Россия
Пущино, г. Москва и Московская область, Россия
Институт космических исследований Российской академии наук
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
УДК 52-854 Магнитосфера
УДК 533.951.7 Турбулентность плазмы
УДК 520.64 Плазменные анализаторы (in situ)
УДК 52-14 Результаты анализа и оценки наблюдений и измерений
В работе проведен анализ зависимостей коэффициентов вихревой диффузии в направлениях X, Y и Z системы координат GSM от плазменного параметра β с учетом расстояния от Земли, направления межпланетного магнитного поля и условий геомагнитной активности в хвосте магнитосферы по данным Magnetospheric Multiscale Mission (MMS). Данные параметры определяются величинами среднеквадратичных скоростей ионов и их автокорреляционными временами. Коэффициенты вихревой диффузии характеризуют величину турбулентного транспорта в хвосте магнитосферы и являются параметрами модели турбулентного плазменного слоя. Анализировалось более 20000 12-минутных интервалов, во время которых спутники MMS находились внутри области с плотностью плазмы более 0.1 см–3 и средней энергией ионов более 0.5 кэВ. Показано, что с возрастанием плазменного параметра растут и коэффициенты вихревой диффузии. Данный рост прекращается при β~1. Анализ относительного вклада изменений среднеквадратичной скорости и автокорреляционного времени в коэффициент вихревой диффузии показал отсутствие существенной зависимости от автокорреляционного времени.
магнитосферная турбулентность, диффузионный транспорт, коэффициенты вихревой диффузии
1. Антонова Е.Е. О неадиабатической диффузии, выравнивании концентрации и температуры в плазменном слое магнитосферы Земли. Геомагнетизм и аэрономия. 1985. Т. 25, № 4. С. 623–627.
2. Антонова Е.Е., Овчинников И.Л. Равновесие турбулентного токового слоя и токовый слой хвоста магнитосферы Земли. Геомагнетизм и аэрономия. 1996. Т. 36, № 5. С. 7–14.
3. Ермолаев Ю.И., Петрукович А.А., Зеленый Л.М. и др. Исследования структуры и динамики плазменного слоя в эксперименте Коралл проекта Интербол. Космические исследования. 2000. Т. 38, № 1. С. 16–22.
4. Найко Д.Ю., Овчинников И.Л., Антонова Е.Е. Пространственное распределение коэффициента вихревой диффузии в плазменном слое хвоста магнитосферы Земли и его зависимость от межпланетного магнитного поля и геомагнитной активности по данным MMS. Геомагнетизм и аэрономия. 2024. Т. 64, № 2. С. 172–179. DOI:https://doi.org/10.1134/S00167932236 00996.
5. 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. DOI:https://doi.org/10.7868/S0016794017060086.
6. Овчинников И.Л., Антонова Е.Е., Ермолаев Ю.И. Определение коэффициента турбулентной диффузии в плазменном слое по данным проекта ИНТЕРБОЛ. Космические исследования. 2000. Т. 38, № 6. С. 596–601.
7. Овчинников И.Л., Антонова Е.Е., Ермолаев Ю.И. Турбулентность в плазменном слое во время суббурь (Исследование ряда случаев на базе наблюдений хвостового зонда проекта ИНТЕРБОЛ). Космические исследования. 2002. Т. 40, № 6. С. 563–570.
8. Овчинников И.Л., Антонова Е.Е., Найко Д.Ю. Флуктуации электрического и магнитного полей в плазменном слое хвоста магнитосферы Земли по данным MMS. Космические исследования. 2024. Т. 62, № 1. С. 13–35. DOI: 10.31857/ S0023420624010021.
9. Рахманова Л.С., Хохлачев А.А., Рязанцева М.О. и др. Развитие турбулентности за околоземной ударной волной в периоды спокойного и возмущенного солнечного ветра. Солнечно-земная физика. 2024. Т. 10, no 2. С. 15–28. DOI:https://doi.org/10.12737/szf-102202402. (Rakhmanova L.S., Khokhlachev A.A., Riazantseva M.O., Yermolaev Yu.I., Zastenker G.N. Development of turbulence behind a near-Earth shock wave during periods of calm and disturbed solar wind. Solar-Terr. Phys. 2024. Vol. 10, no. 2. P. 15–28. DOI:https://doi.org/10.12737/stp-102202402).
10. Alexandrova O., Chen C.H.K., Sorriso-Valvo L., et al. Solar wind turbulence and the role of ion instabilities. Space Sci. Rev. 2013. Vol. 178. P. 101–139. DOI:https://doi.org/10.1007/s11214-013-0004-8.
11. Angelopoulos V., Kennel C.F., Coroniti F.V., et al. Characteristics of ion flow in the quiet state of the inner plasma sheet. Geophys. Res. Lett. 1993. Vol. 20, no 16. P. 1711–1714. DOI:https://doi.org/10.1029/93GL00847.
12. Angelopoulos V., Mukai T., Kokubun S. Evidence for intermittency in Earth’s plasma sheet and implications for selforganized criticality. Phys. Plasmas. 1999. Vol. 6, no 11. P. 4161–4168. DOI:https://doi.org/10.1063/1.873681.
13. Antonova E.E. Quasiturbulent transport and LLBL properties. Adv. Space Res. 2006. Vol. 37. P. 532–536. DOI: 10.1016/ j.asr.2006.01.019.
14. Antonova E.E., Ovchinnikov I.L. Turbulent current sheets and magnetospheric substorms. Proc. International Conference on Substorms. Versailles, 12–17 May 1996. ESA SP-389. Paris: European Space Agency, 1996. P. 255.
15. Antonova E.E., Ovchinnikov I.L. Magnetostatically equilibrated plasma sheet with developed medium-scale turbulence: structure and implications for substorm dynamics. J. Geophys. Res. 1999. Vol. 104, no. A8. P. 17289–17297. DOI: 10.1029/ 1999JA900141.
16. Antonova E.E., Stepanova M.V. The impact of turbulence on physics of the geomagnetic tail. Front. Astron. Space Sci. 2021. Vol. 8. 622570. DOI:https://doi.org/10.3389/fspas.2021.622570.
17. Borovsky J.E. Plasma and magnetic-field structure of the solar wind at inertial-range scale. Sizes discerned from statistical examinations of the time-series measurements. Front. Astron. Space Sci. 2020. Vol. 7. 20. DOI:https://doi.org/10.3389/fspas.2020.00020.
18. Borovsky J.E., Funsten H.E. MHD turbulence in the Earth’s plasma sheet: Dynamics, dissipation and driving. J. Geophys. Res. 2003. Vol. 107, no. A7. DOI:https://doi.org/10.1029/2002JA009625.
19. Borovsky J.E., Elphic R.C., Funsten H.O., Thomsen M.F. The Earth’s plasma sheet as a laboratory for turbulence in high-β MHD. J. Plasma Phys. 1997. Vol. 57, no. 1. P. 1–34. DOI:https://doi.org/10.1017/S0022377896005259.
20. Borovsky J.E., Thomsen M.F., Elphic R.C. The driving of the plasma sheet by the solar wind. J. Geophys. Res. 1998. Vol. 103, no. A8. P. 17617–17639. DOI:https://doi.org/10.1029/97JA02986.
21. Bruno R., Carbone, V. The Solar Wind as a Turbulence Laboratory. Living Rev. Solar Phys. 2013. Vol. 10. P. 1–208. DOI:https://doi.org/10.12942/lrsp-2013-2.
22. Budaev V.P., Zeleny L.M., Savin S.P. Generalized self-similarity of intermittent plasma turbulence in space and laboratory plasmas. J. Plasma Phys. 2015. Vol. 81. 395810602. DOI:https://doi.org/10.1017/S0022377815001099.
23. Burch J.L., Moore T.E., Torbert R.B., Giles B.L. Magnetospheric Multiscale overview and science objectives. Space Sci. Rev. 2016. Vol. 199, no. 1-4. P. 5–21. DOI:https://doi.org/10.1007/s11214-015-0164-9.
24. Eyelade A.V., Espinoza C.M., Stepanova M., et al. Influence of MHD turbulence on ion kappa distributions in the Earth’s plasma sheet as a function of plasma β parameter. Front. Astron. Space Sci. 2021. Vol. 8. 647121. DOI:https://doi.org/10.3389/fspas. 2021.647121.
25. Eyelade A.V., Stepanova M., Espinoza C.M., et al. The response of the Earth magnetosphere to changes in the solar wind dynamic pressure: 1. Plasma and magnetic pressures. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2024a. Vol. 129. e2023JA031948. DOI:https://doi.org/10.1029/2023JA031948.
26. Eyelade A.V., Stepanova M., Espinoza C.M., et al. The response of the magnetosphere to changes in the solar wind dynamic pressure: 2. Ion and electron kappa distribution functions. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2024b. Vol. 129. e2023JA031949. DOI:https://doi.org/10.1029/2023JA031949.
27. Iijima T., Potemra T.A. The amplitude distribution of field-aligned currents at northern high latitudes observed by Triad. J. Geophys. Res. 1976. Vol. 81, no.13. P. 2165–2174. DOI:https://doi.org/10.1029/JA081i013p02165.
28. Montgomery D. Remarks on the MHD problem of generic magnetospheres and magnetotails. Magnetotail Phys. Johns Hopkins University Press, Baltimore. Md. 1987. P. 203–204.
29. Nagata D., Machida S., Ohtani S., et al. Solar wind control of plasma number density in the near Earth plasma sheet: three-dimensional structure. Ann. Geophys. 2008. Vol. 26, no. 12. P. 4031–4049. DOI:https://doi.org/10.5194/angeo-26-4031-2008.
30. Newell P.T., Gjerloev J.W. Evaluation of SuperMAG auroral electrojet indices as indicators of substorms and auroral power. J. Geophys. Res. 2011. Vol. 116. A12211. DOI: 10.1029/ 2011JA016779.
31. Ovchinnikov I.L., Antonova E.E., Yermolaev Yu.I. Plasma sheet heating during substorm and the values of the plasma sheet diffusion coefficient obtained on the base of Interball/Tail probe observations. Adv. Space Res. 2002. Vol. 30, no. 7. P. 1821–1824. DOI:https://doi.org/10.1016/S0273-1177(02)00456-8.
32. Pinto V., Stepanova M., Antonova E.E., Valdivia J.A. Estimation of the eddy-diffusion coefficients in the plasma sheet using THEMIS satellite data. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2011. Vol. 73, no. 7. P. 1472–1477. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp.2011.05.007.
33. Podesta J.J., Borovsky J.E. Scale invariance of normalized cross-helicity throughout the inertial range of solar wind turbulence. Phys. Plasmas. 2010. Vol. 17, no 11. 112905. DOI:https://doi.org/10.1063/1.3505092.
34. Pollock C., Moore T., Jacques A., et al. Fast plasma investigation for magnetospheric multiscale. Space Sci. Rev. 2016. Vol. 199, no. 1-4. P. 331–406. DOI:https://doi.org/10.1007/s11214-016-0245-4.
35. Rakhmanova L., Riazantseva M., Zastenker G., Verigin M. Kinetic-scale ion flux fluctuations behind the quasi-parallel and quasi-perpendicular bow shock. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2018. Vol. 123, no. 7. P. 5300–5314. DOI: 10.1029/ 2018JA025179.
36. Rakhmanova L., Riazantseva M., Zastenker G., et al. Dynamics of plasma turbulence at Earth’s bow shock and through the magnetosheath. Astrophys. J. 2020. Vol. 901, no. 30. DOI:https://doi.org/10.3847/1538-4357/abae00.
37. Riazantseva M., Budaev V., Rakhmanova L., et al. Variety of shapes of solar wind ion flux spectra: Spektr-R measurements. J. Plasma Phys. 2017. Vol. 83, no. 04. 705830401. DOI:https://doi.org/10.1017/S0022377817000502.
38. Sahraoui F., Hadid L., Huang S. Magnetohydrodynamic and kinetic scale turbulence in the near Earth space plasmas: a (short) biased review. Rev. Modern Plasma Phys. 2020. Vol. 4, no. 4. DOI:https://doi.org/10.1007/s41614-020-0040-2.
39. Stepanova M., Antonova E.E. Modeling of the turbulent plasma sheet during quiet geomagnetic conditions. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2011. Vol. 73, no. 8. P. 1636–1642. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp.2011.02.009.
40. Stepanova M.V., Vucina-Parga T., Antonova E.E., et al. Variation of the plasma turbulence in the central plasma sheet during substorm phases observed by the Interball/tail satellite. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2005. Vol. 67, no. 11. P. 1815–1820. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp.2005.01.013.
41. Stepanova M., Antonova E.E., Paredes-Davis D., et al. Spatial variation of eddy-diffusion coefficients in the turbulent plasma sheet during substorms. Ann. Geophys. 2009. Vol. 27, no. 4. P. 1407–1411. DOI:https://doi.org/10.5194/angeo-27-1407-2009.
42. Stepanova M., Pinto V., Valdivia J.A., Antonova E.E. Spatial distribution of the eddy diffusion coefficients in the plasma sheet during quiet time and substorms from THEMIS satellite data. J. Geophys. Res. 2011. Vol. 116, no. 1. DOI:https://doi.org/10.1029/2010JA015887.
43. Torbert R.B., Russell C.T., Magnes W., et al. The FIELDS instrument suite on MMS: Scientific objectives, measurements, and data products. Space Sci. Rev. 2016. Vol. 199, no. 1-4. P. 105–135. DOI:https://doi.org/10.1007/s11214-014-0109-8.
44. Troshichev O.A., Antonova E.E., Kamide Y. Inconsistence of magnetic field and plasma velocity variations in the distant plasma sheet: violation of the “frozen-in” criterion? Adv. Space Res. 2002. Vol. 30, no 12. P. 2683–2687. DOI:https://doi.org/10.1016/S0273-1177(02)80382-9.
45. Tu C.Y., Marsch E. Magnetohydrodynamic structures waves and turbulence in the solar wind: Observations and theories. Space Sci. Rev. 1995. Vol. 73, no. 1-2. P. 1–210. DOI:https://doi.org/10.1007/BF00748891.
46. Volwerk M., Vörös Z., Baumjohann W., et al. Multi-scale analysis of turbulence in the Earth’s current sheet. Ann. Geophys. 2004. Vol. 22, no. 7. P. 2525–2533. DOI: 10.5194/ angeo-22-2525-2004.
47. Vörös W., Baumjohann W., Nakamura R., et al. Multi-scale magnetic field intermittence in the plasma sheet. Ann. Geophys. 2003. Vol. 21, no. 9. P. 1955–1964. DOI: 10.5194/ angeo-21-1955-2003.
48. Vörös Z., Baumjohann W., Nakamura R., et al. Magnetic turbulence in the plasma sheet. J. Geophys. Res. 2004. Vol. 109, no. 11. DOI:https://doi.org/10.1029/2004JA010404.
49. Vörös Z., Baumjohann W., Nakamura R., et al. Bursty bulk flow driven turbulence in the Earth’s plasma sheet. Space Sci. Rev. 2006. Vol. 122, no. 1-4. P. 301–311. DOI:https://doi.org/10.1007/s11214-006-6987-7.
50. Vörös Z., Baumjohann W., Nakamura R., et al. Spatial structure of plasma flow associated turbulence in the Earth’s plasma sheet. Ann. Geophys. 2007. Vol. 25, no. 2. P. 13–17. DOI:https://doi.org/10.5194/angeo-25-13-2007.
51. Wang C.-P., Lyons L.R., Nagai T., et al. Evolution of plasma sheet particle content under different interplanetary magnetic field conditions. J. Geophys. Res. 2010. Vol. 115, no. 6. DOI:https://doi.org/10.1029/2009JA015028.
52. Weygand J.M., Kivelson M.G., Khurana K.K., Schwarzl H.K., et al. Plasma sheet turbulence observed by Cluster II. J. Geophys. Res. 2005. Vol. 110, no. 2. DOI:https://doi.org/10.1029/2004JA010581.
53. Yordanova E., Vaivads A., André M., Buchert S.C., Vörös Z. Magnetosheath plasma turbulence and its spatiotemporal evolution as observed by the Cluster spacecraft. Phys. Rev. Lett. 2008. Vol. 100. 205003. DOI:https://doi.org/10.1103/PHYSREVLETT.100. 205003.
54. URL: https://lasp.colorado.edu/mms/sdc/public/data/ (дата обращения 26 ноября 2024 г.).
55. URL: https://omniweb.gsfc.nasa.gov/ (дата обращения 26 ноября 2024 г.).
56. URL: https://supermag.jhuapl.edu/info/ (дата обращения 26 ноября 2024 г.).
57. URL: https://rscf.ru/project/23-22-00076/ (дата обращения 26 ноября 2024 г.).
