Флуктуации электрического и магнитного полей в плазменном слое хвоста магнитосферы земли по данным MMS

Обложка

Цитировать

Полный текст

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

Аннотация

Проведен статистический анализ спектров флуктуаций электрического и магнитного поля в плазменном слое хвоста магнитосферы Земли по данным спутников миссии Multiscale Magnetosphere Mission (MMS) за 2017–2022 гг. при небольших скоростях движения плазмы. Рассмотрены результаты измерений комплекса аппаратуры FIELDS. Выделены трехчасовые интервалы, во время которых спутники находились внутри плазменного слоя и плазменный параметр β был больше единицы. Проведен анализ более ста тысяч спектров флуктуаций электрического поля прибором EDP/DCE и магнитного поля прибором FGM. Из рассмотрения были исключены интервалы со скоростями плазмы свыше 100 км/с. Для каждого интервала определены показатели наклонов спектров в частотном диапазоне 0.014–16 Гц. Выявлено, что величины показателей спектров существенно отличаются для электрического и магнитного поля. Получены зависимости показателей спектров от усредненных по интервалу уровней флуктуаций электрического и магнитного полей.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

И. Л. Овчинников

Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д. В. Скобельцына Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: ilya@psn.ru
Россия, Москва

Д. Ю. Найко

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

Email: ilya@psn.ru
Россия, Москва; Москва

Е. Е. Антонова

Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д. В. Скобельцына Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова; Институт космических исследований РАН

Email: ilya@psn.ru
Россия, Москва; Москва

Список литературы

  1. Angelopoulos V., Mukai T., Kokubun S. Evidence for intermittency in Earth’s plasma sheet and implications for self-organized criticality // Physics of Plasmas. 1999. V. 6. P. 4161–4168. https://doi.org/10.1063/1.873681
  2. Antonova E. E., Stepanova M. V. The impact of turbulence on physics of the geomagnetic tail // Frontiers in Astronomy and Space Sciences. 2021. V. 8. Art. ID. 622570. https://doi.org/10.3389/fspas.2021.622570
  3. Baker D. N., Riesberg L., Pankratz C. K. et al. Magnetospheric Multiscale Instrument Suite Operations and Data System // Space Science Reviews. 2016. V. 199. P. 545–575. https://doi.org/10.1007/s11214-014-0128-5
  4. Borovsky J. E., Elphic R. C., Funsten H. O. et al. The Earth’s plasma sheet as a laboratory for flow turbulence in high-β MHD // J. Plasma Physics. 1997. V. 57. Iss. 1. P. 1–34. https://doi.org/10.1017/S0022377896005259
  5. Borovsky J. E., Funsten H. O. MHD turbulence in the Earths plasma sheet: Dynamics, dissipation, and driving // J. Geophysical Research. 2003. V. 108. Iss. A7. Art. ID. 1284. https://doi.org/10.1029/2002JA009625
  6. Burch J. L., Moore T. E., Torbert R. B. et al. Magnetospheric Multiscale overview and science objectives // Space Sci. Rev. 2016. V. 199. P. 5–21. https://doi.org/10.1007/s11214-015-0164-9
  7. Chasapis A., Matthaeus W. H., Parashar T. N. et al. High-resolution statistics of solar wind turbulence at kine-tic scales using the Magnetospheric Multiscale Mission // The Astrophysical J. Letters. 2017. V. 844. Iss. 1. Art. ID. L9. https://doi.org/10.3847/2041-8213/aa7ddd
  8. Ergun R. E., Goodrich K. A., Wilder F. D. et al. Magnetic reconnection, turbulence, and particle acceleration: Observations in the Earth’s magnetotail // Geophysical Research Letters. 2018. V. 45. Iss. 8. P. 3338–3347. https://doi.org/10.1002/2018GL076993
  9. Ergun R. E., Usanova M. E., Turner D. L. et al. Bursty bulk flow turbulence as a source of energetic particles to the outer radiation belt // Geophysical Research. Letters. 2022. V. 49. Iss. 11. Art. ID. e2022GL098113. https://doi.org/10.1029/2022GL098113
  10. Eastwood J. P., Phan T. D., Bale S. D. et al. Observations of turbulence generated by magnetic reconnection // Physical Review Letters. 2009. V. 102. Iss. 03. Art. ID. 035001. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.102.035001
  11. Echim M., Chang T., Kovacs P. Turbulence and complexity of magnetospheric plasmas // Magnetospheres in the Solar System. 1st ed. / ed. R. Maggiolo, N. André, H. Hasegawa, D. T. Welling. John Wiley and Sons, Inc., 2021. Ch. 5. P. 67–91. https://doi.org/10.1002/9781119815624.ch5
  12. Khabarova O. V., Malandraki O., Malova H. et al. Current sheets, plasmoids and flux ropes in the heliosphere. Pt. 1. General and observational aspects: 2-d or not 2-d? // Space Science Reviews. 2021. V. 217. Art. ID. 38. https://doi.org/10.1007/s11214-021-00814-x
  13. Khotyaintsev Y., Lindqvist P.-A., Nilsson T. Spin-plane Double Probe instrument/Axial Double Probe instrument (SDP/ADP) Data Products Guide. 2017. https://lasp.colorado.edu/mms/sdc/public/datasets/fields/EDP_Data_Products_Guide_v1.3.pdf
  14. Leinweber H. K., Bromund K. R., Strangeway R. J. The MMS Fluxgate Magnetometers Science Data Products Guide. 2016. https://lasp.colorado.edu/mms/sdc/public/datasets/fields/FGM_DataProductsGuide2016Apr20.pdf
  15. Овчинников И. Л., Антонова Е. Е. Турбулентный транспорт магнитосферы Земли: обзор результатов наблюдений и моделирования // Геомагнетизм и аэрономия. 2017. Т. 57. № 6. С. 706–714. http://dx.doi.org/10.7868/S0016794017060086 (Ovchinnikov I. L., Antonova E. E. Turbulent transport of the Earth magnitosphere: Review of the results of observations and modeling // Geomagnetism and Aeronomy. 2017. V. 57. Iss.6. P. 655–663. https://doi.org/10.1134/S0016793217060081).
  16. Petrukovich A. A., Malakhov D. V. Variability of magnetic field spectra in the Earth’s magnetotail // Nonlinear Process in Geophysics. 2009. V. 16. P. 691–698. https://doi.org/10.5194/npg-16–691–2009
  17. Pollock C., Moore T., Jacques A. et al. Fast Plasma Investigation for Magnetospheric Multiscale // Space Science Reviews. 2016. V. 199. P. 331–406. https://doi.org/10.1007/s11214-016-0245-4
  18. Rakhmanova L., Riazantseva M., Zastenker G. Plasma and Magnetic Field Turbulence in the Earth’s Magnetosheath at Ion Scales // Frontiers in Astronomy and Space Sciences. 2021. V. 7. Art. ID. 616635. https://doi.org/10.3389/fspas.2020.616635
  19. Stepanova M., Pinto V., Valdivia J. A. et al. Spatial distribution of the eddy diffusion coefficients in the plasma sheet during quiet time and substorms from THEMIS satellite data // J. Geophysical Research. 2011. V. 116. Iss. A5. Art. ID. A00I24. https://doi.org/10.1029/2010JA015887
  20. Stawarz J. E., Matteini L., Parashar T. N. et al. Comparative analysis of the various generalized Ohm’s law terms in magnetosheath turbulence as observed by Magnetospheric Multiscale // J. Geophysical Research: Space Physics. 2021. V. 126. Iss. 1. Art. ID. e2020JA028447. https://doi.org/10.1029/2020JA028447
  21. Taylor G. I. The spectrum of turbulence // Proc. Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences. 1938. V. 164. P. 476–490. https://doi.org/10.1098/rspa.1938.0032
  22. Torbert R. B., Russell C. T., Magnes W. et al. The FIELDS Instrument Suite on MMS: Scientific Objectives, Measurements, and Data Products // Space Science Reviews. 2016. V. 199. P. 105–135. https://doi.org/10.1007/s11214-014-0109-8
  23. Vörös Z., Baumjohann W., Nakamura R. et al. Magnetic turbulence in the plasma sheet // J. Geophysical Research. 2004. V. 109. Iss. A11. Art. ID. 11215. https://doi.org/10.1029/2004JA010404
  24. Vörös Z., Baumjohann W., Nakamura R. et al. Bursty bulk flow driven turbulence in the Earth’s plasma sheet // Space Science Reviews. 2006. V. 122. P. 301– 311. https://doi.org/10.1007/s11214-006-6987-7
  25. Weygant J. M., Kivelson M. G., Khuranaet K. K. et al. Plasma sheet turbulence observed by Cluster II // J. Geophysical Research. 2005. V. 110. Iss. A1. Art. ID. A01205. https://doi.org/10.1029/2004JA010581
  26. Yordanova E., Vörös Z., Varsani A. et al. Electron scale structures and magnetic reconnection signatures in the turbulent magnetosheath // Geophysical Research Letters. 2016. V. 43. Iss. 12. P. 5969–5978. https://doi.org/10.1002/2016GL069191
  27. Zelenyi L., Artemyev A., Petrukovich A. Properties of Magnetic Field Fluctuations in the Earth’s Magnetotail and Implications for the General Problem of Structure Formation in Hot Plasmas // Space Science Reviews. 2015. V. 188. P. 287–310. https://doi.org/10.1007/s11214-014-0037-7

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1а. Параметры ММП и солнечного ветра, геомагнитной активности для интервала 14.VI.2017 в 01:00–04:00 UT по одноминутным данным OMNI. Фоном отмечен анализируемый интервал времени.

Скачать (43KB)
Метаданные
3. Рис. 1б. Флуктуации магнитного (Bx, By, Bz) и электрического (Ex, Ey, Ez) поля в интервале 14.VI.2017 в 01:00–04:00 UT по данным с MMS-1.

Скачать (31KB)
Метаданные
4. Рис. 2. Примеры спектров флуктуаций компонент электрического и магнитного поля при низком уровне флуктуаций (событие 14.VI.2017 в 01:00–04:00 UT). По горизонтальной оси – частота, по вертикальной – спектральная плотность мощности.

Скачать (76KB)
Метаданные
5. Рис. 3а. Параметры ММП и солнечного ветра, геомагнитной активности для интервала 15.VII.2018 в 11:00–14:00 по одноминутным данным OMNI. Фоном отмечен анализируемый интервал времени.

Скачать (36KB)
Метаданные
6. Рис. 3б. Флуктуации магнитного (Bx, By, Bz) и электрического (Ex, Ey, Ez) поля в интервале 15.VII.2018 в 11:00–14:00 по данным с MMS-1.

Скачать (36KB)
Метаданные
7. Рис. 4. Примеры спектров флуктуаций компонент электрического и магнитного поля при повышенном уровне флуктуаций в спокойных геомагнитных условиях (событие 15.VII.2018 в 11:00–14:00).

Скачать (79KB)
Метаданные
8. Рис. 5. Двумерные гистограммы зависимости спектральных индексов x-компоненты электрического поля от уровня флуктуаций компонент электрического поля. Цветом показано количество случаев.

Скачать (114KB)
Метаданные
9. Рис. 6. Двумерные гистограммы зависимости спектральных индексов x-компоненты магнитного поля от уровня флуктуаций компонент магнитного поля. Цветом показано количество случаев.

Скачать (95KB)
Метаданные
10. Рис. 1, П1. Двумерные гистограммы зависимости спектральных индексов x-компоненты электрического поля от уровня флуктуаций компонент электрического поля. Цветом показано количество случаев.

Скачать (116KB)
Метаданные
11. Рис. 2, П1. Двумерные гистограммы зависимости спектральных индексов y-компоненты электрического поля от уровня флуктуаций компонент электрического поля. Цветом показано количество случаев.

Скачать (112KB)
Метаданные
12. Рис. 3, П1. Двумерные гистограммы зависимости спектральных индексов z-компоненты электрического поля от уровня флуктуаций компонент электрического поля. Цветом показано количество случаев.

Скачать (117KB)
Метаданные
13. Рис. 4, П1. Двумерные гистограммы зависимости спектральных индексов x-компоненты электрического поля от уровня флуктуаций компонент магнитного поля. Цветом показано количество случаев.

Скачать (112KB)
Метаданные
14. Рис. 5, П1. Двумерные гистограммы зависимости спектральных индексов y-компоненты электрического поля от уровня флуктуаций компонент магнитного поля. Цветом показано количество случаев.

Скачать (114KB)
Метаданные
15. Рис. 6, П1. Двумерные гистограммы зависимости спектральных индексов z-компоненты электрического поля от уровня флуктуаций компонент магнитного поля. Цветом показано количество случаев.

Скачать (116KB)
Метаданные
16. Рис. 7, П1. Двумерные гистограммы зависимости спектральных индексов x-компоненты магнитного поля от уровня флуктуаций компонент электрического поля. Цветом показано количество случаев.

Скачать (96KB)
Метаданные
17. Рис. 8, П1. Двумерные гистограммы зависимости спектральных индексов y-компоненты магнитного поля от уровня флуктуаций компонент электрического поля. Цветом показано количество случаев.

Скачать (96KB)
Метаданные
18. Рис. 9, П1. Двумерные гистограммы зависимости спектральных индексов z-компоненты магнитного поля от уровня флуктуаций компонент электрического поля. Цветом показано количество случаев.

Скачать (95KB)
Метаданные
19. Рис. 10, П1. Двумерные гистограммы зависимости спектральных индексов x-компоненты магнитного поля от уровня флуктуаций компонент магнитного поля. Цветом показано количество случаев.

Скачать (92KB)
Метаданные
20. Рис. 11, П1. Двумерные гистограммы зависимости спектральных индексов y-компоненты магнитного поля от уровня флуктуаций компонент магнитного поля. Цветом показано количество случаев.

Скачать (91KB)
Метаданные
21. Рис. 12, П1. Двумерные гистограммы зависимости спектральных индексов z-компоненты магнитного поля от уровня флуктуаций компонент магнитного поля. Цветом показано количество случаев.

Скачать (94KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024