Многомасштабные асимметричные токовые слои в бесстолкновительной магнитосферной плазме

Рассмотрена самосогласованная модель анизотропного тонкого токового слоя с одним источником. Показано, что несимметричное равновесное решение существует. Электростатические эффекты мало влияют на формирования профиля токового слоя.

A self-consistent model of anisotropic thin current sheet with one source has been considered. Asymmetric equilibrium solution has been proved to exist. Electrostatic effects have been shown to influence formation of a current sheet profile insignificantly.

Измерения спутников ISEE-1,2, Geotail и Cluster [1, 2] показали, что тонкие токовые слои (ТТС) в магнитосферном хвосте сильно отличаются от классических изотропных слоев, в частности, могут иметь несимметричные профили плотности тока. Необходимо ответить на вопросы, какие факторы определяют асимметрию токовых профилей, и может ли она быть вызвана естественными флуктуациями плазменных источников. Для этого была использована модель анизотропного токового слоя [3] с одним плазменным источником в северном полушарии, модифицированная с учетом электростатических эффектов.

В нейтральной области ТТС траектории ионов представляют собой отрезки меандровых орбит, попеременно пересекающие плоскость токового слоя. После взаимодействия с токовым слоем, частица может отразиться от него и уйти в сторо-

Рис . 2. Плотность плазмы как функция нормированной на ионный гирорадиус Z-координаты ( Z ) в несимметричном ТТС. Обозначено положение источника плазмы в Северном полушарии.

ну источника, а может проследовать на противоположную сторону. В модели рассмотрен свободный параметр r , описывающий вероятность отражения частиц в сторону источника плазмы. Функции распределения ионов в северном и южном полушарии имеет вид:

• f n , при v II <  0, f _ [ (1 - r ) f n , при v „ <  0, (1) f in , v „ >  0. f < 0 = { 0, v „ >  0.

  
  
  

Направление потоков плазмы до и после взаимодействия с ТС, изображены на рис. 1.

Численно найдены равновесные решения задачи в широком диапазоне изменения параметра r от 0 до 0.7 при фиксированном e = vT/v D = 1. Рис. 2 демонстрирует равновесные профили плотности плазмы, которые симметричны при r = 0. Профили плотности тока показаны на рис. 3, на которых заметно проявление асимметрии «север-юг», обусловленной влиянием

Рис . 1. Схема распределения падающего, отраженного и преломленного потоков плазмы вблизи ТТС.

z

Рис . 3. Самосогласованные профили магнитного поля как функция безразмерной Z координаты для значений коэффициента отражения от 0 до 0.7 с шагом 0.1.

Рис . 4. То же для профиля плотности тока в ТТС.

Многомасштабные асимметричные токовые слои в бесстолкновительной магнитосферной плазме диамагнитных токов на стороне источника плазмы. В центре токового слоя выделяются узкие электронные токи, вложенные в более широкий протонный ток.

Профили нормированного магнитного поля (рис. 4) демонстрируют асимметрию правого и левого флангов. Сравнение с моделью [3] показывает, что учет электронных токов практически не влияет на формирование асимметричных токовых слоев.

Результаты моделирования ТТС с несимметричными источниками плазмы свидетельствуют о том, что вертикальное смещение ТТС вследствие изменения баланса давления может быть причиной «флэппинговых» [4] колебаний слоя из-за естественных пространственных и временных флуктуаций источников плазмы в долях магнитосферы.