,18 μoμ =0,25 μo

μ =0,5 μoμ =1 μo

μ =0,1 μo

Положение и форма магнитопаузы, и полярных пятен свечения при различных значениях момента диполя

10 20 30 40-200

-100

0

100

200B

Z, G

; n

i 10

11 c

m-3;

*10,

V

R, cm

BZ

ni

t =2.5 s

10 15 20 25 30 35 40-400

-200

0

200

400

R, cm

t =2.25 s

BZ,

G;

n i,*

101

1 cm

-3;

*10

, V ni

BZ

Структура переходного слоя измеренная зондами для моментов диполя μ=0,18 (слева) and 1∙107

Gscm3 (справа). Можно видеть магнитное поджатие, скачок плотности и токовый слой. Также показаны подробные меридиональные измерения возмущения магнитного поля и плотности , по которым можно выявить каспы, токи Ч-Ф в центральной и высокоширотной областях и поток плазмы, проникающей в полярные области.

10 20 30 40

-30

-10

0

10

20

30

x cm

z cm

0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0- 1 0

- 5

0

5

1 0

1 5

2 0

2 5

Процессы в полярных областях и продольные Процессы в полярных областях и продольные токи (токи (FAC)FAC)

I

Мгновенные и статические снимки полярных областей диполя. Выделяется пара пятен свечения на утренней и вечерней сторонах. Пятна имеют сложную морфологию и динамику, увеличиваясь и смещаясь в ходе взаимодействия как по широте, так и по долготе.

Измерение продольного тока и его связи со Измерение продольного тока и его связи со свечением в полярных областяхсвечением в полярных областях

Свечение ярких пятен связано с FAC. На вечерней стороне (upward current) электроны плазмы движутся вниз и выбивают с поверхности диполя вторичные холодные электроны, которые рекомбинируют с ионами плазмы. На утренней стороне (downward current) имеется перепад потенциала, который порождает на поверхности металла точечные области взрывной эмиссии. Ток вызван ускоренными «ионосферными» электронами, а свечение - атомами и ионами испаренного материала. Положение и геометрия пятен отображают где FAC втекает и вытекает из «ионосферы». Ток начинается, когда плазма достигает поверхности диполя.

0 2 4 6 8 10 12 14 16

dawn-dusk current

(dawn)

(dusk)C+2

Al+1

t, s

Интегральный ток на поверхности течет в направлении утро-вечер. Над поверхностью ток направлен вниз на утренней стороне и вверх на вечерней.

0 2 4 6 8 10 12 14-500

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

-100

0

100

200

300

400

500

eqzB

polar

xB

J, A

t, s

B, G

ИзмеренияИзмерения магнитного поля магнитного поля FACFAC

probeFAC

X

Y

Y

probe

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

X, cm

Bx

By

B, G

Измерения с проводящей и Измерения с проводящей и диэлектрической диэлектрической

поверхностью диполяповерхностью диполя

12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36-200

-100

0

100

200

BZ, G

X, cm

t = 4 s

Зависимость интегральной Зависимость интегральной величины величины FACFAC от от

дипольного моментадипольного момента

1 101,5

2

2,5

3

3,5

44,5

55,5

6

Magnetic probePogovski coil

1/3J~

, MG*cm3

JFAC

, kA

Возможности лабораторного эксперимента позволяют однозначно выявить влияние FAC на глобальное магнитосферное поле. Вблизи диполя на экваторе основная компонента уменьшается.

Интегральный продольный ток (3+3 кА) сравним с полным током Чепмена-Ферраро (~8 кА) и имеет такой же скейлинг.

Продольные токи в магнитосфере МеркурияПродольные токи в магнитосфере Меркурия

RRmmμμ PP (P(Pμμ))1/1/

33

JJCh-FCh-F JJFACFAC ΔΔBBpolarpolar BBFACFAC

EarthEarth 10 R10 REE 8∙108∙102525 2.5∙102.5∙10-8-8

11 ~3∙10~3∙1066

~3∙1~3∙10066

(1-(1-5)∙105)∙1022

101022

MercurMercuryy

1.5 R1.5 RMM ~5∙10~5∙102323

26∙1026∙10--

88

0.40.4 ~10~1066 ~10~1066 ?? 5050

LabLab (1-3) (1-3) RRdd

101077 7∙107∙1033 3∙103∙10-3-3 ~8∙10~8∙1033

~3∙1~3∙10033

(2-(2-4)∙104)∙1077

4∙104∙1077Предположительно, продольные токи на Меркурии могут заметно увеличить

магнитное поле на полюсах и ослабить его на экваторе, что повлияет на интерпретацию спутниковых измерений дипольного момента.

Характерное магнитное возмущение от продольных токов было зарегистрировано при пролете Mariner 10-I в хвосте Меркурия [Slavin 1997 ]. Наземные наблюдения экзосферы Меркурия обнаружили существование на высоких широтах пятен спорадического поверхностного свечения [Potter 1985, Sprague 1990]. Все это указывает на возможность крупно-масштабной системы FAC, но механизм замыкания токов на поверхности Меркурия остается загадочным [Baumjohanna 2006].

Магнитное возмущение от FAC в полярных областях имеет скейлинг

2

mRoR

4

1~

oBFACB

Основные результатыОсновные результаты

Лазерная плазма эффективно вытесняет магнитное поле на «дневной» Лазерная плазма эффективно вытесняет магнитное поле на «дневной» стороне и формирует частичную магнитосферу.стороне и формирует частичную магнитосферу.

Ширина переходного слоя близка к ионной плазменной длине Ширина переходного слоя близка к ионной плазменной длине δ≈с/ωPi

Положение магнитопаузы и величина сжатия магнитного поля Положение магнитопаузы и величина сжатия магнитного поля согласуются со скейлингом Чепмена-Ферраросогласуются со скейлингом Чепмена-Ферраро

Наблюдаемая в лаборатории система Наблюдаемая в лаборатории система FACFAC в таких аспектах как в таких аспектах как направление токов, общая структура и относительная величина направление токов, общая структура и относительная величина подобна токам зоны 1 на дневной стороне Земли.подобна токам зоны 1 на дневной стороне Земли.

Интегральная величина Интегральная величина FACFAC также имеет скейлинг Чепмена-Ферраро. также имеет скейлинг Чепмена-Ферраро.

В экспериментах с проводящей и не проводящей «ионосферой» В экспериментах с проводящей и не проводящей «ионосферой» выявлено влияние выявлено влияние FACFAC на магнитосферное поле, которое состоит в на магнитосферное поле, которое состоит в ослаблении основной ослаблении основной BBZZ компоненты.компоненты.

Лабораторное моделирование магнитосферы Меркурия представляет Лабораторное моделирование магнитосферы Меркурия представляет значительный интерес из за подобия в относительном размере значительный интерес из за подобия в относительном размере магнитосферы, относительно большого гиро-радиуса ионов и широкой магнитосферы, относительно большого гиро-радиуса ионов и широкой области открытых силовых линий.области открытых силовых линий.

В лаборатории представляется возможность исследования механизма В лаборатории представляется возможность исследования механизма насыщения насыщения FACFAC посредством изменения в широком диапазоне посредством изменения в широком диапазоне проводимости «ионосферы».проводимости «ионосферы».

P~B31m ~R

Future experimentsFuture experiments

Mapping the FAC magnetic field and developing Mapping the FAC magnetic field and developing numerical model.numerical model.

Investigation of FAC saturation mechanism by Investigation of FAC saturation mechanism by varying “ionospheric” conductance.varying “ionospheric” conductance.

Measuring dependence of FAC on intensity and Measuring dependence of FAC on intensity and direction of “interplanetary” magnetic field.direction of “interplanetary” magnetic field.

Investigation of FAC effects in a Terrella Investigation of FAC effects in a Terrella experiment with stationary theta-pinch plasma experiment with stationary theta-pinch plasma and explosive laser-produced plasma interacting and explosive laser-produced plasma interacting with magnetic dipole.with magnetic dipole.

The source of Field Aligned CurrentsThe source of Field Aligned Currents

0 5 10 15-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90 Ey, V/cm

t, s

ICh-F

Ф

Ф

Y

ICh-F

Measurements of floating potential show that along the magnetopause there is global dawn-dusk electric field.

In the lab experiments this field is generated because of small scale low-hybrid turbulence in the magnetosheath that gives rise to finite conductance.In planetary magnetospheres the dawn-dusk electric field is generated due to day-side reconnection at the magnetopause. While the mechanisms are different, from the point of view of generator that drives FAC, the action of turbulence and reconnection could be described by some finite effective resistivity to current.We suggest that whenever magnetosheath conductance to Chepmen-Ferraro current is smaller than ionospheric conductance the FAC reaches saturation.