Магнитные дыры в хвосте магнитосферы Земли. тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Шустов Павел Игоревич
Шустов Павел Игоревич
кандидат наук
2024
- Специальность ВАК РФ00.00.00
- Количество страниц 137
Оглавление диссертации кандидат наук Шустов Павел Игоревич
Введение
Глава 1. Статистические свойства магнитных дыр в хвосте
магнитосферы Земли
1.1 Спутниковые данные
1.2 Характеристики магнитных дыр
1.3 Функции распределения электронов внутри магнитных дыр
1.4 Моделирование формирования горячей анизотропной популяции электронов
1.5 Дрейф магнитных дыр
1.6 Моделирование субионных магнитных дыр на фронте диполизации
1.7 Результаты
1.7.1 Трехмерная конфигурация магнитных дыр
1.7.2 Взаимодействие магнитных дыр с окружающей плазмой
1.7.3 Выводы
Глава 2. Формирование магнитных дыр: линейный анализ
2.1 Линейный анализ
2.1.1 Обобщенные уравнения
2.1.2 Волновые моды
2.1.3 Аналитическое приближение
2.2 Численное исследование волновых мод
2.2.1 Дисперсионное соотношение
2.2.2 Поляризация
2.2.3 Возмущения плотности
2.3 Результаты
Глава 3. Модели магнитных дыр
3.1 Кинетические одномерные модели
3.1.1 Основные уравнения
3.1.2 Дрейфовая модель
3.1.3 Анизотропная модель
Стр.
3.1.4 Фоновая плазма
3.1.5 Ионные токи
3.1.6 Результаты
3.2 Магнитогидродинамическая модель магнитных дыр
3.2.1 Уравнения МГД и асимптотическое разложение
3.2.2 Двухмерное решение
3.2.3 Трёхмерное решение
3.2.4 Результаты
Глава 4. Магнитные дыры в хвосте магнитосферы Земли как
источники ионосферных высыпаний
4.1 Спутниковые наблюдения субионных магнитных дыр
4.2 Оптические наблюдения мелкомасштабной структуры полярных сияний
4.3 Результаты
Заключение
Список рисунков
Список таблиц
Приложение А. Аналитическое решение дисперсионных
уравнений
Рекомендованный список диссертаций по специальности «Другие cпециальности», 00.00.00 шифр ВАК
Плазменные явления, сопровождающие процесс диполизации магнитного поля в хвосте магнитосферы Земли.2022 год, кандидат наук Малыхин Андрей Юрьевич
Связь инжекций плазмы с нестационарными струйными течениями и магнитная конфигурация внутренней магнитосферы2017 год, кандидат наук Черняев, Иван Анатольевич
МГД моделирование магнитослоя и воздействие на магнитосферу межпланетных ударных волн2013 год, кандидат наук Самсонов, Андрей Александрович
Математические модели токовых слоев в магнитосферных хвостах планет2014 год, кандидат наук Васько, Иван Юрьевич
Особенности поляризации и пространственного распределения ультранизкочастотных волн в магнитосфере Земли по данным космических аппаратов2024 год, кандидат наук Рубцов Александр Валерьевич
Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Магнитные дыры в хвосте магнитосферы Земли.»
Введение
Плазма, являясь четвертым состоянием вещества, кардинально отличается от трех основных состояний, с которыми люди сталкиваются в повседневной жизни. Несмотря на то, что плазма редко встречается на Земле, она доминирует в масштабах Вселенной, из нее состоят звезды, она заполняет космическое пространство между ними, более 99% всего видимого вещества во Вселенной находится в плазменном состоянии [6; 7]. Многие свойства плазмы, отличающие её от других состояний вещества, обусловлены наличием дальнодействующих электромагнитных сил во взаимодействии составляющих её частиц. Особенно сильно эти свойства проявляются в случае достаточно разреженной и сильно ионизированной плазмы, когда эффекты столкновения между частицами становятся пренебрежимо малы по сравнению с эффектами электромагнитного взаимодействия между ними. Именно такими свойствами в большинстве случаев обладает бесстолкновительная плазма, заполняющая космическое пространство [8].
В бесстолкновительной космической плазме обычный механизм терма-лизации в виде соударения частиц отсутствует. Вместо этого основную роль в процессе перераспределения энергии между разными популяциями плазмы играет механизм взаимодействия через электромагнитные поля, что приводит к образованию различных сложных самосогласованных магнитоплазменных структур [6; 9].
Пожалуй, наиболее изученными являются такие структуры, как токовые слои [10—14] и ударные волны [15—19]. Например, известно, что в токовых слоях может происходить пересоединение силовых линий магнитного поля — фундаментальный процесс в физике плазмы, при котором происходит высвобождение большого количества энергии [20—22]. На токовых слоях эффективно рассеиваются заряженные частицы, ускоряются или тормозятся, а также развиваются плазменные неустойчивости [14]. Про ударные волны также хорошо известно, что они представляют из себя области эффективного энергообмена между популяциями плазмы с помощью электромагнитного поля [23; 24]. Однако, помимо наиболее крупномасштабных и детально изученных структур, также существенную роль в обеспечении энергетических перетоков в плазме играют множество менее исследованных различных волн и самосогласованных структур, напри-
мер, несжимаемые Альфвеновские волны [25—27], магнитные жгуты [28—31], магнитные острова [32—34], различные плазмоиды [35—38], а также магнитные дыры [39—41].
Магнитные дыры представляют собой устойчивые, вихреподобные маг-нитоплазменные структуры, внутри которых локальный минимум давления магнитного поля компенсируется поышенным плазменным давлением. Впервые подробное описание наблюдения магнитных дыр и их изучение было представлено в работе [39] в 1977 году. В ней описываются локализованные минимумы модуля магнитного поля в солнечном ветре (которые и были названы магнитными дырами), обнаруженные по данным спутниковой миссии Explorer 43 (IMP-6). Ранее данные структуры также наблюдались в магнитосфере Земли [42] (но подробно не исследовались). После работы Тернера 1977-го года [39] и нескольких последующих исследований [43; 44] магнитные дыры стали активно изучаться и были обнаружены так или иначе почти во всех магнитоплазменных космических системах. Есть большое количество современных наблюдений и исследований магнитных дыр в различных областях: в солнечном ветре [45—49]; в магнитосферах Земли [40; 50—58] и других планет [59—62]; вокруг комет [63—65]; и в других областях гелиосферы вплоть до её границы [66—70]. Также в лабораторной плазме аналогом магнитных дыр из космической плазмы является классический 6-пинч [71; 72]. Данные структуры являются крайне устойчивыми: магнитные дыры, образующиеся вблизи Меркурия и Венеры, могут сохраняться и переноситься потоком солнечного ветра до орбиты Земли [46] и даже Сатурна [45].
Пространственные масштабы магнитных дыр варьируются в очень широких пределах: от электронных дыр, характерный масштаб области минимума магнитного поля которых порядка нескольких электронных гирорадиусов [73; 74], до гелиосферных ионных магнитных дыр с масштабами, превышающими 106км. [43; 67]. Структура магнитных дыр электронного масштаба полностью определяется кинетикой электронов [75; 76], в то время как крупномасштабные магнитные дыры являются магнитогидродинамическими структурами [77; 78].
Пространственный масштаб магнитных дыр, наблюдаемых в хвосте магнитосферы Земли, как правило, не превышает масштаба локального ионного гирорадиуса, оставаясь существенно больше локального электронного гирора-диуса [53; 55; 74; 79]. Другими словами, данные магнитные дыры относятся к классу так называемых субионных магнитных дыр, пространственный мас-
штаб которых порядка или меньше локального ионного гирорадиуса. Данные структуры поддерживаются вихревыми электронными токами, которые создают цилиндрически симметричный градиент магнитного поля с осью симметрии вдоль вектора фонового магнитного поля [55]. Представители данного класса потенциально играют важную роль в энергообмене между популяциями ионов и электронов за счет вклада в каскад энергии посредством возбуждения волновой активности на электронном масштабе [80; 81]. Субионные магнитные дыры представляют большой интерес для изучения вследствие той роли, которую они играют в: генерации сильных холловских электрических полей (см. результаты численного моделирования и наблюдения космических аппаратов в [57; 79; 82]); нагреве электронов и рассеянии частиц (спутниковые наблюдения указывают на наличие захваченной данными структурами популяции горячих электронов [56; 83]); ускорении заряженных частиц (электрическим полем самой магнитной дыры [74]); генерации сильных токов [40; 56; 83]. Исследованию магнитплазменных структур именно данного класса — субионных магнитных дыр, наблюдаемых в хвосте магнитосферы Земли, и посвящена данная работа.
Современные спутниковые данные свидетельствуют о наличии в хвосте магнитосферы Земли большого числа магнитных дыр именно данного масштаба (Глава 1), ассоциированных, как правило, с прохождением фронта диполизации [84; 85]. Возникновение фронта обусловлено пересоединением силовых линий магнитного поля в хвосте магнитосферы Земли, которое приводит к существенному изменению конфигурации магнитного поля. В частности, в ближнем хвосте магнитосферы Земли происходит, так называемая, диполиза-ция: кратно увеличиваются толщина токового слоя и дипольная компонента магнитного поля Bz в системе координат GSM [86]. Такое диполизованное магнитное поле распространяется от области пересоединения ~20-30Де [87; 88] в сторону Земли в виде фронта диполизации, и сопровождается быстрыми потоками плазмы [85; 89; 90]. Этот фронт диполизации отделяет горячую разреженную плазму из области пересоединения от холодной фоновой плазмы [91—93]. Свойства фоновой плазмы довольно хорошо изучены [94—96], в то время как свойства горячей плазмы в диполизованном хвосте гораздо менее исследованы. В отсутствие сильных градиентов магнитного поля (другими словами, в отсутствии сильных токов в диполизованном хвосте магнитосферы) горячая разреженная плазма находится внутри области диполизованного поля (то есть в области \BZ| > \ВХ\, которая может занимать довольно большую
часть поперек хвоста). Электроны этой горячей популяции плазмы могут иметь очень высокую температуру, которая может достигать температуры ионов [97]. Другими словами, эта плазма характеризуется большими значениями беты электронов ~ 1 — 10 (отношение теплового давления электронов к давлению магнитного поля В^/Ъп), и большой анизотропией электронов — как правило, электроны поперечно-анизотропны, то есть перпендикулярная температура Те,± больше параллельной температуры Те,ц [56; 98; 99]. Эта горячая анизотропная популяция электронов обладает большим запасом свободной энергии, которая приводит к образованию различных плазменных неустойчивостей [100—102]. Развитие и насыщение таких неустойчивостей приводит к диссипации энергии и термализации горячих электронов, так как возбуждение электронной компоненты в хвосте магнитосферы более эффективно, чем ионной [93; 103; 104].
Более того, по данным современных спутниковых наблюдений, известно, что внутри магнитных дыр в действительности присутствует захваченная анизотропная популяция электронов, температура которых существенно выше температуры фоновых электронов (Глава 1 и [40; 83]). Таким образом, можно ожидать, что при образовании данных магнитных дыр и их взаимодействии с фоновыми электронами происходит их нагрев и захват. Существует несколько сценариев формирования таких магнитных дыр, большинство из которых предполагают существенный вклад от популяции ионов [105—108]. Как следствие, можно ожидать, что субионные магнитные дыры могут поддерживать обмен энергии между холодной популяцией электронов и более горячей популяцией ионов. Такой процесс очень важен для плазмы планетарных магнитосфер, где крупномасштабные выбросы энергии (связанные, например, с пересоединением магнитных силовых линий) в основном приводят к передаче энергии магнитного поля в кинетическую и тепловую энергии именно ионов [109; 110], а для объяснения нагрева электронной компоненты необходимы дополнительные механизмы. Таким образом, исследование нелинейной стадии эволюции неустойчивостей субионного масштаба (магнитных дыр) в диполизованном хвосте магнитосферы актуально для понимания процессов нагрева электронов.
Формирование магнитных дыр субионного масштаба было предсказано в кинетическом моделировании динамики горячих анизотропных электронов [74; 79]. В этом моделировании магнитные дыры представляли собой локализованные минимумы модуля магнитного поля, заполненные горячими поперечно-анизотропными электронами, генерирующими сильные токи на гра-
ницах этих структур, что в дальнейшем было подтверждено спутниковыми наблюдениями [40; 82]. Для некоторых магнитных дыр значительная часть электронного тока на границах поддерживается Е х В дрейфом в радиальном холловском электрическом поле [40], но обычно основной вклад в поддержание структуры субионных магнитных дыр вносят диамагнитные электронные токи [56; 83].
Как обсуждалось ранее, гибридный масштаб субионных магнитных дыр, наблюдаемых в хвосте магнитосферы, отличает их от подавляющего большинства магнитных дыр, наблюдаемых, например, в солнечном ветре [45; 77] и магнитослое [54]. Считается, что магнитные дыры ионного масштаба в солнечном ветре и магнитослое образуются на нелинейной стадии ионной зеркальной неустойчивости [47; 105; 108; 111—116]. Образование же субионных магнитных дыр в этих же областях, как правило объясняется развитием электронной зеркальной неустойчивости [117—120] или дрейфовой неустойчивости [121]. Однако данные о конфигурацией плазмы и электромагнитных полей субионных магнитных дыр в хвосте магнитосферы [40; 41; 56; 69; 82; 83] ставят под сомнение применимость этих же механизмов генерации для них. Разберем подробнее потенциальные механизмы генерации:
— Развитие неустойчивости зеркальных мод, или просто зеркальная неустойчивость, общепринято является основным механизмом генерации магнитных дыр. В частности, существует как ионная [47; 105; 108; 111; 112; 116], так и электронная [118—120] зеркальные неустойчивости, основным фактором развития которых является существенная поперечная анизотропия соответствующих популяций заряженных частиц. Так, поперечная анизотропия ионов на фронте диполизации [122; 123] может приводить к развитию зеркальной ионной неустойчивости, которая потенциально может быть источником магнитных дыр. Но, хотя конфигурация магнитного поля субионных магнитных дыр в хвосте магнитосферы и схожа с конфигурацией солитонов зеркальной моды [108], их поляризация магнитного поля не является линейной, и, таким образом, наблюдаемая поляризация не подтверждает модельных ожиданий [52]. Более того, в области субионных магнитных дыр не наблюдается остаточной ионной поперечной анизотропии [56; 57; 124], вследствие чего эти структуры вряд ли могут быть связаны с развитием ионной зеркальной неустойчивости. Говоря же про электронную зер-
кальную неустойчивость, в магнитослое, заполненном перпендикулярно анизотропной плазмой от ударной волны солнечного ветра [125; 126], этот механизм действительно может объяснять образование субионных магнитных дыр. Однако в хвосте магнитосферы Земли электроны, как правило, продольно, а не поперечно, анизотропны [127], вследствие чего этот тип плазменной неустойчивости вряд ли является причиной образования субионных магнитных дыр в хвосте магнитосферы.
— Малые скорости движения субионных магнитных дыр относительно плазмы и их гибридные масштабы, позволяют предположить, что эти структуры могут быть результатом развития дрейфовых неустойчи-востей [121], часто наблюдаемой в области фронта диполизации [102; 128]. Тем не менее, такой сценарий не объясняет поперечную анизотропию электронов внутри магнитных дыр, так как электроны, взаимодействующие с дрейфовыми волнами, обычно ускоряются вдоль силовых линий магнитного поля, а не поперек [129; 130]. Также структуры, образованные в результате развития дрейфовой неустойчивости, характеризуются повышением плотности плазмы и сильными электрическими полями [131; 132], в то время как наблюдаемые магнитные дыры не демонстрируют сильных изменений плотности плазмы и электрических полей [56].
— Альтернативное объяснение образования субионных магнитных дыр было предложено в работе [124], в которой рассмотрены уединенные звуковые волны электронного масштаба. Эта модель не требует ионной анизотропии и способна предсказывать наблюдаемую связь между пространственным масштабом дыр и возмущением магнитного поля [57]. Но эта модель допускает любой пространственный масштаб дыр, и в отсутствие вклада ионов характерным масштабом системы является инерционная длина электронов [124]. Как следствие, в рамках этой модели остается необъяснимым, почему масштабы большинства наблюдаемых субионных магнитных дыр много больше электронных масштабов - характерный масштаб наблюдаемых субионных магнитных дыр составляет десятки электронных гирорадиусов [50; 56; 57].
Существует также некоторое количество альтернативных моделей генерации магнитных дыр построенных, на рассмотрении нелинейных Альфвеновских волн и магнитозвуковых солитонов [133—135], однако все они также обладают
вышеописанными недостатками, связанными с невозможностью объяснить для субионных магнитных дыр комплекс наблюдаемых свойств самих дыр и параметров окружающей плазмы. Таким образом, механизм появления субионных магнитных дыр в хвосте магнитосферы остается открытым, а вопрос их изучения — актуальным.
Целью представляемого исследования является комплексное изучение субионных магнитных дыр в хвосте магнитосферы, установление свойств и законов, описывающих данные структуры. Можно выделить несколько глобальных задач данного исследования.
— Сбор статистических свойств реально наблюдаемых субионных магнитных дыр в хвосте магнитосферы с помощью данных околоземных спутниковых миссий. На основе собранных данных разработка реалистичной и непротиворечивой гипотезы формирования этих структур.
— Построение физических моделей (на основе как кинетического, так и магнитогидродинамического рассмотрения данных структур), которые будут описывать реально наблюдаемые свойства субионных магнитных дыр в хвосте магнитосферы Земли.
— Изучение линейных волновых плазменных колебаний, характерных для плазмы, в которой наблюдаются субионные магнитные дыры, в контексте изучения механизмов, которые могут приводить к генерации данных структур.
— Исследование крупномасштабных связей в магнитосфере Земли, которые обусловлены субионными магнитными дырами в хвосте, на основе сопоставления спутниковых данных из хвоста и наземных оптических наблюдений ионосферы.
Научная новизна. Субионные магнитные дыры в хвосте магнитосферы Земли обнаружены относительно недавно (первая работа с их описанием опубликована в 2011 году [40; 50; 52]), и статистических исследований с большим набором данных прямых спутниковых наблюдений по ним не было. Также, как ранее было подробно изложено в актуальности темы, существующие модели не в полной мере описывают наблюдаемые особенности этих магнитных дыр, а также ни один из известных механизмов генерации подобных структур не удовлетворяет набору наблюдательных фактов. Поэтому, в рамках данной работы:
1. Впервые собрана и изучена подробная статистика наблюдений субионных магнитных дыр в хвосте магнитосферы Земли по данным
спутниковой миссии THEMIS за три года. В рамках анализа данной статистики, путем сравнения с результатами численного моделирования, впервые установлено, что источником этих структур являются неустойчивости, развивающиеся на диполизационном фронте.
2. Найдена и исследована мода линейных колебаний в трехкомпонентной плазме, параметры которой (при почти перпендикулярном к магнитному полю распространении) соответствуют наблюдаемым свойствам плазмы вблизи изучаемых субионных магнитных дыр. Впервые выдвинута гипотеза, что субионные магнитные дыры могут являться нелинейной стадией эволюции данной моды.
3. Впервые показано, что одним из магнитосферных источников мелкомасштабной структуры в полярном сиянии (диффузионной авроре) являются субионные магнитные дыры в хвосте магнитосферы Земли.
Научная и практическая значимость. Субионные магнитные дыры, являясь устойчивыми магнитоплазменными структурами, и обеспечивая нелинейные возмущения магнитного поля и теплового давления электронов на субионных масштабах (порядка и менее ионного гирорадиуса) могут играть важную роль в рассеянии и захвате частиц.
В частности, в работе показано, что субионные магнитные дыры в хвосте магнитосферы Земли обеспечивают процесс переноса горячей компоненты электронов, нагретой на фронте диполизации, в область спокойной плазмы за фронтом (в область диполизованного хвоста). Горячая компонента электронов, локализованная внутри магнитных дыр, представляет собой неоднородность, с которой активно взаимодействуют электронные циклотронные волны, излучаемые фоновыми электронами. Также, показано, что сами дыры должны взаимодействовать с фоновыми субтепловыми ионами (за счет обнаруженного дрейфа самих дыр). Таким образом, субионные магнитные дыры играют существенную роль в важном вопросе переноса энергии между компонентами плазмы в хвосте магнитосферы.
Также, в работе представлены стационарные модели субионных магнитных дыр, которые могут быть применены для моделирования рассеяния заряженных частиц на структуре магнитных дыр. Такое моделирование может пролить свет на важный вопрос термализации электронов в хвосте магнитосферы. В частности, в работе построена трехмерная модель магнитных дыр, позволяющая исследовать объемное распределение токов и магнитных полей.
Помимо прочего, значимым научным результатом данной работы является детальное описание и изучение новой плазменной моды линейных колебаний трехкомпонентной плазмы (компонента ионов и две компоненты электронов с разными температурой и плотностью), характерной для наблюдаемых субионных магнитных дыр.
Также, в данной работе представлено исследование, устанавливающее связь между мелкомасштабными структурами диффузионной авроры (полярных сияний) и субионными магнитными дырами в хвосте магнитосферы. Данный результат является значимым как для изучения авроральных сияний, так и в общем контексте магнитосферно-ионосферного взаимодействия.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Показано, что магнитные дыры в хвосте магнитосферы Земли связаны с развитием (баллонной/перестановочной) неустойчивостей горячей анизотропной популяции электронов на фронте диполизации, и обеспечивают перенос горячих электронов через фронт диполизации.
2. Разработаны двумерные кинетические и трехмерная магнитогидроди-намическая модели магнитных дыр субионного масштаба, в рамках которых установлены ограничения на параметры данных нелинейных плазменных структур.
3. Обнаружена и исследована электромагнитная мода линейных колебаний в трехкомпонентной плазме (компонента ионов и две компоненты электронов с разными температурами и плотностями), характеристики которой соответствуют свойствам наблюдаемых субионных магнитных дыр в хвосте магнитосферы. Сравнение с данными спутниковых наблюдений показало, что найденная электронно-магнитозвуковая мода является наилучшим кандидатом на роль линейной стадии генерации субионных магнитах дыр.
4. Показано, что субионные магнитные дыры в хвосте магнитосферы могут являться источником мелкомасштабной структуры полярных сияний и, таким образом, поддерживать магнитосферно-ионосферную связь на малых (субионных) пространственных масштабах.
Достоверность результатов обеспечивается комплексным подходом изучения объекта исследования, сочетающим в себе анализ данных наблюдений космических аппаратов и их сопоставление с результатами численного моделирования и теоретическими предсказаниями. Используемые наблю-
дательные данные взяты из открытых источников (спутниковая миссия THEMIS http://themis.ssl.berkeley.edu/), являются предварительно обработанными и верифицированными, а также апробированными в большом количестве опубликованных научных работ. Корректность оригинальных методов, применяемых для численного моделирования, подтверждена тестированием на задачах с известными решениями, а также физичностью и самосогласованностью результатов. Достоверность теоретических предсказаний обусловлена корректностью представленных аналитических выкладок и согласованностью с известными физическими законами. Непротиворечивость и согласованность всех подходов обеспечивает высокую степень достоверности представленной работы.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на различных российских и международных научных конференциях, таких как:
— Международная конференция «Problems of Geocosmos» (СПбГУ, Россия, Санкт-Петербург, Петергоф, 2016)
— Ежегодная конференция «Физика плазмы в Солнечной системе» (ИКИ РАН, Россия, Москва, 2017, 2018)
— Ежегодный семинар «Physics of Auroral Phenomena» (ПГИ РАН, Россия, Апатиты, 2017, 2018, 2019)
— Ежегодная международная конференция «American Geophysical Union Fall Meeting» (United States, New Orleans 2017, San Francisco 2019)
— Ежегодная международная конференция «European Geosciences Union General Assembly» (Austria, Vienna, 2018, 2021)
— Международная конференция «5th Cluster-THEMIS workshop» (Greece, Creta, Chania, 2018)
— Международная конференция «29th Cluster workshop» (Spain, Canary Island, Lanzarote, 2019)
Личный вклад. Текст диссертации основан на 5 научных публикациях [1—5], объединенных одной тематикой исследования, в которых автор диссертации является первым автором. Постановка и обсуждение задач велись совместно с научным руководителем и коллегами. Все основные результаты получены лично автором. В описании и обсуждении результатов используется
несколько иллюстраций (рисунки 1.10, 4.5, 4.6e-f, 4.7b), полученных коллегами при совместной работе над тематикой исследования.
Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 5 печатных изданиях, все изданы в журналах, рекомендованных ВАК, все — в периодических научных журналах, индексируемых Web of Science и Scopus.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и 1 приложения.
В первой главе представлен сбор и анализ наблюдательных данных по исследуемым магнитным дырам в хвосте магнитосферы Земли. Во второй главе проведен линейный анализ колебаний характерной для субионных магнитных дыр плазмы с целью изучения механизмов их образования. В третьей главе выполнено построение стационарных моделей как в кинетическом, так и маг-нитогидродинамическом приближениях. В четвертой главе исследуется связь этих структур, наблюдаемых в хвосте магнитосферы Земли, с другими областями магнитосферы на основе оптических наблюдений ионосферы.
Полный объём диссертации составляет 137 страниц, включая 37 рисунков и 1 таблицу. Список литературы содержит 219 наименований.
Глава 1. Статистические свойства магнитных дыр в хвосте
магнитосферы Земли
В первой главе выполнено исследование механизма формирования субионных магнитных дыр на основе сопоставления их статистических свойств с результатами моделирования плазмы. Во-первых, проведен анализ данных спутниковой миссии THEMIS в ближнем хвосте магнитосферы, который позволяет заключить, что наблюдение этих структур непосредственно связано с прохождением фронта диполизации. Далее, представлен анализ свойств популяции электронов, ответственной за поддержание токов на границах магнитных дыр. В частности, показано, что характерная температура данной популяции существенно превышает температуру фоновых электронов в области наблюдения магнитных дыр (в спокойной области за фронтом диполизации). Затем, построена модель адиабатического нагрева электронов для описания формирования этой популяции за счет ускорения электронов на фронте диполизации. Результаты моделирования подтверждают непосредственную связь наблюдаемых субионных магнитных дыр с фронтом диполизации, и позволяют выдвинуть гипотезу их образования в результате развития неустойчивостей плазмы электронов на фронте. Также показано, что существует медленное собственное движение субионных магнитных дыр относительно фоновой плазмы. Наконец, приведено сравнение наблюдаемых субионных магнитных дыр и результатов PIC-моделирования фронта диполизации.
Похожие диссертационные работы по специальности «Другие cпециальности», 00.00.00 шифр ВАК
Динамика и устойчивость сдвиговых течений на границах магнитосферы, плазмосферы и в солнечном ветре2001 год, доктор физико-математических наук Мишин, Владимир Виленович
Нестационарные токовые системы в магнитосфере Земли2008 год, кандидат физико-математических наук Апатенков, Сергей Вячеславович
Резонансные явления в динамике заряженных частиц в электромагнитных полях сложной конфигурации2012 год, доктор физико-математических наук Васильев, Алексей Алексеевич
Равновесие плазмы в магнитосфере Земли и ускорительные процессы в высоких широтах2004 год, доктор физико-математических наук Антонова, Елизавета Евгеньевна
Ускоренные ионные структуры в пограничной области плазменного слоя хвоста магнитосферы Земли2010 год, доктор физико-математических наук Григоренко, Елена Евгеньевна
Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шустов Павел Игоревич, 2024 год
Список литературы
6. Gurnett, D. A. Introduction to Plasma Physics: With Space, Laboratory and Astrophysical Applications / D. A. Gurnett, A. Bhattacharjee. — Cambridge University Press, 02.2017.
7. Plasma physics : Proceedings of the 1997 Latin American Workshop (VII LAWPP 97), held in Caracas, Venezuela, January 20 - 31, 1997 / под ред. P. Martin. — Dordrecht : Kluwer Acad. Publ., 1998. — С. 57. 545 с.
8. Schindler, K. Physics of Space Plasma Activity / K. Schindler ; под ред. Schindler, K. — Cambridge University Press, 11.2006.
9. Tsytovich, V. N. Nonlinear Effects in Plasma / V. N. Tsytovich. — Springer US, 1970.
10. Harris, E. G. On a plasma sheath separating regions of oppositely directed magnetic field / E. G. Harris // Il Nuovo Cimento. — 1962. — Янв. — Т. 23, № 1. — С. 115—121.
11. Reconstruction of the magnetotail current sheet structure using multi-point Cluster measurements / A. Runov [и др.] // Planet Space Sci. — 2005. — Янв. — Т. 53, № 1—3. — С. 237—243.
12. Thin Current Sheets in the Magnetotail Observed by Cluster / R. Nakamura [и др.] // Space Science Reviews. — 2006. — Февр. — Т. 122, № 1—4. — С. 29—38.
13. Comparison of multi-point measurements of current sheet structure and analytical models / A. V. Artemyev [и др.] // Annales Geophysicae. — 2008. — Сент. — Т. 26, № 9. — С. 2749—2758.
14. Configuration of the Earth's Magnetotail Current Sheet / A. Artemyev [и др.] // Geophysical Research Letters. — 2021. — Март. — Т. 48, № 6.
15. De Hoffmann, F. Magneto-Hydrodynamic Shocks / F. De Hoffmann, E. Teller // Physical Review. — 1950. — Нояб. — Т. 80, № 4. — С. 692—703.
16. Energization of solar wind ions by reflection from the Earth's bow shock / G. Paschmann [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 1980. — Сент. — Т. 85, A9. — С. 4689—4693.
17. Goodrich, C. C. The adiabatic energy change of plasma electrons and the frame dependence of the cross-shock potential at collisionless magnetosonic shock waves / C. C. Goodrich, J. D. Scudder // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 1984. — Авг. — Т. 89, A8. — С. 6654—6662.
18. Waves in Interplanetary Shocks: A Wind/WAVES Study / L. B. Wilson [и др.] // Physical Review Letters. — 2007. — Июль. — Т. 99, № 4. — С. 041101.
19. Solitary Waves Across Supercritical Quasi-Perpendicular Shocks / I. Y. Vasko [и др.] // Geophysical Research Letters. — 2018. — Июнь. — Т. 45, № 12. — С. 5809—5817.
20. Biskamp, D. Magnetic Reconnection in Plasmas / D. Biskamp. — Cambridge University Press, 09.2000.
21. Electron acceleration from contracting magnetic islands during reconnection / J. F. Drake [и др.] // Nature. — 2006. — Окт. — Т. 443, № 7111. — С. 553—556.
22. Stochastic electron acceleration during spontaneous turbulent reconnection in a strong shock wave / Y. Matsumoto [и др.] // Science. — 2015. — Февр. — Т. 347, № 6225. — С. 974—978.
23. Diffusive shock acceleration and reconnection acceleration processes /
G. P. Zank [и др.] // The Astrophysical Journal. — 2015. — Нояб. — Т. 814, № 2. — С. 137.
24. Plasma Heating and Alfvenic Turbulence Enhancement During Two Steps of Energy Conversion in Magnetic Reconnection Exhaust Region of Solar Wind /
H. Jiansen [и др.] // The Astrophysical Journal. — 2018. — Апр. — Т. 856, № 2. — С. 148.
25. MHD-driven Kinetic Dissipation in the Solar Wind and Corona / R. J. Leamon [и др.] // The Astrophysical Journal. — 2000. — Июль. — Т. 537, № 2. — С. 1054—1062.
26. A weak turbulence theory for incompressible magnetohydrodynamics / S. Galtier [и др.] // Journal of Plasma Physics. — 2000. — Июнь. — Т. 63, № 5. — С. 447—488.
27. Howes, G. G. A dynamical model of plasma turbulence in the solar wind / G. G. Howes // Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. — 2015. — Май. — Т. 373, № 2041. — С. 20140145.
28. Büchner, J. Sheared field tearing mode instability and creation of flux ropes in the Earth magnetotail / J. Büchner, M. Kuznetsova, L. M. Zelenyi // Geophysical Research Letters. — 1991. — Март. — Т. 18, № 3. — С. 385—388.
29. ISEE 3 observations of plasmoids with flux rope magnectic topologies / J. A. Slavin [и др.] // Geophysical Research Letters. — 1995. — Авг. — Т. 22, № 15. — С. 2061—2064.
30. FORMATION OF TORUS-UNSTABLE FLUX ROPES AND ELECTRIC CURRENTS IN ERUPTING SIGMOIDS / G. Aulanier [и др.] // The Astrophysical Journal. — 2009. — Дек. — Т. 708, № 1. — С. 314—333.
31. Bruno, R. Intermittency in Solar Wind Turbulence From Fluid to Kinetic Scales / R. Bruno // Earth and Space Science. — 2019. — Май. — Т. 6, № 5. — С. 656—672.
32. Moldwin, M. B. Plasmoids as magnetic flux ropes / M. B. Moldwin, W. J. Hughes // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 1991. — Авг. — Т. 96, A8. — С. 14051—14064.
33. Dynamic magnetic island coalescence and associated electron acceleration / K. G. Tanaka [и др.] // Physics of Plasmas. — 2011. — Февр. — Т. 18, № 2.
34. The structures of magnetic islands formed during collisionless magnetic reconnections in a force-free current sheet / F. Fan [и др.] // Physics of Plasmas. — 2016. — Нояб. — Т. 23, № 11.
35. Hughes, W. J. On the 3-dimensional structure of plasmoids / W. J. Hughes, D. G. Sibeck // Geophysical Research Letters. — 1987. — Июнь. — Т. 14, № 6. — С. 636—639.
36. Cluster observations of earthward flowing plasmoid in the tail / Q.-G. Zong [и др.] // Geophysical Research Letters. — 2004. — Сент. — Т. 31, № 18.
37. Lin, J. Plasmoids in reconnecting current sheets: Solar and terrestrial contexts compared / J. Lin, S. R. Cranmer, C. J. Farrugia // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2008. — Нояб. — Т. 113, A11.
38. Acceleration of ions to suprathermal energies by turbulence in the plasmoid-like magnetic structures / E. E. Grigorenko [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2015. — Авг. — Т. 120, № 8. — С. 6541—6558.
39. Magnetic holes in the solar wind / J. M. Turner [и др.] // Journal of Geophysical Research. — 1977. — Май. — Т. 82, № 13. — С. 1921—1924.
40. MMS Multipoint electric field observations of small-scale magnetic holes / K. A. Goodrich [и др.] // Geophysical Research Letters. — 2016. — Июнь. — Т. 43, № 12. — С. 5953—5959.
41. Self-consistent kinetic model of nested electron- and ion-scale magnetic cavities in space plasmas / J.-H. Li [и др.] // Nature Communications. — 2020. — Нояб. — Т. 11, № 1.
42. Acceleration of trapped particles during a magnetic storm on April 18, 1965 / W. L. Brown [и др.] // Journal of Geophysical Research. — 1968. — Янв. — Т. 73, № 1. — С. 153—161.
43. Fitzenreiter, R. J. Structure of current sheets in magnetic holes at 1 AU / R. J. Fitzenreiter, L. F. Burlaga // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 1978. — Дек. — Т. 83, A12. — С. 5579—5585.
44. Magnetic dips in the solar wind / M. Dobrowolny [и др.] // Solar Physics. — 1979. — Май. — Т. 62, № 1. — С. 203—220.
45. Mirror mode waves: Messengers from the coronal heating region / C. T. Russell [и др.] // Geophysical Research Letters. — 2008. — Авг. — Т. 35, № 15.
46. Amariutei, O. A. Occurrence rate of magnetic holes between 0.72 and 1 AU: comparative study of Cluster and VEX data / O. A. Amariutei, S. N. Walker, T. L. Zhang // Annales Geophysicae. — 2011. — Май. — Т. 29, № 5. — С. 717—722.
47. Ulysses field and plasma observations of magnetic holes in the solar wind and their relation to mirror-mode structures / D. Winterhalter [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 1994. — Дек. — Т. 99, A12. — С. 23371—23381.
48. Cluster-C1 observations on the geometrical structure of linear magnetic holes in the solar wind at 1 AU / T. Xiao [и др.] // Annales Geophysicae. — 2010. — Сент. — Т. 28, № 9. — С. 1695—1702.
49. Statistical Properties of Sub-Ion Magnetic Holes in the Solar Wind at 1 AU / G. Q. Wang [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2020. — Окт. — Т. 125, № 10.
50. Case studies of mirror-mode structures observed by THEMIS in the near-Earth tail during substorms: THEMIS MIRROR-MODE STRUCTURES / Y. S. Ge [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2011. — Янв. — Т. 116, A1. — n/a—n/a.
51. MMS Observations of Kinetic-size Magnetic Holes in the Terrestrial Magnetotail Plasma Sheet / S. Y. Huang [и др.] // The Astrophysical Journal. — 2019. — Апр. — Т. 875, № 2. — С. 113.
52. Magnetic holes in the vicinity of dipolarization fronts: Mirror or tearing structures? / M. A. Balikhin [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2012. — Авг. — Т. 117, A8.
53. Cluster and TC-1 observation of magnetic holes in the plasma sheet / W. J. Sun [и др.] // Annales Geophysicae. — 2012. — Март. — Т. 30, № 3. — С. 583—595.
54. Soucek, J. Properties of magnetosheath mirror modes observed by Cluster and their response to changes in plasma parameters / J. Soucek, E. Lucek, I. Dandouras // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2008. — Апр. — Т. 113, A4.
55. Sundberg, T. Properties and origin of subproton-scale magnetic holes in the terrestrial plasma sheet / T. Sundberg, D. Burgess, C. T. Haynes // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2015. — Апр. — Т. 120, № 4. — С. 2600—2615.
56. Kinetics of sub-ion scale magnetic holes in the near-Earth plasma sheet / X.-J. Zhang [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2017. — Окт. — Т. 122, № 10.
57. An EMHD soliton model for small-scale magnetic holes in magnetospheric plasmas / Z.-Y. Li [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2016. — Май. — Т. 121, № 5. — С. 4180—4190.
58. The Geometry of an Electron Scale Magnetic Cavity in the Plasma Sheet / H. Liu [и др.] // Geophysical Research Letters. — 2019. — Авг. — Т. 46, № 16. — С. 9308—9317.
59. Mirror mode waves in Venus's magnetosheath: solar minimum vs. solar maximum / M. Volwerk [и др.] // Annales Geophysicae. — 2016. — Нояб. — Т. 34, № 11. — С. 1099—1108.
60. Evolution of mirror structures in the magnetosheath of Saturn from the bow shock to the magnetopause / M. B. B. Cattaneo [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 1998. — Июнь. — Т. 103, A6. — С. 11961—11972.
61. Cassini observations of magnetic holes in the solar wind and Saturn magnetosheath / T. Karlsson [и др.]. — 2020. — Март.
62. Mirror mode structures in the Jovian magnetosheath / S. P. Joy [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2006. — Дек. — Т. 111, A12.
63. Mirror instability in the magnetosphere of comet Halley / C. T. Russell [и др.] // Geophysical Research Letters. — 1987. — Июнь. — Т. 14, № 6. — С. 644—647.
64. Mass-loading, pile-up, and mirror-mode waves at comet 67P/Churyumov-Gerasimenko / M. Volwerk [и др.] // Annales Geophysicae. — 2016. — Янв. — Т. 34, № 1. — С. 1—15.
65. First observations of magnetic holes deep within the coma of a comet / F. Plaschke [и др.] // Astronomy and Astrophysics. — 2018. — Окт. — Т. 618. — A114.
66. Burlaga, L. F. Trains of magnetic holes and magnetic humps in the heliosheath / L. F. Burlaga, N. F. Ness, M. H. Acuna // Geophysical Research Letters. — 2006. — Нояб. — Т. 33, № 21.
67. Burlaga, L. F. Linear magnetic holes in a unipolar region of the heliosheath observed by Voyager 1 / L. F. Burlaga, N. F. Ness, M. H. Acuna // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2007. — Июль. — Т. 112, A7.
68. Magnetosheath and heliosheath mirror mode structures, interplanetary magnetic decreases, and linear magnetic decreases: Differences and distinguishing features: REVIEW / B. T. Tsurutani [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2011. — Февр. — Т. 116, A2. — n/a—n/a.
69. Observations of kinetic-size magnetic holes in the magnetosheath / S. T. Yao [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2017. — Февр. — Т. 122, № 2. — С. 1990—2000.
70. MMS observations of electron scale magnetic cavity embedded in proton scale magnetic cavity / H. Liu [и др.] // Nature Communications. — 2019. — Март. — Т. 10, № 1.
71. Morse, R. L. Rigid Drift Model of High-Temperature Plasma Containment / R. L. Morse, J. P. Freidberg // The Physics of Fluids. — 1970. — Февр. — Т. 13, № 2. — С. 531—533.
72. Davidson, G. T. An improved empirical description of the bounce motion of trapped particles / G. T. Davidson // Journal of Geophysical Research. — 1976. — Авг. — Т. 81, № 22. — С. 4029—4030.
73. Magnetic field depression within electron holes / I. Y. Vasko [и др.] // Geophysical Research Letters. — 2015. — Апр. — Т. 42, № 7. — С. 2123—2129.
74. Roytershteyn, V. Generation of magnetic holes in fully kinetic simulations of collisionless turbulence / V. Roytershteyn, H. Karimabadi, A. Roberts // Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. — 2015. — Май. — Т. 373, № 2041. — С. 20140151.
75. Schamel, H. Theory of Electron Holes / H. Schamel // Physica Scripta. — 1979. — Сент. — Т. 20, № 3/4. — С. 336—342.
76. A model of electromagnetic electron phase-space holes and its application: A MODEL OF EM EH AND ITS APPLICATION / J. B. Tao [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2011. — Нояб. — Т. 116, A11. — n/a—n/a.
77. Burlaga, L. F. Interplanetary magnetic holes: Theory / L. F. Burlaga, J. F. Lemaire // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 1978. — Нояб. — Т. 83, A11. — С. 5157—5160.
78. Johnson, J. R. Global structure of mirror modes in the magnetosheath / J. R. Johnson, C. Z. Cheng // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 1997. — Апр. — Т. 102, A4. — С. 7179—7189.
79. Electron vortex magnetic holes: A nonlinear coherent plasma structure / C. T. Haynes [и др.] // Physics of Plasmas. — 2015. — Янв. — Т. 22, № 1.
80. Coupling between whistler waves and slow-mode solitary waves / A. Tenerani [и др.] // Physics of Plasmas. — 2012. — Май. — Т. 19, № 5.
81. Cluster observations of whistler waves correlated with ion-scale magnetic structures during the 17 August 2003 substorm event / A. Tenerani [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2013. — Окт. — Т. 118, № 10. — С. 6072—6089.
82. Goodrich, K. A. Electric fields associated with small-scale magnetic holes in the plasma sheet: Evidence for electron currents / K. A. Goodrich, R. E. Ergun, J. E. Stawarz // Geophysical Research Letters. — 2016. — Июнь. — Т. 43, № 12. — С. 6044—6050.
83. Electron dynamics in a subproton-gyroscale magnetic hole / D. J. Gershman [и др.] // Geophysical Research Letters. — 2016. — Май. — Т. 43, № 9. — С. 4112—4118.
84. Dipolarization fronts as a consequence of transient reconnection: In situ evidence / H. S. Fu [и др.] // Geophysical Research Letters. — 2013. — Дек. — Т. 40, № 23. — С. 6023—6027.
85. Motion of the dipolarization front during a flow burst event observed by Cluster / R. Nakamura [и др.] // Geophysical Research Letters. — 2002. — Окт. — Т. 29, № 20.
86. Neutral line model of substorms: Past results and present view / D. N. Baker [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 1996. — Июнь. — Т. 101, A6. — С. 12975—13010.
87. Nagai, T. Magnetic Reconnection in the Near-Earth Magnetotail / T. Nagai, S. Machida // Geophysical Monograph Series. — American Geophysical Union, 03.2013. — С. 211—224.
88. An empirical model for the location and occurrence rate of near-Earth magnetotail reconnection / K. J. Genestreti [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2013. — Окт. — Т. 118, № 10. — С. 6389—6396.
89. Ohtani, S.-i. Temporal structure of the fast convective flow in the plasma sheet: Comparison between observations and two-fluid simulations / S.-i. Ohtani, M. A. Shay, T. Mukai // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2004. — Март. — Т. 109, A3.
90. THEMIS observations of an earthward-propagating dipolarization front / A. Runov [и др.] // Geophysical Research Letters. — 2009. — Июль. — Т. 36, № 14.
91. Kinetic structure of the sharp injection/dipolarization front in the flow-braking region / V. Sergeev [и др.] // Geophysical Research Letters. — 2009. — Нояб. — Т. 36, № 21.
92. Statistical characteristics of particle injections throughout the equatorial magnetotail / C. Gabrielse [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2014. — Апр. — Т. 119, № 4. — С. 2512—2535.
93. Average thermodynamic and spectral properties of plasma in and around dipolarizing flux bundles / A. Runov [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2015. — Июнь. — Т. 120, № 6. — С. 4369—4383.
94. Baumjohann, W. Average plasma properties in the central plasma sheet / W. Baumjohann, G. Paschmann, C. A. Cattell // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 1989. — Т. 94, A6. — С. 6597—6606. — eprint: https : / / agupubs . onlinelibrary. wiley. com / doi / pdf / 10 . 1029 / JA094iA06p06597. — URL: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/ abs/10.1029/JA094iA06p06597.
95. Midnight radial profiles of the quiet and growth-phase plasma sheet: The Geotail observations / C.-P. Wang [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2004. — Дек. — Т. 109, A12.
96. Diversion of plasma due to high pressure in the inner magnetosphere during steady magnetospheric convection / J. Kissinger [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2012. — Май. — Т. 117, A5.
97. Origin of low proton-to-electron temperature ratio in the Earth's plasma sheet / E. E. Grigorenko [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2016. — Окт. — Т. 121, № 10. — С. 9985.
98. Plasma Jet Braking: Energy Dissipation and Nonadiabatic Electrons / Y. V. Khotyaintsev [и др.] // Physical Review Letters. — 2011. — Апр. — Т. 106, № 16. — С. 165001.
99. Pitch angle distribution of suprathermal electrons behind dipolarization fronts: A statistical overview / H. S. Fu [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2012. — Дек. — Т. 117, A12.
100. Zhang, X. On the relationship of electrostatic cyclotron harmonic emissions with electron injections and dipolarization fronts / X. Zhang, V. Angelopoulos // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2014. — Апр. — Т. 119, № 4. — С. 2536—2549.
101. Whistler mode waves at magnetotail dipolarization fronts / H. Viberg [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2014. — Апр. — Т. 119, № 4. — С. 2605—2611.
102. Lower hybrid drift instability at a dipolarization front / A. Divin [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2015. — Февр. — Т. 120, № 2. — С. 1124—1132.
103. Proton/electron temperature ratio in the magnetotail / A. V. Artemyev [и др.] // Annales Geophysicae. — 2011. — Дек. — Т. 29, № 12. — С. 2253—2257.
104. Spatial distributions of the ion to electron temperature ratio in the magnetosheath and plasma sheet / C.-P. Wang [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2012. — Авг. — Т. 117, A8.
105. Kuznetsov, E. A. Dynamical Model for Nonlinear Mirror Modes near Threshold / E. A. Kuznetsov, T. Passot, P. L. Sulem // Physical Review Letters. — 2007. — Июнь. — Т. 98, № 23. — С. 235003.
106. Time scaling of the electron flux increase at GEO: The local energy diffusion model vs observations / M. A. Balikhin [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2012. — Окт. — Т. 117, A10.
107. Radiation belt electron acceleration during the 17 March 2015 geomagnetic storm: Observations and simulations / W. Li [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2016. — Июнь. — Т. 121, № 6. — С. 5520—5536.
108. Variational approach for static mirror structures / E. A. Kuznetsov [и др.] // Physics of Plasmas. — 2015. — Апр. — Т. 22, № 4.
109. Particle Acceleration in the Magnetotail and Aurora / J. Birn [и др.] // Space Science Reviews. — 2012. — Апр. — Т. 173, № 1—4. — С. 49—102.
110. Paschmann, G. In-Situ Observations of Reconnection in Space / G. Paschmann, M. 0ieroset, T. Phan // Space Science Reviews. — 2013. — Февр. — Т. 178, № 2—4. — С. 385—417.
111. Vedenov, A. Some properties of a plasma with an anisotropic ion velocity distribution in a magnetic field / A. Vedenov, R. Sagdeev // Plasma Physics and the Problem of Controlled Thermonuclear Reactions, Volume 3. — 1961. — Т. 3. — С. 332.
112. Kivelson, M. G. Mirror instability II: The mechanism of nonlinear saturation / M. G. Kivelson, D. J. Southwood // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 1996. — Авг. — Т. 101, A8. — С. 17365—17371.
113. Halo and mirror instabilities in the presence of finite Larmor radius effects / O. A. Pokhotelov [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2005. — Окт. — Т. 110, A10.
114. Nonlinear mirror mode dynamics: Simulations and modeling / F. Califano [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2008. — Авг. — Т. 113, A8.
115. Nonlinear mirror waves in non-Maxwellian space plasmas / O. A. Pokhotelov [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2008. — Апр. — Т. 113, A4.
116. Nature of Magnetic Holes above Ion Scales: A Mixture of Stable Slow Magnetosonic and Unstable Mirror Modes in a Double-polytropic Scenario? / L. Zhang [и др.] // The Astrophysical Journal. — 2018. — Авг. — Т. 864, № 1. — С. 35.
117. Oblique electron fire hose instability: Particle-in-cell simulations / P. Hellinger [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2014. — Янв. — Т. 119, № 1. — С. 59—68.
118. Hellinger, P. Electron mirror instability: particle-in-cell simulations / P. Hellinger, S. Stverak // Journal of Plasma Physics. — 2018. — Июль. — Т. 84, № 4.
119. Basu, B. Field-Swelling Instability in Anisotropic Plasmas / B. Basu,
B. Coppi // Physical Review Letters. — 1982. — Март. — Т. 48, № 12. —
C. 799—801.
120. Electron Mirror-mode Structure: Magnetospheric Multiscale Observations / S. T. Yao [и др.] // The Astrophysical Journal Letters. — 2019. — Авг. — Т. 881, № 2. — С. L31.
121. Petviashvili, V. Solitary Waves in Plasmas and in the Atmosphere / V. Petviashvili, O. Pokhotelov. — Gordon, Breach Science Publishers, 1992. — URL: https://books.google.ru/books?id=5yTusPpJ6XUC.
122. Characteristics of ion distribution functions in dipolarizing flux bundles: Event studies / A. Runov [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2017. — Июнь. — Т. 122, № 6. — С. 5965—5978.
123. On the Acceleration and Anisotropy of Ions Within Magnetotail Dipolarizing Flux Bundles / X.-Z. Zhou [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2018. — Янв. — Т. 123, № 1. — С. 429—442.
124. EMHD theory and observations of electron solitary waves in magnetotail plasmas / X.-F. Ji [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2014. — Июнь. — Т. 119, № 6. — С. 4281—4289.
125. Ion anisotropies in the magnetosheath / S. P. Gary [и др.] // Geophysical Research Letters. — 1993. — Сент. — Т. 20, № 17. — С. 1767—1770.
126. Ion Anisotropy-driven waves in the Earth's magnetosheath and plasma depletion layer / R. E. Denton [и др.] // Geophysical Monograph Series. — American Geophysical Union, 1994. — С. 111—119.
127. Electron pitch angle/energy distribution in the magnetotail / A. V. Artemyev [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2014. — Сент. — Т. 119, № 9. — С. 7214—7227.
128. Pritchett, P. L. The kinetic ballooning/interchange instability as a source of dipolarization fronts and auroral streamers / P. L. Pritchett, F. V. Coroniti, Y. Nishimura // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2014. — Июнь. — Т. 119, № 6. — С. 4723—4739.
129. Observation of large-amplitude magnetosonic waves at dipolarization fronts / M. Zhou [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2014. — Июнь. — Т. 119, № 6. — С. 4335—4347.
130. Evolution of the lower hybrid drift instability at reconnection jet front / A. Divin [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2015. — Апр. — Т. 120, № 4. — С. 2675—2690.
131. Aburdzhaniya, G. Short-wavelength drift solitons / G. Aburdzhaniya, A. Mikhailovskii, S. Sharapov // Physics Letters A. — 1984. — Янв. — Т. 100, № 3. — С. 134—136.
132. Shukla, P. K. Magnetic solitons in nonuniform media / P. K. Shukla // Physical Review A. — 1989. — Май. — Т. 39, № 9. — С. 4758—4760.
133. Baumgartel, K. Soliton approach to magnetic holes / K. Baumgärtel // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 1999. — Дек. — Т. 104, A12. — С. 28295—28308.
134. Generation mechanism for magnetic holes in the solar wind / B. Buti [и др.] // Geophysical Research Letters. — 2001. — Апр. — Т. 28, № 7. — С. 1355—1358.
135. Relationship between discontinuities, magnetic holes, magnetic decreases, and nonlinear Alfven waves: Ulysses observations over the solar poles /
B. T. Tsurutani [и др.] // Geophysical Research Letters. — 2002. — Июнь. — Т. 29, № 11.
136. The THEMIS Fluxgate Magnetometer / H. U. Auster [и др.] // Space Science Reviews. — 2008. — Май. — Т. 141, № 1—4. — С. 235—264.
137. The THEMIS ESA Plasma Instrument and In-flight Calibration / J. P. McFadden [и др.] // Space Science Reviews. — 2008. — Окт. — Т. 141, № 1—4. — С. 277—302.
138. First Results from the THEMIS Mission / V. Angelopoulos [и др.] // Space Science Reviews. — 2008. — Июнь. — Т. 141, № 1—4. — С. 453—476.
139. Birn, J. Ion velocity distributions in dipolarization events: Distributions in the central plasma sheet / J. Birn, A. Runov, X.-Z. Zhou // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2017. — Авг. — Т. 122, № 8. —
C. 8014—8025.
140. On the current sheets surrounding dipolarizing flux bundles in the magnetotail: The case for wedgelets / J. Liu [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2013. — Май. — Т. 118, № 5. — С. 2000—2020.
141. Hot electrons as tracers of large-scale structure of magnetotail current sheets / A. V. Artemyev [и др.] // Geophysical Research Letters. — 2011. — Июль. — Т. 38, № 14. — n/a—n/a.
142. Adiabatic electron heating in the magnetotail current sheet: Cluster observations and analytical models / A. V. Artemyev [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2012. — Июнь. — Т. 117, A6.
143. Birn, J. Electron acceleration in the dynamic magnetotail: Test particle orbits in three-dimensional magnetohydrodynamic simulation fields / J. Birn, M. F. Thomsen, M. Hesse // Physics of Plasmas. — 2004. — Май. — Т. 11, № 5. — С. 1825—1833.
144. Particle acceleration in dipolarization events / J. Birn [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2013. — Май. — Т. 118, № 5. — С. 1960—1971.
145. The effects of transient, localized electric fields on equatorial electron acceleration and transport toward the inner magnetosphere / C. Gabrielse [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2012. — Окт. — Т. 117, A10.
146. The role of localized inductive electric fields in electron injections around dipolarizing flux bundles / C. Gabrielse [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2016. — Окт. — Т. 121, № 10. — С. 9560—9585.
147. Lu, S. Electron Cooling and Isotropization during Magnetotail Current Sheet Thinning: Implications for Parallel Electric Fields / S. Lu, A. V. Artemyev, V. Angelopoulos // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2017. — Нояб. — Т. 122, № 11.
148. Whipple, E. A two-dimensional, time-dependent, near-earth magnetotail / E. Whipple, R. Puetter, M. Rosenberg // Advances in Space Research. — 1991. — Янв. — Т. 11, № 9. — С. 133—142.
149. A THEMIS multicase study of dipolarization fronts in the magnetotail plasma sheet / A. Runov [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2011. — Май. — Т. 116, A5.
150. Characteristics of ion flow in the quiet state of the inner plasma sheet / V. Angelopoulos [и др.] // Geophysical Research Letters. — 1993. — Авг. — Т. 20, № 16. — С. 1711—1714.
151. Pritchett, P. L. Structure of exhaust jets produced by magnetic reconnection localized in the out-of-plane direction / P. L. Pritchett // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2015. — Янв. — Т. 120, № 1. — С. 592—608.
152. Pritchett, P. L. Reconnection flow jets in 3D as a source of structured dipolarization fronts / P. L. Pritchett // Earth, Planets and Space. — 2015. — Июнь. — Т. 67, № 1.
153. Pritchett, P. L. Three-dimensional structure and kinetic features of reconnection exhaust jets / P. L. Pritchett // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2016. — Янв. — Т. 121, № 1. — С. 214—226.
154. Schindler, K. MHD stability of magnetotail equilibria including a background pressure / K. Schindler, J. Birn // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2004. — Окт. — Т. 109, A10.
155. Pritchett, P. L. Structure and consequences of the kinetic ballooning/interchange instability in the magnetotail / P. L. Pritchett, F. V. Coroniti // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2013. — Янв. — Т. 118, № 1. — С. 146—159.
156. Pritchett, P. L. A kinetic ballooning/interchange instability in the magnetotail / P. L. Pritchett, F. V. Coroniti // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2010. — Июнь. — Т. 115, A6.
157. Lapenta, G. Self-consistent seeding of the interchange instability in dipolarization fronts: KINK AND INTERCHANGE DURING DIPOLARIZATION / G. Lapenta, L. Bettarini // Geophysical Research Letters. — 2011. — Июнь. — Т. 38, № 11. — n/a—n/a.
158. Magnetic reconnection, buoyancy, and flapping motions in magnetotail explosions / M. I. Sitnov [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2014. — Сент. — Т. 119, № 9. — С. 7151—7168.
159. Energy limits of electron acceleration in the plasma sheet during substorms: A case study with the Magnetospheric Multiscale (MMS) mission / D. L. Turner [и др.] // Geophysical Research Letters. — 2016. — Авг. — Т. 43, № 15. — С. 7785—7794.
160. Plasma Sheet Pressure Variations in the Near-Earth Magnetotail During Substorm Growth Phase: THEMIS Observations / W. J. Sun [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2017. — Дек. — Т. 122, № 12.
161. Constantinescu, O. Self-consistent model of mirror structures /
0. Constantinescu // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. — 2002. — Март. — Т. 64, № 5/6. — С. 645—649.
162. Temerin, M. Ion heating by waves with frequencies below the ion gyrofrequency / M. Temerin, I. Roth // Geophysical Research Letters. — 1986. — Нояб. — Т. 13, № 11. — С. 1109—1112.
163. Diffusive scattering of electrons by electron holes around injection fronts /
1. Y. Vasko [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2017. — Март. — Т. 122, № 3. — С. 3163—3182.
164. Spatial scale of high-speed flows in the plasma sheet observed by Cluster / R. Nakamura [и др.] // Geophysical Research Letters. — 2004. — Май. — Т. 31, № 9.
165. Birmingham, T. J. Pitch angle diffusion in the Jovian magnetodisc / T. J. Birmingham // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 1984. — Май. — Т. 89, A5. — С. 2699—2707.
166. Shustov, P. I. Intermediate regime of charged particle scattering in the field-reversal configuration / P. I. Shustov, A. V. Artemyev, E. V. Yushkov // Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science. — 2015. — Дек. — Т. 25, № 12.
167. Sources of electron pitch angle anisotropy in the magnetotail plasma sheet / A. P. Walsh [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2013. — Окт. — Т. 118, № 10. — С. 6042—6054.
168. Fermi and betatron acceleration of suprathermal electrons behind dipolarization fronts: FERMI VERSUS BETATRON BEHIND DF / H. S. Fu [и др.] // Geophysical Research Letters. — 2011. — Авг. — Т. 38, № 16. — n/a—n/a.
169. Energetic electron acceleration by unsteady magnetic reconnection / H. S. Fu [и др.] // Nature Physics. — 2013. — Июнь. — Т. 9, № 7. — С. 426—430.
170. Electron-acoustic solitons and double layers in the inner magnetosphere / I. Y. Vasko [и др.] // Geophysical Research Letters. — 2017. — Май. — Т. 44, № 10. — С. 4575—4583.
171. Gary, S. P. The electron-acoustic mode / S. P. Gary, R. L. Tokar // The Physics of Fluids. — 1985. — Авг. — Т. 28, № 8. — С. 2439—2441.
172. Electrostatic Steepening of Whistler Waves / I. Y. Vasko [и др.] // Physical Review Letters. — 2018. — Май. — Т. 120, № 19. — С. 195101.
173. Electron-acoustic solitary waves in the Earth's inner magnetosphere / C. S. Dillard [и др.] // Physics of Plasmas. — 2018. — Февр. — Т. 25, № 2.
174. Sagdeev, R. Z. Reviews of Plasma Physics. Т. 4 / R. Z. Sagdeev. — 1st. — New York : Consultants Bureau, 1966.
175. Formisano, V. Small amplitude waves in high beta plasmas / V. Formisano, C. F. Kennel // Journal of Plasma Physics. — 1969. — Февр. — Т. 3, № 1. — С. 55—74.
176. Komarov, N. N. Plasma in a self-consistent magnetic fields / N. N. Komarov, V. M. Fadeev // Soviet Physics JETP. — 1962. — Т. 14, № 2. — С. 378—381.
177. Nicholson, R. B. Solution of the Vlasov Equations for a Plasma in an Externally Uniform Magnetic Field / R. B. Nicholson // The Physics of Fluids. — 1963. — Нояб. — Т. 6, № 11. — С. 1581—1586.
178. Laval, G. Instabilites electromagnetiques des plasmas sans collisions (CN-21/71) / G. Laval, R. Pellat, M. Vuillemin // Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research, Volume II. — 1966. — С. 259—277.
179. Yoon, P. H. Model of ion- or electron-dominated current sheet / P. H. Yoon, A. T. Y. Lui // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2004. — Нояб. — Т. 109, A11.
180. De Keyser, J. Cross-field flow and electric potential in a plasma slab / J. De Keyser, M. Echim, M. Roth // Annales Geophysicae. — 2013. — Авг. — Т. 31, № 8. — С. 1297—1314.
181. Current sheets with inhomogeneous plasma temperature: Effects of polarization electric field and 2D solutions / F. Catapano [и др.] // Physics of Plasmas. — 2015. — Сент. — Т. 22, № 9.
182. Schindler, K. Magnetospheric physics / K. Schindler, J. Birn // Physics Reports. — 1978. — Нояб. — Т. 47, № 2. — С. 109—165.
183. Birn, J. Self-consistent theory of the quiet magnetotail in three dimensions / J. Birn, R. R. Sommer, K. Schindler // Journal of Geophysical Research. — 1977. — Янв. — Т. 82, № 1. — С. 147—154.
184. Stern, D. P. Euler Potentials / D. P. Stern // American Journal of Physics. — 1970. — Апр. — Т. 38, № 4. — С. 494—501.
185. Сковорода, А. Магнитные ловушки для удержания плазмы / А. Сковорода. — Физматлит, 2009.
186. Shafranov, V. D. Plasma Equilibrium in a Magnetic Field / V. D. Shafranov // Reviews of Plasma Physics. — 1966. — Т. 2. — С. 103.
187. Lysak, R. L. Electrodynamic coupling of the magnetosphere and ionosphere / R. L. Lysak // Space Science Reviews. — 1990. — Февр. — Т. 52, № 1/2. — С. 33—87.
188. Ionospheric control of magnetotail reconnection / W. Lotko [и др.] // Science. — 2014. — Июль. — Т. 345, № 6193. — С. 184—187.
189. Magnetotail energy dissipation during an auroral substorm / E. V. Panov [и др.] // Nature Physics. — 2016. — Сент. — Т. 12, № 12. — С. 1158—1163.
190. Newell, P. T. Diffuse, monoenergetic, and broadband aurora: The global precipitation budget / P. T. Newell, T. Sotirelis, S. Wing // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2009. — Сент. — Т. 114, A9.
191. Identification of Auroral Electron Precipitation Mechanism Combinations and Their Relationships to Net Downgoing Energy and Number Flux / J. Dombeck [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2018. — Дек. — Т. 123, № 12.
192. Evidence for kinetic Alfven waves and parallel electron energization at 4-6 RE altitudes in the plasma sheet boundary layer / J. R. Wygant [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2002. — Авг. — Т. 107, A8.
193. Lysak, R. L. Magnetosphere-ionosphere coupling by Alfven waves at midlatitudes / R. L. Lysak // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2004. — Июль. — Т. 109, A7.
194. Birn, J. The substorm current wedge in MHD simulations / J. Birn, M. Hesse // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2013. — Июнь. — Т. 118, № 6. — С. 3364—3376.
195. Origins of the Earth's Diffuse Auroral Precipitation / B. Ni [и др.] // Space Science Reviews. — 2016. — Февр. — Т. 200, № 1—4. — С. 205—259.
196. Relations between multiple auroral streamers, pre-onset thin arc formation, and substorm auroral onset: STREAMERS AND PRECURSOR THIN ARCS / Y. Nishimura [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2011. — Сент. — Т. 116, A9. — n/a—n/a.
197. Lyons, L. R. Unsolved problems: Mesoscale polar cap flow channels' structure, propagation, and effects on space weather disturbances / L. R. Lyons, Y. Nishimura, Y. Zou // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2016. — Апр. — Т. 121, № 4. — С. 3347—3352.
198. Ionospheric Footprints of Detached Magnetotail Interchange Heads / E. V. Panov [и др.] // Geophysical Research Letters. — 2019. — Июль. — Т. 46, № 13. — С. 7237—7247.
199. Longitudinally propagating arc wave in the pre-onset optical aurora / V. M. Uritsky [и др.] // Geophysical Research Letters. — 2009. — Нояб. — Т. 36, № 21.
200. Ionospheric response to oscillatory flow braking in the magnetotail / E. V. Panov [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2013. — Апр. — Т. 118, № 4. — С. 1529—1544.
201. Statistical properties of substorm auroral onset beads/rays / Y. Nishimura [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2016. — Сент. — Т. 121, № 9. — С. 8661—8676.
202. Ballooning-Interchange Instability in the Near-Earth Plasma Sheet and Auroral Beads: Global Magnetospheric Modeling at the Limit of the MHD Approximation / K. A. Sorathia [и др.] // Geophysical Research Letters. — 2020. — Июль. — Т. 47, № 14.
203. Panov, E. V. Understanding Spacecraft Trajectories Through Detached Magnetotail Interchange Heads / E. V. Panov, S. Lu, P. L. Pritchett // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2020. — Май. — Т. 125, № 5.
204. Sandahl, I. Fine structure of optical aurora / I. Sandahl, T. Sergienko, U. Brändström // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. — 2008. — Дек. — Т. 70, № 18. — С. 2275—2292.
205. Rayleigh-Taylor type instability in auroral patches / K. Shiokawa [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2010. — Февр. — Т. 115, A2.
206. A study of fine structure of diffuse aurora with ALIS-FAST measurements / T. Sergienko [и др.] // Annales Geophysicae. — 2008. — Окт. — Т. 26, № 11. — С. 3185—3195.
207. Borovsky, J. E. Auroral arc thicknesses as predicted by various theories / J. E. Borovsky // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 1993. — Апр. — Т. 98, A4. — С. 6101—6138.
208. Quiescent Discrete Auroral Arcs: A Review of Magnetospheric Generator Mechanisms / J. E. Borovsky [и др.] // Space Science Reviews. — 2019. — Дек. — Т. 216, № 1.
209. Galperin, Y. I. Pressure gradient structures in the tail neutral sheet as "roots of the arcs" with some effects of stochasticity / Y. I. Galperin, A. V. Volosevich, L. M. Zelenyi // Geophysical Research Letters. — 1992. — Нояб. — Т. 19, № 21. — С. 2163—2166.
210. On the formation of pre-onset azimuthal pressure gradient in the near-Earth plasma sheet / X. Xing [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2012. — Авг. — Т. 117, A8.
211. Coroniti, F. V. The quiet evening auroral arc and the structure of the growth phase near-Earth plasma sheet / F. V. Coroniti, P. L. Pritchett // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2014. — Март. — Т. 119, № 3. — С. 1827—1836.
212. Vasyliunas, V. M. Mathematical Models of Magnetospheric Convection and its Coupling to the Ionosphere / V. M. Vasyliunas // Particles and Fields in the Magnetosphere / под ред. B. M. McCormac. — Dordrecht : Springer Netherlands, 1970. — С. 60—71.
213. On the propagation of bubbles in the geomagnetic tail / J. Birn [и др.] // Annales Geophysicae. — 2004. — Апр. — Т. 22, № 5. — С. 1773—1786.
214. Stasiewicz, K. On the formation of auroral arcs / K. Stasiewicz // Advances in Space Research. — 1985. — Янв. — Т. 5, № 4. — С. 83—86.
215. Angelopoulos, V. The THEMIS Mission / V. Angelopoulos // Space Science Reviews. — 2008. — Апр. — Т. 141, № 1—4. — С. 5—34.
216. The THEMIS Array of Ground-based Observatories for the Study of Auroral Substorms / S. B. Mende [и др.] // Space Science Reviews. — 2008. — Июнь. — Т. 141, № 1—4. — С. 357—387.
217. Delcourt, D. C. A simple model of magnetic moment scattering in a field reversal / D. C. Delcourt, R. F. Martin, F. Alem // Geophysical Research Letters. — 1994. — Июль. — Т. 21, № 14. — С. 1543—1546.
218. Does a Local B-Minimum Appear in the Tail Current Sheet During a Substorm Growth Phase? / V. A. Sergeev [и др.] // Geophysical Research Letters. — 2018. — Март. — Т. 45, № 6. — С. 2566—2573.
219. Charged particle scattering in dipolarized magnetotail / A. S. Lukin [и др.] // Physics of Plasmas. — 2021. — Окт. — Т. 28, № 10. — С. 102901.
220. Видеозапись камер всего неба THEMIS NRSQ для событий диполяриза-ции с магнитными дырами 17 февраля 2010 года. — URL: https://youtu. be/LZmK6bAPoAA.
221. Auroral streamers: characteristics of associated precipitation,convection and field-aligned currents / V. A. Sergeev [и др.] // Annales Geophysicae. — 2004. — Янв. — Т. 22, № 2. — С. 537—548.
222. Tsyganenko, N. A. A model of the near magnetosphere with a dawn-dusk asymmetry 1. Mathematical structure / N. A. Tsyganenko // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2002. — Авг. — Т. 107, A8.
223. Energy Partition in Magnetic Reconnection in Earth's Magnetotail / J. P. Eastwood [и др.] // Physical Review Letters. — 2013. — Май. — Т. 110, № 22. — С. 225001.
224. Partitioning of integrated energy fluxes in four tail reconnection events observed by Cluster / E. Tyler [и др.] // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2016. — Дек. — Т. 121, № 12.
Список рисунков
1.1 Пример диполизации магнитного поля в ближнем хвосте магнитосферы, наблюдаемый спутником THEMIS D для события №17 из таблицы 1. На графиках построены: (а) три компоненты магнитного поля в координатах GSM; (b) плотность ионов; (с) скорость потока ионов вдоль х в GSM; (d) поперечная
и продольная температуры ионов; (e) скорости электронов vx и vy;
(f) поперечная и продольная температуры электронов......... 19
1.2 Магнитное поле и параметры плазмы для подинтервала
с рисунка 1.1 (отмеченного двумя вертикальными пунктирными линиями): (а) три компоненты магнитного поля в координатах GSM; (b) ионные плотность
и температура (2Т^ + Ту)/3; (с) скорость потока ионов vx; (d) две компоненты скорости потока электронов vx и vy; (e) две компоненты температуры электронов (поперечная ±
и продольная || к магнитному полю)................... 20
1.3 Пример магнитного поля и параметров плазмы внутри двух магнитных дыр из наблюдаемых на рисунке 1.2: (а) три компоненты магнитного поля в координатах GSM; (b) скорость потока электронов vx и vy; (с) две компоненты температуры электронов (поперечная ± и продольная ||); (d) плотности тока, полученные по градиенту Bz и по двум компонентам скорости электронов (vx и vy). 22
1.4 Фазовая плотность электронов внутри одной из магнитных дыр, изображенных на рисунке 1.3: (а) фазовая плотность продольных электронов (питч-угол а < 30°), fy, нормированная на значение fy снаружи вблизи границы данной магнитной дыры; (b) фазовая плотность поперечных электронов (питч-угол а £ [75°, 105°]), f±, нормированная на f± снаружи дыры; (с) интегральная фазовая плотность фоновых электронов и электронов внутри магнитной
дыры по всем направлениям и разница между ними.......... 25
1.5 Гистограмма отношения температуры горячих электронов внутри магнитных дыр T^ot к температуре электронов перед фронтом диполизации Т0............................... 27
1.6 Траектории электронов в пространстве скоростей в процессе адиабатического нагрева во время диполизации. На
панели (а) изображены траектории, возникающие при увеличении экваториального магнитного поля и при постоянной толщине токового слоя с нулевым потенциалом электрического поля. На панели (b) — при утолщении токового слоя с постоянным значением экваториального магнитного поля и также нулевым скалярным потенциалом. Панель (с) демонстрирует результаты при одновременном увеличении экваториального поля и толщины токового слоя, также с нулевым потенциалом. На панелях (d), (f) и (g) можно видеть те же результаты, что и на панели (с), но добавлением результатов с ненулевым значением потенциала электрического поля: зеленым для Ф^ > 0, синим для Ф^ц < 0 и красным для Фти = 0........................... 29
1.7 Моделирование эволюции фазовой плотности электронов
при диполизации. Пунктиром изображены линии равного уровня начального распределения. Цветом изображено итоговое распределение после диполизации (сплошными линиями — соответствующие линии равного уровня)................ 31
1.8 Гистограмма увеличения магнитного поля bz в процессе диполизации, которое необходимо для воспроизведения наблюдаемого распределения электронов внутри магнитных дыр. . . 32
1.9 Распределение наблюдаемых магнитных дыр по потоковой скорости ионов и скорости самих магнитных дыр
в направлении xgsm (vx,hoie,vx), и Vgsm (vy,hoie,vy)........... 33
1.10 Результаты моделирования фронта диполизации [128; 151]. Система координат повернута относительно GSM: хвост магнитосферы направлен в сторону положительного х, Земля находится
в направлении отрицательного х, утренний сектор находится в
направлении положительного у, а вечерний сектор, соответственно,
в направлении отрицательного у. На панелях (a,b) изображено
магнитное поле Bz и логарифм плотности плазмы
в экваториальной плоскости z = 0. На панелях (с, d, e)
построены Bz, и скорости ионов и электронов вдоль среза х = 11
(Bz показана также для х = 12)...................... 36
1.11 (а) Схематические изображение возмущения фронта диполизации.
(b) Схематическое изображение эволюции возмущений фронта диполизации и образования магнитных дыр (локальных минимумов напряженности магнитного поля за фронтом).............. 38
1.12 Распределение отношения ^В"2 + В2/Вг для наблюдаемых магнитных дыр (значение Вг взято на границе дыр).......... 39
2.1 Решения дисперсионного уравнения (2.8) для 0 = ^/2 — 10-3, &ре/&се = 10: (а) нулевая температура (0 = 0) и ионов, и электронов; (Ь) ионы с нулевой температурой и теплые электроны;
(c) теплые и ионы, и электроны; (^ ионы с нулевой температурой, электроны имеют две компоненты с разными ненулевыми температурами (6 = 0.3); (е) ионы теплые, электроны имеют две компоненты с разными ненулевыми температурами (6 = 0.3). Используемые значения температур указаны на графиках......47
2.2 Относительное отклонение аналитической оценки щ (2.13) от численного решения ш(к). Пунктирная линия показывает отклонение упрощенной аналитической оценки с Т, определенной из уравнения (2.12), а сплошные линии для более точной оценки с Т из уравнения (А.4). Использованный угол нормали 6 указан в легенде на графике; остальные значения параметров: 0,ре/&се = 10,
6 = 0.1 рс = 3, = 10 и Д = 4...................... 50
2.3 Фазовая скорость и поляризации как функции к для разных углов в между нормалью волны и магнитным полем. На панели (а) показана фазовая скорость волны для рассматриваемой моды для трех значений в (цветные линии) и тепловая скорость ионов (пунктирная линия; ш/к = у7Д/2д; подробности см. в тексте). На панелях (Ь) и (с) показаны поляризации 1Ё\\/Ё|, 1Вг/В| соответственно. Цветными пунктирными линиями выделены значения в для соответствующих кривых с панели (а). Используемые значения параметров системы: 0,ре/&се = 10, 5 = 0.1
& = 3, & = 15 и Ь = 4.......................... 52
2.4 Возмущения плотности плазмы (холодных электронов, горячих
электронов, ионов и суммарной плотности) для различных значений Рн и угла нормали волны в, соответствующих электромагнитной поляризации исследуемой электронно-магнитозвуковой моды. Разные панели показывают результаты для различных значений в, Рн, которые указаны на каждой из панелей. Оставшиеся параметры системы: &ре/&се = 10, 5 = 0.1 (Зс = 3 и Д = 4....... 54
3.1 Решения для дрейфовой (красным) и анизотропной модели (зеленым): магнитное поле Ьх = ё,ф/ё,х, ток электронов
и электрическое поле ¿х/^л/х....................... 61
3.2 Решения для дрейфовой модели с учетом фоновой плазмы, 6 = 0 — красным, 6 = 0.1 — зеленым и 6 = 0.9 — синим цветами. Сплошные и пунктирные линии соответствуют начальным
значениям йф/йх = 1 и йф/йх = 0.1 соответственно.......... 65
3.3 Решения для анизотропной модели с учетом фоновой плазмы, показаны решения для 5 = 0 — красным, 5 = 0.1 — зелёным и 5 = 0.9 — синим цветом. Сплошные и пунктирные линии соответствуют начальным значениям ¿ф/д>х = 1 и ¿ф/д>х = 0.1 соответственно................................ 67
3.4 Решения для дрейфовой модели с учетом фоновой плазмы
для 5 = 0.1. Цветами обозначены решения для различных амплитуд ионных токов: ш = 0 — красным, ш = -0,1 — зелёным, ш = -0,5 — синим, и ш = -0,9 — черным цветами.................. 68
3.5 Решения для анизотропной модели с учетом фоновой плазмы
при 6 = 0.1. Цветами обозначены решения для различных амплитуд
ионных токов: Ь = 0 — красным, Ь = 0.1 — зелёным, Ь = 0.5 —
синим, и Ь = 0.9 — черным цветами.................... 70
3.6 Зависимость глубины магнитных дыр АВ от их радиуса Я. Дрейфовая модель представлена на левом графике, анизотропная модель — на правом. Сетка представляет собой линии равного уровня 5 и (¿ф/¿х)х=0, цветом обозначена вариация параметра 5. Значения остальных параметров: Ь = 0 и ш = 0, к = 1, т = 5,
Пд = 1, Л = 3................................. 72
3.7 Схематичное изображение иерархии масштабов трехмерной модели магнитной дыры............................... 76
3.8 Линии магнитного поля и амплитуда магнитного поля
в плоскости у = 0 для двухмерной модели магнитных дыр (все переменные зависят только (x,z), компонента Ву = 0)......... 79
3.9 Линии уровня давления плазмы и его амплитуда для двухмерной модели магнитных дыр. На левой панели сечение
в плоскости z = 0, на правой в плоскости у = 0. Стрелками изображен ток jy в направлении оси у.................. 80
3.10 Линии магнитного поля и амплитуда магнитного поля для случая трехмерной модели магнитных дыр: на левой панели изображено сечение в плоскости у = 0, на правой панели в плоскости еу = 1. . . 82
3.11 Линии уровня давления плазмы для трехмерной модели магнитных дыр: на левой панели изображено сечение в плоскости z = 0,
на правой в плоскости у = 0. Стрелки показывают линии электрического тока jx, jy......................... 83
3.12 Линии уровня Bz(х,у) в плоскости z = 0 для трёхмерной модели магнитных дыр............................... 83
3.13 Линии уровня jy для трёхмерной модели магнитных дыр: на левой панели показана плоскость e2z = 0.2, а на правой панели показана плоскость х = 1.5.............................. 84
3.14 Распределение электрического поля в предположении преобладания дрейфа электронов в модели магнитных дыр.............. 87
4.1 Обзорный график для события диполизации №2 из Таблицы 1 по данным спутника THEMIS D от 17 февраля 2010 года: (а) магнитное поле; (b) скорость потока ионов vx^on и электрическое поле Еу = vx^onBz/с; (с) температуры ионов продольная и поперечная; (d) скорость электронов vx и vy; (e) температуры электронов продольная и поперечная; (f) спектр магнитного поля. Серым цветом выделены пересечения магнитных дыр. Пунктирными вертикальными линиями выделен интервал для рисунка 4.2............................... 93
4.2 Подинтервал с рисунка 4.1: (а) магнитное поле; (b) скорость потока ионов vx,ion и электрическое поле Еу = vx,ionBz/с; (с) скорость электронов vx и vy; (d) температуры электронов продольная и поперечная. Серым цветом выделены пересечения магнитных дыр. . 94
4.3 Для четырех магнитных дыр построены: магнитное поле В; восстановленный ток j по вариации магнитного поля и моментам электронов; температура электронов Те. По горизонтальной оси расстояние от центра магнитной дыры в локальных ионных гирорадиусах................................ 95
4.4 Распределение скоростей магнитных дыр в плоскости (Vx,Vy) (скорости определяются сравнением плотности тока
по dBz/dt(Vhoie) и j = -eveiene); синие линии показывают усредненные значения Vx и Vy....................... 97
4.5 (а) Горизонтальная компонента данных наземного магнитометра на SKT. (b) кеограммы север-юг и (с) восток-запад
по данным NRSQ THEMIS. (d-i) Примеры снимков с камер всего неба в различные моменты времени. Север — вверху, восток — справа. Х-образные черные линии — это тени от антенн на площадке наблюдения. С видеозаписью данного события можно ознакомиться по ссылке [220]....................... 98
4.6 Сравнение пространственно-временных характеристик магнитных дыр (слева) и мелкомасштабной структуры сияния (справа):
(а) магнитное поле по данным THEMIS D, (b) Bz с фильтром
верхних частот с отсечением периода менее 60 секунд;
(с) вейвлет-спектры панели (a); (d) интенсивность изображения
в зените по данным камер NRSQ THEMIS; (e) интенсивность
с фильтром верхних частот с отсечением периода менее 60 секунд,
(f) вейвлет-спектры панели (d)...................... 99
4.7 Сравнение пространственых масштабов магнитных дыр (слева) и мелкомасштабной структуры сияния (справа): (а) гистограмма магнитных дыр по наблюдаемому радиусу; (b) пространственные спектры БПФ в направлении восток-запад в 3:17-3:20 UT, пунктирная линия показывает аппроксимацию Гауссианой
на длинноволновой компоненте, по горизонтальной оси построены
два сопряженных масштаба в ионосфере и хвосте магнитосферы. . . 100
Список таблиц
1 Список событий диполизации. N — количество магнитных дыр,
идентифицированных для каждого события............... 17
Приложение А Аналитическое решение дисперсионных уравнений
В этом приложении представлено приближенное аналитическое решение дисперсионного уравнения (2.8) для электронно магнитозвуковой моды с к ^ 0. Анализ численного решения дисперсионного уравнения дает приближение ш — к cos Q\Jfih/2 (используются безразмерные переменные из уравнений (2.1-2.2)). В этом приближении ш, к и cos в много меньше 1, а отношение ш/к cos в порядка 1. Следовательно, к и cos в имеют первый порядок малости (к, cos в ~ £ ^ 1), а ш — второй порядок малости (ш ~ е2). Оценим порядок малости каждого элемента матрицы из уравнения (2.8). В явной форме:
=
к2 cos2 в — ш2/р2, 0, —к2 sin в cos в,
0, к2 —к2 sin в cos в, 0,
0,
к2
Элементы этой матрицы имеют следующий порядок малости:
Л
£4, -, £3,
—, & , —, с3, —, е2
То же самое справедливо и для обратной матрицы Ва из уравнения (2.6). Явный вид этой матрицы (опуская индекс а):
В~1 =
1
р?ш2Л — Ас
дЛс, га Лс/ш, —гаЛс/ш, дЛ,
—iaAsc/ш, y,Asc, iaAsc/u, p,As — 1
где
Л = fiu2 — ф к2,
Ас = ^и2 — фк2 cos2 в, 2
Л — 2 !2 • 2 л
As = —— к sin и,
2
Д
Asc = — к2 sin в cos в. 2
r^j
Следовательно, имеем Л — е2, As — е2, Лс — е4, Asc — е3, и и2Л ^ Лс, p,As ^ 1. Основными элементами этой матрицы являются:
2
^ =
гаш,
—iau, —цш2Лзс/Лс, —р,и2Л/Лс, iauAsc/Ac,
—цш2Лзс/Лс, —iauAsc/Ac, ш2/Лс
Отметим, что в сумме ш2(В- +(1-5)В-1+5В- ), элементы матрицы (1,2) и (2,1) можно опустить ввиду их малости, поскольку эти элементы 3Л/ЛС имеют порядок е4. Таким образом, теперь можно оценить все элементы матрицы В,
-1: a '
£4, £4, £3, е4, е2, е1, £3, е1, е°
Объединив все эти оценки, получаем для уравнения (2.8):
М = Л + и2В-1 + ы2(1 - 6)В-1 + и26В-1
М11, § , М13," V, S4, е3'
М21, М22, М23, r\J £4, е2,
М31, М32, м3 3 £3,
Из этого уравнения можно видеть, что в определителе доминирует IM-I = М11(М22М33 — М23М32) + 0(е8). Корни уравнения при М11 = 0 дают ш = к cos 9/у/Д, что соответствует крупномасштабному приближению (к ^ 0) промежуточных и медленных мод (см. раздел 2.1.2; красные и жёлтые кривые на рисунках 2.1b-2.1e при к ^ 0). Итак, решаем следующее уравнение:
М22М33 — М23М32 =
= (к2 — ^и2 Л — (1 — ¿)ы2 Л — ^ы2 ^
V л* v ; Л^ AhJ
/1 еч^2
Я + (1 — *) Л. +* Aj/ —
Л
Л^
.At
— ш
Л!, v ' Лс„ At
где
Aa = — ^ к2 + 0(е4), 2
Лс = ^2 (1 + о(1/м))
Для простоты введем обозначения для следующих комбинаций параметров:
е = (1 - + 5Л1
Е/ = (1 — S) 2 Ah + A
и перепишем это уравнение как
М22М33 — М23М32 =
к2ш2
— 11 +
2
1 + ^ ) A^AchS + и2ЕЕ/ — к2 cos2 вЕ/2
(A^Ah)
Используя равенство си2Е — к2 cos2 ОЕ/ = AccAh, получим:
к2ш2 ГЛ Д
М22М33 — М23М32 =
A^Ah
с с
1 + ^j Е + Ез
2
= 0.
Это уравнение дает
w2 = ^ cos2 (А.1)
2
где (30 задается следующим выражением:
о = №h + (2 + Д.) ((1 — +
й (1 — ¿)ДС + % + (2 + Д) ,
что можно переписать как:
"о = (1 — ™ + 'А — (1 ^ + g+ Д) • (А.2)
Третье слагаемое мало, если разница температур электронов мала по сравнению с наибольшей температурой (f3h — fic ^ Дн) и если электронная плотность одного компонента мала по сравнению с плотностью другой компоненты ( 6 ^ 1/2 или 6 ~ 1). Таким образом, можно опустить это слагаемое в уравнении (2.10).
Дисперсионное соотношение (А.1) можно также переписать в размерных переменных (см. нормировки в уравнениях (2.1-2.2)):
и = kvT cos в, vt = \/Т/те, (А.3)
т=(1 -+^ - (1—g—^+го (А.4»
где va = cQce/y/pQpe = В0/\J4nn0mi — альфвеновская скорость.
Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.