Токовые слои электронных масштабов, наблюдаемые миссией MMS в русле высокоскоростных потоков в плазменном слое геомагнитного хвоста

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Наблюдения миссии MMS с высоким временным и пространственным разрешением позволили исследовать характеристики интенсивных сверхтонких токовых слоев (СТС) с плотностью тока J > 30 нА/м2, формируемых в русле быстрых плазменных потоков (БПП), распространяющихся в плазменном слое (ПС) геомагнитного хвоста из области магнитного пересоединения. Статистический анализ более 1000 наблюдений СТС в ПС показал, что, в большинстве случаев, ток в СТС является продольным, и основной вклад в его генерацию вносят пучки ускоренных электронов, движущиеся вдоль магнитного поля. Характерная толщина СТС равна нескольким гирорадиусам электронов. В таких слоях электрический ток может переносить популяция размагниченных электронов. На краях и внутри СТС часто наблюдаются всплески сильных неидеальных электрических полей E’ > 10 мВ/м. Генерация таких полей обусловливает плотность мощности энергии, выделяемой в СТС и составляющей несколько сотен пВт/м3, а в некоторых случаях — до нескольких нВт/м3, что сравнимо с мощностью энергии, выделяемой в X-линии. Наиболее сильное энерговыделение наблюдается в СТС, сформированных в русле наиболее высокоскоростных БПП и при сильных вариациях магнитного поля в долях хвоста.

About the authors

Е. Е. Григоренко

Институт космических исследований РАН

Author for correspondence.
Email: elenagrigorenko2003@yandex.ru
Russian Federation, Москва

М. В. Леоненко

Институт космических исследований РАН; Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)

Email: elenagrigorenko2003@yandex.ru
Russian Federation, Москва; Долгопрудный

А. Ю. Малыхин

Институт космических исследований РАН

Email: elenagrigorenko2003@yandex.ru
Russian Federation, Москва

Л. М. Зелёный

Институт космических исследований РАН

Email: elenagrigorenko2003@yandex.ru
Russian Federation, Москва

Х. С. Фу

Университет Бейханг; Главная Лаборатория по мониторингу космической среды и обработке информации

Email: elenagrigorenko2003@yandex.ru

Факультет исследований космоса и окружающей среды

China, Пекин; Пекин

References

  1. Baumjohann W., Roux A., Le Contel et al. Dynamics of thin current sheets: Cluster observations // Annales Geophysicae. 2007. V. 25. P. 1365–1389. https://doi.org/10.5194/angeo-25-1365-2007.
  2. Petrukovich A.A., Artemyev A.V., Malova H.V. et al. Embedded current sheets in the Earth’s magnetotail // J. Geophysical Research. 2011. V. 116. Iss. A00I25. https://doi.org/10.1029/2010JA015749
  3. Grigorenko E.E., Sauvaud J.A., Palin L. et al. THEMIS observations of the current sheet dynamics in response to the intrusion of the high‐velocity plasma flow into the near‐Earth magnetotail // J. Geophysical Research: Space Physics. 2014. V. 119. Iss. 8. P. 6553–6568. https://doi.org/10.1002/2013JA019729
  4. Büchner J., Zelenyi L.M. Regular and chaotic charged particle motion in magnetotail-like field reversals: 1. Basic theory of trapped motion // J. Geophysical Research: Space Physics. 1989. V. 94. Iss. A9. P. 11821–11842. https://doi .org/10.1029/JA094iA09p11821
  5. Zelenyi L.M., Malova H.V., Popov V. et al. Nonlinear equilibrium structure of thin currents sheets: influence of electron pressure anisotropy // Nonlinear Processes in Geophysics. 2004. V. 11. Iss. 1. P. 1–9.
  6. Zelenyi L.M., Malova H.V., Popov V. et al. “Matreshka” model of multilayered current sheet // Geophysical Research Letters. 2006. V. 33. Iss. L05105. https://doi.org/10.1029/2005GL025117
  7. Зеленый Л.М., Малова Х.В., Григоренко Е.Е. и др. Тонкие токовые слои: от работ Гинзбурга-Сыроватского до наших дней // Успехи Физических Наук. 2016. Т. 186. № 11. С. 1153–1188
  8. Burch J., Moore T., Torbert R., Giles B. Magnetospheric multiscale overview and science objectives // Space Science Reviews. 2016. V. 199. Iss. 1. P. 5–21. https://doi.org/10.1007/s11214-015-0164-9
  9. Wang R., Lu Q., Nakamura R. et al. An electron‐scale current sheet without bursty reconnection signatures observed in the near‐Earth tail // Geophysical Research Letters. 2018. V. 45. Iss. 10. P. 4542–4549. doi.org/10.1002/2017GL076330
  10. Leonenko M.V., Grigorenko E.E., Zelenyi L.M. et al. MMS Observations of Super Thin Electron‐Scale Current Sheets in the Earth’s Magnetotail // J. Geophysical Research: Space Physics. 2021. V 26. Iss. 11. Art.ID. e2021JA029641. doi.org/10.1029/2021JA029641
  11. Tsareva O.O., Leonenko M.V., Grigorenko E.E. et al. Nonlinear Equilibrium Structure of Super Thin Current Sheets: Influence of Quasi-Adiabatic Electron Population // J. Geophysical Research-Space Physics. 2023. V. 128. Iss. 6. Art.ID. e2023JA031459. doi: 10.1029/2023JA031459
  12. Tsareva O.O., Leonenko M.V., Grigorenko E.E. et al. Fast tearing mode driven by demagnetized electrons // Geophysical Research Letters. 2024. (in progress)
  13. Малыхин А.Ю., Григоренко Е.Е. Наблюдения спутниками MMS мелкомасштабных магнитных и токовых структур во время продолжительных диполизаций в ближнем геомагнитном хвосте // Физика плазмы. 2021. Т. 47. № 5. С. 410–414. doi: 10.31857/S0367292121050061
  14. Zhou M., Berchem J., Walker R.J. et al. Coalescence of macroscopic flux ropes at the subsolar magnetopause: Magnetospheric Multiscale observations // Physical Review Letters. 2017. V. 119. Iss. 5. https://doi.org/10.1103/physrevlett.119.055101.
  15. Zhou M., Man H.Y., Deng X.H. et al. Observations of secondary magnetic reconnection in the turbulent reconnection outflow // Geophysical Research Letters. 2021. V. 48. Art.ID. e2020GL091215. https://doi.org/10.1029/2020GL091215
  16. Gingell I., Schwartz S.J., Eastwood J.P. et al. Observations of magnetic reconnection in the transition region of quasi-parallel shocks // Geophysical Research Letters. 2019. V. 46. Iss. 3. P. 1177–1184. https://doi.org/10.1029/2018gl081804.
  17. Chen Z.Z., Fu H.S., Wang Z. et al. Evidence of Magnetic Nulls in the Reconnection at Bow Shock // Geophysical Research Letters. 2019. V. 46. P. 10209–10218. doi: 10.1029/2019GL084360
  18. Man H.Y., Zhou M., Deng X.H. et al. In situ observation of magnetic reconnection between an earthward propagating flux rope and the geomagnetic field// Geophysical Research Letters. 2018. V. 45. Iss. 17. P. 8729–8737. https://doi.org/10.1029/2018gl079778.
  19. Lu S., Wang R., Lu Q. et al. Magnetotail reconnection onset caused by electron kinetics with a strong external driver // Nature Communications. 2020. V. 11. Iss. 5049. https://doi.org/10.1038/s41467-020-18787-w
  20. Russell C.T., Anderson B.J., Baumjohann W. et al. The magnetospheric multiscale magnetometers // Space Science Reviews. 2016. V. 199. Iss. 1. P. 189–256. doi.org/10.1007/s11214-014-0057-3
  21. Lindqvist P.A., Olsson G., Torbert R.B. et al. The spin-plane double probe electric field instrument for MMS // Space Science Reviews. 2016. V. 199. Iss. 1. P. 137–165. doi.org/10.1007/s11214-014-0116-9
  22. Pollock C., Moore T., Jacques A. et al. Fast plasma investigation for magnetospheric multiscale // Space Science Reviews. 2016. V. 199. Iss. 1. P. 331–406. doi.org/10.1007/s11214-016-0245-4
  23. Runov A., Angelopoulos V., Sitnov M.I et al. THEMIS observations of an earthward‐propagating dipolarization front // Geophysical Research Letters. 2009. V. 36. Iss. 14. P. 1–7. doi.org/10.1029/2009GL038980.
  24. Robert P., Dunlop M.W., Roux A., Chanteur G. Accuracy of current density determination // Analysis Methods for Multi-Spacecraft Data. Ed. Pashmann G., Daly P.W. / ISSI Scientific Report SR-001. Bern. 1998. P. 395–418.
  25. Hwang K.‐J., Choi E., Dokgo K. et al. Electron vorticity indicative of the electron diffusion region of magnetic reconnection // Geophysical Research Letters. 2019. V. 46. P. 6287–6296. https://doi.org/10.1029/ 2019GL082710
  26. Sönnerup B.U.Ö., Scheible M. Minimum and Maximum Variance Analysis // Analysis Methods for Multi-Spacecraft Data. Ed. Pashmann G., Daly P.W. / ISSI Scientific Report SR-001. Bern. 1998. P. 185–220.
  27. Harvey C. C. Analysis methods for multi-spacecraft data. Bern: ISSI Scientific Report SR-001. 1998. P. 307
  28. Harris E.G. On a plasma sheet separating regions of oppositely directed magnetic field // Nuovo Cimento. 1962. V. 23. P. 115–123.
  29. Drake J.F., Swisdak M., Cattell C. et al. Formation of electron holes and particle energization during magnetic reconnection // Science. 2003. V. 299. P. 873.
  30. Pritchett P.L., Mozer F.S. Asymmetric magnetic reconnection in the presence of a guide field // J. Geophys. Res. 2009. V. 114. Iss. A11210. doi: 10.1029/2009JA014343
  31. Divin A., Lapenta G., Markidis S. et al. Numerical simulations of separatrix instabilities in collisionless magnetic reconnection // Phys. Plasmas. 2012. V. 19. Art.ID. 042110. doi: 10.1063/1.3698621
  32. Lapenta G., Goldman M., Newman D. et al. Electromagnetic energy conversion in downstream fronts from three dimensional kinetic reconnection // Phys. Plasmas. 2014. V. 21. Art.ID. 055702. doi: 10.1063/1.4872028
  33. Torbert R.B., Burch J.L., Phan T.D. et al. Electron-scale dynamics of the diffusion region during symmetric magnetic reconnection in space // Science. 2018. V. 362. P. 1391–1395. doi: 10.1126/science.aat2998
  34. Jain N., Büchner J., Comişel H. et al. Free Energy Sources in Current Sheets Formed in Collisionless Plasma Turbulence // The Astrophysical J. 2021. V. 919. Iss. 103. https://doi.org/10.3847/1538-4357/ac106c.
  35. Egedal J., Fox W., Katz N. et al. Evidence and theory for trapped electrons in guide field magnetotail reconnection // J. Geophys. Res. 2008. V. 113. Iss. A12207. doi: 10.1029/2008JA013520
  36. Egedal J., Daughton W., Lê A. Large-scale electron acceleration by parallel electric fields during magnetic reconnection // Nat. Phys. 2012. V. 8. P. 321–324. doi: 10.1038/NPHYS2249
  37. Sergeev V.A., Angelopoulos V., Nakamura R. Recent advances in understanding substorm dynamics // Geophysical Research Letters. 2012. V. 39. doi: 10.1029/2012GL050859.
  38. Fu H.S., Vaivads A., Khotyaintsev Y.V. et al. Intermittent energy dissipation by turbulent reconnection, // Geophysical Research Letters. 2017. V. 44. P. 37–43. doi: 10.1002/2016GL071787.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences