Solnechno-Zemnaya Fizika Solnechno-Zemnaya Fizika Солнечно-земная физика 2712-9640 22261 10.12737/szf-44201803 Результаты исследований Results of current research Результаты исследований Ion dynamics in magnetosonic shocks front Динамика ионов во фронте магнитозвуковых ударных волн Кичигин Геннадий Николаевич Kichigin Gennadiy Nikolaevich king@iszf.irk.ru

доктор физико-математических наук;

doctor of physical and mathematical sciences;

 Институт солнечно-земной физики СО РАН Иркутск Россия Institute of Solar Terrestrial Physics SB RAS Irkutsk Russian Federation 4 4 23 31 https://naukaru.ru/en/nauka/article/22261/view

В работе рассматривается динамика ионов во фронте магнитозвуковых ударных волн (МЗУВ), движущихся под различными углами θ к вектору магнитного поля. Используется модель ударного разрыва ударной волны, в которой учитывается перепад потенциала в рампе. В результате проведенного анализа, все ионы, набегающие на фронт косых МЗУВ, условно разделены на следующие категории: 1) пролетные, 2) отраженные, 3) вращающиеся перед рампом, 4) захваченные в рампе. Показано, что как вращающиеся, так и захваченные ионы присутствуют временно во фронте МЗУВ с любыми углами θ. В итоге и те, и другие оказываются в строго поперечной МЗУВ пролетными, а в косых МЗУВ — либо пролетными, либо отраженными. Найден критический угол θ*, который в косых МЗУВ разделяет ионы на пролетные и отраженные. Угол θ* зависит как от скорости налетающих на рамп частиц, так и от пространственного размера перепада потенциала в рампе. Cамые важные результаты, полученные при изучении динамики отраженных ионов: 1) установлена физическая причина образования отраженных ионов, имеющих значительную энергию; 2) выявлен механизм их ускорения в рампе. В ионном форшоке околоземной удар-ной волны именно эти энергичные (от десятков до сотен кэВ) ионы, убегающие от ударного фронта МЗУВ под небольшим углом к плоскости фронта, проявляются в наблюдениях в виде так называемых продольных пучков (field-aligned beam — FAB) и формируют границу ионного форшока.

I address the ion dynamics at the front of magnetosonic shocks moving at different angles θ to the magnetic field vector. I employ a shock discontinuity model in which the ramp potential difference is taken into account. The analysis conditionally separates all the ions incoming to the front of oblique magnetosonic shocks into the following categories: 1) transient, 2) reflected, 3) gyrating in front of the ramp, 4) pickup in the ramp. Both gyrating and pickup ions are shown to be present temporarily at the magnetosonic shock front at any angles θ. In the end, both the former and the latter appear to be transient in a strictly transversal magnetosonic shock; and either transient or reflected, in an oblique magnetosonic shock. I have found the critical angle θ* that separates ions into transient and reflected in an oblique magnetosonic shock. The critical angle θ* depends both on the velocity of the particles, incident on ramp, and on dimensions of the ramp potential difference. The most important results are that I have identified the physical cause of the production of the reflected ions having a significant energy and have revealed the mechanism for their acceleration in the ramp (surfing). In the near-Earth shock ion foreshock, these very ener-getic ions (from tens to hundreds of keV) escaping from the magnetosonic shock front at a small angle to the front plane manifest themselves in observations in the form of so-called field-aligned beams (FABs) and form the ion foreshock boundary.

 ударные волны структура фронта магнитозвуковой волны ускорение частиц shock structure of magnetosonic shock front accelerated particles

ВВЕДЕНИЕВ настоящее время наиболее подробно изучена структура ударного фронта квазиперпендикулярных магнитозвуковых ударных волн (МЗУВ), [Leroy, 1982; Leroy et al., 1983; Balogh, Treumann, 2013]. Схематически структуру ударного разрыва поперечной МЗУВ представляют таким образом: набегающий поток плазмы (upstream), небольшое возрастание магнитного поля — подножье (foot), область резких перепадов магнитного и электрического полей — рамп (ramp), овершут-андершут колебания (overshoot-undershoot oscillations) магнитного поля за рампом, плазма за ударным разрывом (downstream). В про-странственной области, называемой рампом, из-за разделения зарядов образуется отражающий ионы перепад потенциала такой величины, что он может существенно затормозить налетающий на фронт МЗУВ поток ионов, за счет чего в рампе формируются резкие перепады скорости и плотности ионов. Образование подножья связывают с ионами, которые выходят из рампа, разворачиваются перед ним магнитным полем и снова попадают в рамп. Подобный разворот иона перед рампом может повторяться несколько раз, в результате чего перед рампом повышается плотность плазмы и образуется подножье [Woods, 1971], где происходит усиление магнитного поля.В этой сложной структуре ударного разрыва МЗУВ самым существенным элементом является область рампа, где имеются скачки основных пара-метров плазмы: магнитного поля, потенциала, ско-рости и плотности. Влияние перепада магнитного поля в рампе на движение ионов не столь суще-ственно и в первом приближении им можно прене-бречь. Это обусловлено тем, что для реальной вели-чины магнитного поля в рампе ларморовский радиус ионов плазмы, движущихся со скоростью, близкой к скорости натекающего потока плазмы, больше или, как правило, значительно больше размера рампа d. Иногда ширина перепада потенциала порядка дебаевского радиуса, т. е. очень мала по сравнению с другими характерными для ударного разрыва масштабами. Учитывая эти обстоятельства, в существующих моделях, представляющих ударный разрыв, в рампе обычно учитывается только перепад потенциала. При этом в нулевом приближении пренебрегают перепадами магнитного поля как в рампе, так и в подножье, т. е. магнитное поле в пределах ударного разрыва считается однородным.

Ерохин Н.С., Моисеев С.С., Сагдеев Р.З. Релятивистский серфинг в неоднородной плазме и генерация космических лучей // Письма в Астрон. журн. 1989. Т. 15. С. 3-10. Alekseyev I.I., Kropotkin A.P. Passage of energetic particles through a magnetohydrodynamic discontinuity surface. Geomagnetism and Aeronomy. 1970, vol. 10, p. 755. Кичигин Г.Н. Исследование процесса ускорения ионов во фронте магнитозвуковой ударной волны с изомагнитным скачком // ЖЭТФ. 1992. Т. 101. С. 1487-1509. Bale S.D., Mozer F.S. Measurement of large parallel and perpendicular electric fields on electron spatial scales in the terrestrial bow shock. Phys. Rev. Lett. 2007, vol. 98, iss. 20, id. 205001. DOI: 10.1103/PhysRevLett.98.205001. Кичигин Г.Н. Особенности ускорения электронов в серфотроне // ЖЭТФ. 1995. Т. 108. С. 1342-1354. Bale S.D., Balikhin M.A., Horbury T.S., Krasnoselskikh V.V., Kucharek H., Mobius E., Walker S.N., Balogh A., Burgess D., Lembege B., Lucek E.A., Scholer M., Schwartz S.J., Thomsen M.F. Quasi-perpendicular shock structure and processes. Space Sci. Rev. 2005, vol. 118, pp. 161-203. DOI: 10.1007/s11214-005-3827-0. Кичигин Г.Н. Серфотронный механизм ускорения космических лучей в галактической плазме // ЖЭТФ. 2001. Т. 119. С. 1038. Balikhin M., Gedalin M., Krasnosselskikh V. The scales in quasiperpendicular shocks. Adv. Space Res. 1995, vol. 15, pp. 247-260. Кичигин Г.Н.. Серфинг и генерация космических лучей в релятивистских ударных волнах // ЖЭТФ. 2009a. Т. 136. С. 476-482. Balogh A., Treumann R.A. Physics of Collisionless Shocks. New York, Springer Science Business Media, 2013, 512 p. DOI: 10.1007/978-1-4614-6099-2. Кичигин Г.Н.. О происхождении энергичных частиц в области форшока околоземной ударной волны // Письма в АЖ. 2009б. Т. 35, № 4. С. 295-303. Chiueh T. Multiple-encounter shock-drift acceleration in nearly perpendicular shocks. Astrophysical J. Pt. 1. 1988, vol. 333, pp. 366-385. Сагдеев Р.З. Коллективные процессы и ударные волны в разреженной плазме // Вопросы теории плазмы. 1964. Вып. 4. М: Атомиздат, 1964. С. 20-80. Dawson J.M., Katsouleas T. Unlimited electron acceleration in laser-driven plasma waves. Phys. Rev. Lett. 1983, vol. 51, pp. 392-396. Alekseyev I.I., Kropotkin A.P. Passage of energetic particles through a magnetohydrodynamic discontinuity surface // Geomagnetism and Aeronomy. 1970. V. 10. P. 755. Decker R.B. Computer modeling of test particle acceleration at oblique shocks. Space Sci. Rev. 1988, vol. 48, pp. 195-262. Bale S.D., Mozer F.S. Measurement of large parallel and perpendicular electric fields on electron spatial scales in the terrestrial bow shock // Phys. Rev. Lett. 2007. V. 98, iss. 20, id. 205001. DOI: 10.1103/PhysRevLett.98.205001. Erokhin N.S., Moiseev S.S., Sagdeev R.Z. Relativistic surfing in nonuniform plasma and generation of cosmic rays. Sov. Astronomy Lett. 1989, vol. 15, no. 1, pp. 3-6. Bale S.D., Balikhin M.A., Horbury T.S., et. al. Quasi-perpendicular shock structure and processes // Space Sci. Rev. 2005. V. 118. P. 161-203. DOI: 10.1007/s11214-005-3827-0. Gosling J.T., Thomsen M.F., Bame S.J., Feldman W.C. Evidence for specularly reflected ions upstream from the quasi-parallel bow shock. Geophys. Res. Lett. 1982, vol. 9, pp. 1333-1336. DOI: 10.1029/GL009i012p01333. Balikhin M., Gedalin M., Krasnosselskikh V. The scales in quasiperpendicular shocks // Adv. Space Res. 1995. V. 15. P. 247-260. Heppner J.P., Maynard N.C., Aggson T.L. Early results from ISEE-1 electric field measurements. Space Sci. Rev. 1978, vol. 22, pp. 777-789. Balogh A., Treumann R.A. Physics of Collisionless Shocks. New York: Springer Science Business Media, 2013. 512 p. DOI: 10.1007/978-1-4614-6099-2. Kichigin G.N. Investigation of the ion acceleration process at a front of magnetoacoustic wave with an isomagnetic discontinuity. Sov. Phys. JETP. 1992, vol. 74, pp. 793-814. Chiueh T. Multiple-encounter shock-drift acceleration in nearly perpendicular shocks // Astrophys. J. Pt. 1. 1988. V. 333. P. 366-385. Kichigin G.N. Properties of surfatron acceleration of electrons. JETP. 1995, vol. 81, no. 4, pp. 736-744. Dawson J.M., Katsouleas T. Unlimited electron acceleration in laser-driven plasma waves // Phys. Rev. Lett. 1983. V. 51. P. 392-396. Kichigin, G. N. Surfatron mechanism of acceleration of cosmic rays in galactic plasma. JETP. 2001, vol. 92, no. 6, pp. 895-903. Decker R.B. Computer modeling of test particle acceleration at oblique shocks //Space Sci. Rev. 1988. V. 48. P. 195-262. Kichigin G.N. Surfing and generation of cosmic rays in relativistic shock waves. 2009a, JETP, vol. 109, no. 3, pp. 408-417. Gosling J.T., Thomsen M.F., Bame S.J., et al. Evidence for specularly reflected ions upstream from the quasi-parallel bow shock // Geophys. Res. Lett. 1982. V. 9. P. 1333-1336. DOI: 10.1029/GL009i012p01333. Kichigin G.N. On an origin of energetic particles in the foreshock region of the Earth’s bow shock. Astronomy Lett. 2009b, vol. 35, no. 4, pp. 261-269. Heppner J.P., Maynard N.C., Aggson T.L. Early results from ISEE-1 electric field measurements // Space Sci. Rev. 1978. V. 22. P. 777-789. Lee M.A., Shapiro V.D., Sagdeev R.Z. Pickup ion energization by shock surfing. J. Geophys. Res. 1996, vol. 101A, pp. 4777-4789. Lee M.A., Shapiro V.D., Sagdeev R.Z. Pickup ion energization by shock surfing // J. Geophys. Res. 1996. V. 101A. P. 4777-4789. Lever E.L., Quest K.B., Shapiro V.D. Shock surfing vs shock drift acceleration. Geophys. Res. Lett. 2001, vol. 28, pp. 1367-1370. Lever E.L., Quest K.B., Shapiro V.D. Shock surfing vs. shock drift acceleration // Geophys. Res. Lett. 2001. V. 28. P. 1367-1370. Leroy M.M. Structure of perpendicular shocks in collisionless plasma. Phys. Fluids. 1982, vol. 26, pp. 2742-2753. Leroy M.M. Structure of perpendicular shocks in collisionless plasma // Phys. Fluids. 1982. V. 26. P. 2742-2753. Leroy M.M., Winske D., Goodrich C.C. Wu C.S., Papadopoulos K. The structure of perpendicular bow shocks. J. Geo-phys. Res. 1983, vol. 87, pp. 5081-5094. Leroy M.M., Winske D., Goodrich C.C., et al. The structure of perpendicular bow shocks // J. Geophys. Res. 1983. V. 87. P. 5081-5094. ErokNewbury J.A., Russell C.T., Gedalin M. The ramp widths of high-Mach-number, quasi-perpendicular collisionless shocks. J. Geophys. Res. 1998, vol. 103, iss. A12, pp. 29581-29594. Newbury J.A., Russell C.T., Gedalin M. The ramp widths of high-Mach-number, quasi-perpendicular collisionless shocks // J. Geophys. Res. 1998. V. 103, iss. A12. P. 29581-29594. Ohsawa Y. Conditions for ion reflection in a large amplitude magnetosonic wave. J. Phys. Soc. Japan. 1990, vol. 59, pp. 2782-2789. Ohsawa Y. Conditions for ion reflection in a large amplitude magnetosonic wave // J. Phys. Soc. Japan. 1990. V. 59. P. 2782-2789. Sagdeev R.Z. Collective processes and shock waves in rarefied plasma. Rev. Plasma Phys. New York, Consult. Bur., 1966, vol. 4, pp. 23-58. Schwartz S., Thomsen M.F., Gosling J.T. Ions upstream of the Earth's bow shock: a theoretical comparison of alternative source populations // J. Geophys. Res. 1983. V. 88, N A3. P. 2039-2047. Schwartz S., Thomsen M.F., Gosling J.T. Ions upstream of the Earth’s bow shock: a theoretical comparison of alternative source populations. J. Geophys. Res. 1983, vol. 88, no. A3, pp. 2039-2047. Sckopke N., Paschmann G., Bame S.J., et al. Evolution of ion distributions across the nearly perpendicular bow shock: specularly and non-specularly reflected ions // J. Geophys. Res. 1983. V. 88. P. 6121-6136. DOI: 10.1029/JA088iA08p06121. Sckopke N., Paschmann G., Bame S.J., Gosling J.T., Russell C.T. Evolution of ion distributions across the nearly perpendicular bow shock: specularly and non-specularly reflected ions. J. Geophys. Res. 1983, vol. 88, pp. 6121-6136. DOI: 10.1029/JA088iA08p06121. Shapiro V.D., User D. Shock surfing acceleration // Planet. Space Sci. 2003. V. 51. V. 665-680. Shapiro V.D., User D. Shock surfing acceleration. Planet. Space Sci. 2003, vol. 51, pp. 665-680. Sugihara R.S., Takeuchi N., Sakai K., Matsumoto M. de Acceleration of charged particles by an electrostatic wave propagation obliquely to a magnetic field // Phys. Rev. Lett. 1984. V. 52. P. 1500-1503. DOI: 10.1103/PhysRevLett.52.1500. Sugihara R.S., Takeuchi N., Sakai K., Matsumoto M. de Acceleration of charged particles by an electrostatic wave propagation obliquely to a magnetic field. Phys. Rev. Lett. 1984, vol. 52, pp. 1500-1503. DOI: 10.1103/PhysRevLett.52.1500. Toptygin I.N. Acceleration of particles by shocks in a cosmic plasma // Space Sci. Rev. 1980. V. 26. P. 157-213. Toptygin I.N. Acceleration of particles by shocks in a cosmic plasma. Space Sci. Rev. 1980, vol. 26, pp. 157-213. Webb G.M., Axford W.I., Terasawa T. On the drift mechanism for energetic charged particles at shocks // Astrophys. J. 1983. V. 270. P. 537-553. Webb G.M., Axford W.I., Terasawa T. On the drift mechanism for energetic charged particles at shocks. Astrophys. J. 1983, vol. 270, pp. 537-553. Wilson III L.B. Low frequency waves at and upstream of collisionless shocks // Low frequency waves in space plasmas. (GMS-216)-AGU-2016. P. 269-292. Wilson III L.B. Low frequency waves at and upstream of collisionless shocks. Low frequency waves in space plasmas. (GMS-216)-AGU-2016, pp. 269-292. Woods L.C. On double structured, perpendicular, magneto-plasma shock waves // Plasma Phys. 1971. V. 13. P. 289-302. DOI: 10.1088/0032-1028/13/4/302. Woods L.C. On double structured, perpendicular, magneto-plasma shock waves. Plasma Phys. 1971, vol. 13, pp. 289-302. DOI: 10.1088/0032-1028/13/4/302.