Устойчивость тонких токовых слоёв и ускорение заряженных частиц

• Автор: Артемьев, Антон Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 137 с. : ил.

Пользуюсь возможностью выразить свою глубокую благодарность научному руководителю академику Л.М. Зелёному за постановку задач и внимание к полученным результатам Автор признателен также всем соавторам статей, результаты которых лег т в основу диссертации, за совместную работу; Вайниптлту Д.Л., DeUourt Г)., Домрипу В.П.. Zimbai-do G., Кропоткину А.П., Маловой X В., Миловапову A.B., Nakamina R., lleuiumudmy A.II., Петруковичу A.A., Попову В.IO. Кроме того, хочется выразить благодарность Х.В. Маловой и В.Ю. Попову за ценные замечания по те кету диссертации.

Оглавление
Список используемых обозначений
Введение
1.1 Токовые слои
1.2 Модели токовых слоев и их внутренняя структура
1.2.1 Одномерные токовые слои
1.2.2 Двухмерные токовые слои с В2 ^
1.2.3 МГД равновесия
1.2.4 Анализ траекторий частиц в токовых слоях
1.2.5 Численное моделирование самосогласованной динамики частиц
1.2.6 Модели приближённых равновесий
1.3 Крупномасштабные неустойчивости токовых слоев
1.3.1 Разрывная неустойчивость
1.3.2 Дрейфовые моды неустойчивости
1.4 Ускорение п транспорт частиц в токовых слоях
1.4.1 Адиабатические механизмы ускорения
1.4.2 Турбулентное ускорение
1.5 Спутниковые наблюдения
1.5.1 Токовые слои по данным спутниковых наблюдений
1.5.2 Разрыв токовых слоев
1.5.3 Колебания токовых слоён
1.5.4 Наблюдения ускоренных частиц в токовых слоях
1.6 Цель работы
Часть 1.
Крупномасштабные осцилляции токового слоя
2.1 Изгибная н перетяжечная неустойчивости тонкого токового слоя
2.1.1 Основные уравнения
Оглавление
2.1.2 Результаты
2.2 Обобщённая теория дрейфовой неустойчивости
2.2.1 Основные уравнения
2.2.2 Результаты
2.2.3 Сопоставление с экспериментом
2.3 Обсуждение результатов
Часть
Разрывная неустойчивость токового слоя.
3.1 Линейная теория
3.1.1 Вариационный принцип и основные уравнения
3.1.2 Необходимое условие неустойчивости
3.1.3 Достаточное условие неустойчивости
3.1.4 Сопоставление с экспериментальными данными
3.2 Нелинейная теория развития разрывной неустойчивости
3.2.1 Нелинейная электронная стадия развития неустойчивости
3.2.2 Образование локальных нулей магнитного ноля
3.2.3 Рост магнитных островов
3.3 Сценарий перехода токового слоя в неустойчивое состояние
3.3.1 Адиабатическое сужение токового слоя
3.3.2 Формирование вложенного токового слоя
3.3.3 Финальная стадия эволюции токового слоя
3.4 Обсуждение результатов
Часть
Ускорение и транспорт частиц в турбулентном токовом слое
4.1 Резонансное взаимодействие заряженной частицы с электромагнитной волной .
4.2 Ускорение частиц в нейтральной плоскости токового слоя
4.2.1 Интегральные характеристики транспорта и ускорения
4.2.2 Тонкая структура транспорта и ускорения
1.3 Ускорение частиц в токовом слое
4.3.1 Энергетические спектры ускоренных частиц
4.3.2 Особенности ускорения и функции распределения
4.4 Обсуждение результатов
Заключение
Литература

Введение
1.5.2 Разрыв токовых слоев
Разрыв токового слоя земной магнитосферы является к почевым э юменгом модели суббури, инициализированной пересоедпнением (66]. История изучения данного вопроса экспериментальными методами еголь обширна, что здсч в мы остановимся лишь на it ее ко 1ькпх работах, результаты которых имени прямое отношение к юме диссертации.
В первую очередь нас будет интересовать вопрос определения удаления положения разрыва токового слоя опюсителыюи Земли. Данная информация важна прежде всего из-за того, что основываясь на ней, можно определить, какими свойствами должен обладали ТС, чтобы в нём могла развиться неустойчивость, отвечающая разрыву. Детектирование магнитного нересоединеиня, связанного с разрывом токового слоя, осуществляется как правило по наблюдению быстрых полоков плазмы, направленных от Земли или к Земле в ?атк имос ш от взаимного расположения спутника и области перссоедииения. Поиск предполагаемого места магнитного цересоедииспня осуществляется различными мол одами, среди которых можно выделить статистический сбор информации о быстрых потоках плазмы, позволяющий пользуясь гипотезой об эргодичности системы, локализовать место нересоединеиня находясь между Землёй и данной об ыстыо, спутник будет наблюдать потки плашы. направленные к Земле; и наоборот - находясь за предполагаемой областью спутник будет наблюдай, потоки, направленные в хвост магнитосферы. Данный подход быт реализован в рамках различных спутниковых миссий (см , иаиример [70, 183]). С другой стороны область маыштного нересоединеиня можно локализовать в пространстве если быстрые потоки плазмы наблюдаются одновременно па нескольких спутниках, часть и'? которых находится между областью нересоединеиня и Землёй, а другая часть за областью пересоедннешш. Такой метод был использован для двух спутников (Ivterball-lnil и Geolail - ем. |178|) и в рамках отдельного проекта THEMIS [53]. Информация, полученная обоими мподами, указывает на область между 15Re и 20Re, как па наиболее вероятное местоположение разрыва токового ( чоя. Рассмотренные в предыдущем разделе тонкие токовые слои были обнаружены спутниками миссии Cluster как раз в этой облаеги земной магнитосферы.
Также немаловажным является вопрос эволюции ТС, предшеств ющий ого разрыву. Данная эволюция включает в себя утоньшение ТС и существенное усиление плотности тока [61, 180]. При этом внешнее к TTC магнитное поле Bext в ходе данной эволюции меняется слабо, и весь процесс усиления токов связан с образованием вложенной структуры юкового слоя [182]. Сам процесс эволюции можно условно разделить на несколько частей. Так в ходе первой стадии ТС утоньшается, нормальная компонента магнитного ноля в слое Dz уменьшается, а плотность тока растёт как 1/Вг [180). Па второй стадии эволюции основными носителями тока в ТС (в его центральной части) вместо ионов становятся электроны |61]. При этом в