Каскадное магнитное пересоединение как механизм трансформации магнитной энергии в многомасштабных динамических процессах в горячей бесстолкновительной плазме
Одна из важных проблем физики космической плазмы — каким образом магнитная энергия, «запасенная» в хвосте магнитосферы Земли в результате взаимодействия с солнечным ветром, превращается в кинетическую — энергию движения горячей плазмы.
Основным механизмом является так называемое пересоединение силовых линий магнитного поля — процесс, при котором одни линии «разрываются» и «сшиваются» с другими в новой конфигурации. В магнитосферной физике этот процесс довольно хорошо изучен для масштабов порядка тысячи и более километров. Это крупномасштабное магнитное пересоединение ускоряет плазменные потоки (джеты), которые, двигаясь в противоположные стороны из области пересоединения, способны переносить энергию на значительные расстояния. В процессе своего распространения быстрые плазменные потоки передают энергию окружающей плазме. Такое рассеивание (диссипация) энергии быстрых потоков происходит уже на более мелких масштабах и сопровождается нагревом окружающей плазмы. Механизмы перекачки энергии потока в окружающую плазму еще плохо изучены.
Исследователи отдела физики космической плазмы ИКИ РАН проанализировали большой объем наблюдений, которые проводили спутники MMS (Magnetospheric Multiscale, NASA) в плазменном слое (ПС) хвоста магнитосферы Земли. Они установили, что крупномасштабное пересоединение порождает множественные вторичные микропересоединения, происходящие «в русле» быстрых потоков на электронных кинетических масштабах (от нескольких десятков до нескольких сотен км) на значительных расстояниях от «материнского» пересоединения.
В результате первичного крупномасштабного пересоединения образуются так называемые магнитные острова. Они распространяются в плазменном слое и эволюционируют, взаимодействуя с другими магнитными структурами, в частности, ускоряя электронные пучки. Последние, в свою очередь, генерируют интенсивные сверхтонкие токовые слои (СТС), где в результате сложных процессов возникают вторичные микропересоединения, из-за которых родительский «остров» распадается на более мелкие «острова», которые ускоряют новые электронные пучки.
Этот процесс носит каскадный характер, так как может неоднократно повторяться. В результате на значительных расстояниях от первичного макропересоединения можно наблюдать множественные микропересоединения.
Результаты получены сотрудниками отдела физики космической плазмы ИКИ РАН под руководством ведущего научного сотрудника д.ф.-м.н. Григоренко Елены Евгеньевны, экспериментальный результат получен в рамках ПФНИ 2021–2030 «Плазма» раздел 2 «Экспериментальные исследования». Теоретический результат получен в рамках проекта РНФ № 23-12-00031
Дополнительная информация
- Grigorenko, E. E., Leonenko, M. V., Malykhin, A. Y., Zelenyi, L. M., & Fu, H. S. (2024). Intense electric currents and energy conversion observed at electron scales in the plasma sheet during propagation of high‐speed ion bulk flows. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 129, e2023JA032318. https://doi.org/10.1029/2023JA032318
- Tsareva, O. O., Leonenko, M. V., Grigorenko, E. E., Malova, H. V., Popov, V. Yu., & Zelenyi, L. M. (2024). Fast tearing mode driven by demagnetized electrons. Geophysical Research Letters, 51, e2023GL106867. https://doi.org/10.1029/2023GL106867