Пространственное распределение коэффициента вихревой диффузии в плазменном слое хвоста магнитосферы Земли и его зависимость от межпланетного магнитного поля и геомагнитной активности по данным спутников MMS

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Представлены результаты статистического анализа распределения коэффициента вихревой диффузии в зависимости от координат в плазменном слое магнитосферы Земли с использованием данных системы спутников Magnetospheric Multiscale Mission за период с 2017 по 2022 г. Локализация спутников внутри плазменного слоя фиксировалась по концентрации и температуре ионов плазмы по данным тех же приборов и значению плазменного параметра β. Обнаружена значительная анизотропия коэффициента вихревой диффузии. Проведен анализ зависимости коэффициента вихревой диффузии от межпланетного магнитного поля, показано, что при южной ориентации межпланетного магнитного поля значения коэффициентов вихревой диффузии в 1.5–2 раза больше, чем при северной. Также показано, что при возмущенных геомагнитных условиях (SML < –200 нТл) значения коэффициентов вихревой диффузии в несколько раз больше, чем при спокойных геомагнитных условиях (SML > –50 нТл).

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Д. Ю. Найко

Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д. В. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова (НИИЯФ МГУ); Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова (МГУ)

Автор, ответственный за переписку.
Email: daniilnaiko@mail.ru

физический факультет

Россия, Москва; Москва

И. Л. Овчинников

Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д. В. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова (НИИЯФ МГУ)

Email: ilya@psn.ru
Россия, Москва

Е. Е. Антонова

Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д. В. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова (НИИЯФ МГУ); Институт космических исследований РАН (ИКИ РАН)

Email: elizaveta.antonova@gmail.com
Россия, Москва; Москва

Список литературы

  1. Антонова Е.Е. О неадиабатической диффузии, выравнивании концентрации и температуры в плазменном слое магнитосферы Земли // Геомагнетизм и аэрономия. 1985. Т. 25. № 4. С. 623—627.
  2. Антонова Е.Е., Воробьев В.Г., Кирпичев И.П., Ягодкина О.И. Сравнение распределения давления плазмы в экваториальной плоскости и на малых высотах в магнитоспокойных условиях // Геомагнетизм и аэрономия. 2014. Т. 54. № 3. С. 300—303. https://doi.org/10.7868/S001679401403002X
  3. Антонова Е.Е., Овчинников И.Л. Равновесие турбулентного токового слоя и токовый слой хвоста магнитосферы Земли // Геомагнетизм и аэрономия. 1996. Т. 36. № 5. С. 7—14.
  4. Ермолаев Ю.И., Петрукович А.А., Зеленый Л.М., Антонова Е.Е., Овчинников И.Л., Сергеев В.А. Исследования структуры и динамики плазменного слоя в эксперименте Коралл проекта Интербол // Космич. исслед. 2000. Т. 38. № 1. С. 16—22.
  5. Овчинников И.Л., Антонова Е.Е., Ермолаев Ю.И. Определение коэффициента турбулентной диффузии в плазменном слое по данным проекта ИНТЕРБОЛ // Космич. исслед. 2000. Т. 38. № 6. С. 596—601.
  6. Овчинников И.Л., Антонова Е.Е., Ермолаев Ю.И. Турбулентность в плазменном слое во время суббурь (Исследование ряда случаев на базе наблюдений хвостового зонда проекта ИНТЕРБОЛ) // Космич. исслед. 2002. Т. 40. № 6. С. 563—570.
  7. Овчинников И.Л., Антонова Е.Е., Найко Д.Ю. Флуктуации электрического и магнитного полей в плазменном слое хвоста магнитосферы Земли по данным MMS // Космич. исслед. 2024. Т. 62. № 1. Принято к печати.
  8. Angelopoulos V., Kennel C.F., Coroniti F.V., Pellat R., Spence H.E., Kivelson M.G., Walker R.J., Baumjohann W., Feldman W.C., Gosling J.T. Characteristics of ion flow in the quiet state of the inner plasma sheet // Geophys. Res. Lett. 1993. V. 20. № 16. P. 1711—1714. https://doi.org/10.1029/93GL00847
  9. Angelopoulos V., Mukai T., Kokubun S. Evidence for intermittency in Earths plasma sheet and implications for selforganized criticality // Phys. Plasmas. 1999. V. 6. № 11. P. 4161—4168. https://doi.org/10.1063/1.873681
  10. Antonova E.E., Kirpichev I.P., Stepanova M.V. Plasma pressure distribution in the surrounding the Earth plasma ring and its role in the magnetospheric dynamics // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2014. V. 115. № 8. P. 32—40. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2013.12.005
  11. Antonova E.E., Kirpichev I.P., Vovchenko V.V., Stepanova M.V., Riazantseva M.O., Pulinets M.S., Ovchinnikov I.L., Znatkova S.S. Characteristics of plasma ring, surrounding the Earth at geocentric distances ~7—10 RE, and magnetospheric current systems // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2013. V. 99. № 7. P. 85—91. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2012.08.013
  12. Antonova E.E., Ovchinnikov I.L. Magnetostatically equilibrated plasma sheet with developed medium-scale turbulence: structure and implications for substorm dynamics // J. Geophys. Res. 1999. V. 104. P. 17289—17297. https://doi.org/10.1029/1999JA900141
  13. Antonova E.E., Stepanova M.V., The impact of turbulence on physics of the geomag-netic tail // Front. Astron. Space Sci. V. 8: 622570. 2001. https://doi.org/10.3389/fspas.2021.622570
  14. Antonova E.E., Vorobjev V.G., Kirpichev I.P., Yagodkina O.I., Stepanova M.V. Problems with mapping the auroral oval and magnetospheric substorms // Earth Planets and Space. 2015. V. 67. https://doi.org/10.1186/s40623-015-0336-6
  15. Borovsky J.E., Elphic R.C., Funsten H.O., Thomsen M.F. The Earth’s plasma sheet as a laboratory for turbulence in high-β MHD // J. Plasma Phys. 1997. V. 57. № 1. P. 1—34. https://doi.org/10.1017/S0022377896005259
  16. Borovsky J.E., Funsten H.E. MHD turbulence in the Earth’s plasma sheet: Dynamics, dissipation and driving // J. Geophys. Res. 2003. V. 107. № A7. https://doi.org/10.1029/2002JA009625
  17. Borovsky J.E., Thomsen M.F., Elphic R.C. The driving of the plasma sheet by the solar wind // J. Geophys. Res. 1998. V. 103. № A8. P. 17617—17639. https://doi.org/10.1029/97JA02986
  18. Burch J.L., Moore T.E., Torbert R.B., Giles B.L. Magnetospheric Multiscale overview and science objectives // Space Sci. Rev. 2016. V. 199. P. 5—21. https://doi.org/10.1007/s11214-015-0164-9
  19. Ergun R.E., Goodrich K.A., Wilder F.D., et al. Magnetic reconnection, turbulence, and particle acceleration: Observations in the Earth’s magnetotail // Geophys. Res. Lett. 2018. V. 45. P. 3338—3347. https://doi.org/10.1002/2018GL076993
  20. Eyelade A.V., Espinoza C.M., Stepanova M., Antonova E.E., Ovchinnikov I.L., Kirpichev I.P. Influence of MHD turbulence on ion kappa distributions in the Earth’s plasma sheet as a function of plasma β parameter // Front. Astron. Space Sci. V. 8: 647121. 2021. https://doi.org/10.3389/fspas.2021.647121
  21. Montgomery D. Remarks on the MHD problem of generic magnetospheres and magnetotails. Magnetotail Physics. Ed. A.T.Y. Lui. 1987. P. 203—204. Baltimore, Md.: Johns Hopkins University Press, 1987.
  22. Nagata D., Machida S., Ohtani S., Saito Y., Mukai T. Solar wind control of plasma number density in the nearEarth plasma sheet: three-dimensional structure // Ann. Geophysicae. 2008. V. 26. № 12. P. 4031—4049. https://doi.org/10.5194/angeo-26-4031-2008
  23. Ovchinnikov I.L., Antonova E.E., Yermolaev Yu.I. Plasma sheet heating during substorm and the values of the plasma sheet diffusion coefficient obtained on the base of Interball/Tail probe observations // Adv. Space Res. 2002. V. 30. № 7. P. 1821—1824. https://doi.org/10.1016/S0273-1177(02)00456-8
  24. Pinto V., Stepanova M., Antonova E.E., Valdivia J.A. Estimation of the eddy-diffusion coefficients in the plasma sheet using THEMIS satellite data // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2011. V. 73. № 7. P. 1472—1477. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2011.05.007
  25. Pollock C., Moore T., Jacques A., et al. Fast Plasma Investigation for Magnetospheric Multiscale // Space Sci. Rev. 2016. V. 199. P. 331—406. https://doi.org/10.1007/s11214-016-0245-4
  26. Stepanova M., Antonova E.E., Paredes-Davis D., Ovchinnikov I.L., Yermolaev Y.I. Spatial variation of eddy-diffusion coefficients in the turbulent plasma sheet during substorms // Ann. Geophysicae. 2009. V. 27. № 4. P. 1407—1411. https://doi.org/10.5194/angeo-27-1407-2009
  27. Stepanova M., Antonova E.E. Modeling of the turbulent plasma sheet during quiet geomagnetic conditions // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2011. V. 73. № 8. P. 1636—1642. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2011.02.009
  28. Stepanova M., Pinto V., Valdivia J.A., Antonova E.E. Spatial distribution of the eddy diffusion coefficients in the plasma sheet during quiet time and substorms from THEMIS satellite data // J. Geophys. Res. 2011. V. 116. № 1. https://doi.org/10.1029/2010JA015887
  29. Stepanova M.V., Vucina-Parga T., Antonova E.E., Ovchinnikov I.L., Yermolaev Yu.I. Variation of the plasma turbulence in the central plasma sheet during substorm phases observed by the Interball/tail satellite // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2005. V. 67. № 11. P. 1815—1820. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2005.01.013
  30. Torbert R.B., Russell C.T., Magnes W., et al. The FIELDS Instrument Suite on MMS: Scientific Objectives, Measurements, and Data Products // Space Sci. Rev. 2016. V. 199. P. 105—135. https://doi.org/10.1007/s11214-014-0109-8
  31. Troshichev O.A., Antonova E.E., Kamide Y. Inconsistence of magnetic field and plasma velocity variations in the distant plasma sheet: violation of the “frozen-in” criterion? // Adv. Space Res. 2002. V. 30. № 12. P. 2683—2687. https://doi.org/10.1016/S0273-1177(02)80382-9
  32. Vörös W., Baumjohann W., Nakamura R., Runov A., et al. Multi-scale magnetic field intermittence in the plasma sheet // Ann. Geophysicae. 2003. V. 21. № 9. P. 1955—1964. https://doi.org/10.5194/angeo-21-1955-2003
  33. Wang C.-P., Lyons L.R., Nagai T., Weygand J.M., Lui A.T.Y. Evolution of plasma sheet particle content under different interplanetary magnetic field conditions // J. Geophys. Res. 2010. V. 115. № 6. https://doi.org/10.1029/2009JA015028
  34. Weygand J.M., Kivelson M.G., Khurana K.K., Schwarzl H.K., et al. Plasma sheet turbulence observed by Cluster II // J. Geophys. Res. 2005. V. 110. № 2. https://doi.org/10.1029/2004JA010581

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Пример годографа скоростей плазмы в плоскостях XY, XZ, YZ для интервала 09:00—09:12 UT 25 мая 2017 г. по данным MMS1.

Скачать (79KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Примеры автокорреляционных функций компонент скорости плазмы для интервала 0:20—0:32 UT 28.05.2017 по данным MMS1: (а) — AXX, (б) — AYY, (в) — AZZ.

Скачать (249KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Усредненные радиальные профили коэффициентов вихревой диффузии при северном направлении межпланетного магнитного поля.

Скачать (341KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Усредненные радиальные профили коэффициентов вихревой диффузии при южном направлении межпланетного магнитного поля.

Скачать (316KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Усредненные радиальные профили коэффициентов вихревой диффузии в спокойной геомагнитной обстановке (SML > –50 нТл).

Скачать (317KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Усредненные радиальные профили коэффициентов вихревой диффузии в возмущенной геомагнитной обстановке (SML < –200 нТл).

Скачать (353KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024