О баллонной неустойчивости в токовых слоях

Автор: Леонович А.С., Козлов Д.А.

Журнал: Солнечно-земная физика @solnechno-zemnaya-fizika

Статья в выпуске: 2 т.1, 2015 года.

Бесплатный доступ

Решена задача неустойчивости азимутально-мелкомасштабных альфвеновских и медленных магнитозвуковых (ММЗ) волн в аксиально-симметричной модели геомагнитного хвоста с токовым слоем. Найденные решения описывают неустойчивые в присутствии токового слоя колебания и относятся к области вытянутых в хвост замкнутых магнитных силовых линий. Определены спектры собственных частот основных гармоник стоячих азимутально-мелкомасштабных альфвеновских и ММЗ-волн в локальном и ВКБ-приближениях и проведено их сравнение. Показано, что полученные в этих приближениях свойства рассматриваемых колебаний кардинально различаются. В локальном приближении альфвеновские волны оказываются устойчивыми во всем диапазоне рассматриваемых магнитных оболочек. ММЗ-волны на магнитных оболочках, проходящих через токовый слой, переходят в режим апериодической (баллонной) неустойчивости. В ВКБ-приближении как альфве-новские, так и ММЗ-волны на силовых линиях, проходящих через токовый слой, переходят в режим неустойчивости при конечной частоте собственных колебаний. Определена структура азимутально-мелкомасштабных неустойчивых альфвеновских волн поперек магнитных оболочек.

Еще

Мгд-волны, баллонная неустойчивость, токовый слой, геомагнитный хвост

Короткий адрес: https://sciup.org/142103561

IDR: 142103561   |   УДК: 533.9,   |   DOI: 10.12737/6425

On ballooning instability in current sheets

The problem of instability of the magnetotail current sheet to azimuthally small-scale Alfvén and slow magnetosonic (SMS) waves is solved. The solutions describe unstable oscillations in the presence of a current sheet and correspond to the region of stretched closed field lines of the magnetotail. The spectra of eigen-frequencies of several basic harmonics of standing Alfvén and SMS waves are found in the local and WKB approximation, which are compared. It is shown that the oscillation properties obtained in these approximations differ radically. In the local approximation, the Alfvén waves are stable in the entire range of magnetic shells. SMS waves go into the aperiodic instability regime (the regime of the “ballooning” instability), on magnetic shells crossing the current sheet. In the WKB approximation, both the Alfvén and SMS oscillations go into an unstable regime with a non-zero real part of their eigen-frequency, on magnetic shells crossing the current sheet. The structure of azimuthally small-scale Alfvén waves across magnetic shells is determined.

Еще

Список литературы О баллонной неустойчивости в токовых слоях

  • Birn J. Magnetotail dynamics: Survey of recent progress//The dynamic magnetosphere. Springer Science; Business Media B.V., 2011. P. 49-54 (IAGA Special Sopron Book Ser. V. 3). DOI: DOI: 10.1007/978-94-007-0501-2_4
  • Cheng C.Z. Physics of substorm growth phase, onset, and dipolarization//Space Sci. Rev. 2004. V. 113, N 1-2. P. 207-270. DOI: DOI: 10.1023/B:SPAC.0000042943.59976.0e
  • Cheng C.Z., Chance M.S. Low-n shear Alfvén spectra in axisymmetric toroidal plasmas//Phys. Fluids. 1986. V. 29, N 11. P. 3695-3701. DOI: DOI: 10.1063/1.865801
  • Cheng C.Z., Lui A. T.Y. Kinetic ballooning instability for substorm onset and current disruption observed by AMPTE/CCE//Geophys. Res. Lett. 1998. V. 25. P. 4091-4094. DOI: DOI: 10.1029/1998GL900093
  • Cheremnykh O.K. Transversally small-scale perturbations in arbitrary plasma configurations with magnetic surfaces//Plasma Phys. and Controlled Fusion. 2010. V. 52, N 9. 095006. DOI: DOI: 10.1088/0741-3335/52/9/095006
  • Coppi B. Topology of ballooning modes//Phys. Rev. Lett. 1977. V. 39, N 16. P. 939-942. DOI: 10.1103/Phys RevLett.39.939.
  • Dewar R.L., Glasser A.H. Ballooning mode spectrum in general toroidal systems//Phys. Fluids. 1983. V. 26, N 10. P. 3038-3052. DOI: DOI: 10.1063/1.864028
  • Frieman E., Rotenberg M. On hydromagnetic stability of stationary equilibria//Rev. Modern Phys. 1960. V. 32. P. 898-902. DOI: DOI: 10.1103/RevModPhys.32.898
  • Glassmeier K.-H., Othmer C., Cramm R., et al. Magnetospheric field line resonances: A comparative planetology approach//Surveys in Geophys. 1999. V. 20. P. 61-109. DOI: DOI: 10.1023/A:1006659717963
  • Hameiri E., Laurence P., Mond M. The ballooning instability in space plasmas//J. Geophys. Res. 1991. V. 96. P. 1513-1526. DOI: DOI: 10.1029/90JA02100
  • Kamide Y., Maltsev Y. P. 2007 Geomagnetic Storms//Handbook of the Solar-Terrestrial Environment/Ed. Y. Kamide, A C-L Chian. Berlin: Springer. P. 355-374.
  • Klimushkin D.Y. The propagation of high-m Alfvén waves in the Earth's magnetosphere and their interaction with high-energy particles//J. Geophys. Res. 2000. V. 105. P. 23303-23310 DOI: 10.1029/1999JA000396
  • Klimushkin D.Y. How energetic particles construct and destroy poloidal high-m Alfvén waves in the magnetosphere//Planet. Space Sci. 2007. V. 55. P. 722-730. DOI: 10.1016/j. pss.2005.11.006.
  • Leonovich A.S., Kozlov D.A. Alfvénic and magnetosonic resonances in a nonisothermal plasma//Plasma Phys. and Controlled Fusion. 2009b. V. 51, N 8. 085007. DOI: 10.1088/0741-3335/51/8/085007.
  • Leonovich A.S., Mazur V.A. Resonance excitation of standing Alfvén waves in an axisymmetric magnetosphere (monochromatic oscillations)//Planet. Space Sci. 1989. V. 37. P. 1095-1116 DOI: 10.1016/0032-0633(89)90081-0
  • Leonovich A.S., Mazur V.A. A theory of transverse small-scale standing Alfvén waves in an axially symmetric magnetosphere//Planet. Space Sci. 1993. V. 41. P. 697-717 DOI: 10.1016/0032-0633(93)90055-7
  • Leonovich A.S., Mazur V.A. Linear transformation of the standing Alfvén wave in an axisymmetric magnetosphere//Planet. Space Sci. 1995. V. 43. P. 885-893 DOI: 10.1016/0032-0633(94)00207-8
  • Leonovich A.S., Mazur V.A. Penetration to the Earth’s surface of standing Alfvén waves excited by external currents in the ionosphere//Ann. Geophys. 1996. V. 14. P. 545-556 DOI: 10.1007/s00585-996-0545-1
  • Leonovich A.S., Mazur V.A. A model equation for monochromatic standing Alfvén waves in the axially-symmetric magnetosphere//J. Geophys. Res. 1997. V. 102. P. 11443-11456 DOI: 10.1029/96JA02523
  • Leonovich A.S., Kozlov D.A., Pilipenko V.A. Magnetosonic resonance in a dipole-like magnetosphere//Ann. Geophys. 2006. V. 24. P. 2277-2289. DOI: 10.5194/angeo-24-2277-2006.
  • Liu W.W. Physics of the explosive growth phase: Ballooning instability revisited//J. Geophys. Res. 1997. V. 102. P. 4927-4931 DOI: 10.1029/96JA03561
  • Mager P.N., Klimushkin D.Y., Pilipenko V.A., et al. Field-aligned structure of poloidal Alfvén waves in a finite pressure plasma//Annales Geophysicae. 2009. V. 27. P. 3875-3882 DOI: 10.5194/angeo-27-3875-2009
  • Mazur N.G., Fedorov E.N., Pilipenko V.A. Dispersion relation for ballooning modes and condition of their stability in the near Earth plasma//Geomagnetism and Aeronomy. 2012. V. 52. P. 603-612 DOI: 10.1134/S0016793212050118
  • Miura A. Ballooning instability as a mechanism of the near-Earth onset of substorms//Space Sсi. Rev. 2001. V. 95, N 1-2. P. 387-398 DOI: 10.1023/A:1005249915285
  • Miura A. A magnetospheric energy principle for hyd-romagnetic stability problems//J. Geophys. Res. 2007. V. 112. A06234 DOI: 10.1029/2006JA011992
  • Miura A., Ohtani S., Tamao T. Ballooning instability and structure of diamagnetic hydromagnetic waves in a model magnetosphere//J. Geophys. Res. 1989. V. 94. P. 15231-15242 DOI: 10.1029/JA094iA11p15231
  • Ohtani S., Miura A., Tamao T. Coupling between Alfvén and slow magnetosonic waves in an inhomogeneous finite-beta plasma. I. Coupled equations and physical mechanism//Planet. Space Sci. 1989. V. 37. P. 567-577. DOI: 10.1016/0032-0633(89)90097-4.
  • Parnowski A.S. Eigenmode analysis of ballooning perturbations in the inner magnetosphere of the Earth//Ann. Geophys. 2007. V. 25. P. 1391-1403 DOI: 10.5194/angeo-25-1391-2007
  • Rankin R., Kabin K., Lu J. Y., et al. Magnetospheric field-line resonances: Ground-based observations and modeling//J. Geophys. Res. 2005. V. 110. A10S09. DOI: 10.1029/2004JA010919.
  • Takahashi K., Zanetti L.J., McEntire R.W., et al. Disruption of the magnetotail current sheet observed by AMPTE/CCE//Geophys. Res. Lett. 1987. V. 14. P. 1019-1022 DOI: 10.1029/GL014i010p01019
  • Zhu P., Raeder J., Germaschewski K., et al. Initiation of ballooning instability in the near-Earth plasma sheet prior to the 23 March 2007 THEMIS substorm expansion onset//Annales Geophysicae. 2009. V. 27. P. 1129-1138 DOI: 10.5194/angeo-27-1129-2009
Еще