РЕЗОНАНСНОЕ УСКОРЕНИЕ ЧАСТИЦ В ХВОСТЕ МАГНИТОСФЕРЫ

РЕЗОНАНСНОЕ УСКОРЕНИЕ ЧАСТИЦ В ХВОСТЕ МАГНИТОСФЕРЫ

Артемьев А.В., Луценко В.Н., Петрукович А.А., Зелёный Л.М.

ИКИ РАН

Runov et al., 2009Apatenkov et al., 2007

x

Bz

front

0

x

Ey

0

Electric field

y

Direction of front propagation

Sergeev et al., 2009

Фронты диполяризацииthemis

cluster

Interball-tail

Ионы с энергиями < 25кэВМагнитное поле

AnGeo 1997 AnGeo 1997

Частицы высоких энергий

Космические Исследования 1998

Наблюдения фронтов диполизации

Ускоренные частицы

~~200 кэВ200 кэВ ~10~100 кэВ0 кэВ

~10~100 кэВ0 кэВ

Механизм ускорения

Оценка электрического поля даёт: Ey~5 mV/m

На частицы, движущиеся вместе с фронтом, действует электрическое поле Ey

,y z bgE v B

Скорость фронта Величина фонового магнитного поля

212

q qy y y ym m

qy y ym

v E v E t

v v E t

Частицы ускоряются вдоль фронта

Время, необходимое иону, что бы набрать энергию ~150кэВ

T~10 cЭффект захвата частиц Эффект захвата частиц

Динамика частицы в поле электромагнитной волныz

x

y

B0+Bz

Ey

The wave propagates along x-axis

B0 - the uniform magnetic field Bz - the magnetic field of the wave Ey - the electric field of the wave

0

0

( )

( )

y z

z

e ey E B B x

m mce

x B B ymc

sin( ),

sin( ).

z

y

B B kx t

BE kx t

kc

This system can be written in the form of a Hamiltonian system with 1.5 degrees of freedom (Chirikov et al. 1991, Neishtadt et al. 2009)

Capture into resonanceH

sin

y H

y H

v v

kv

kx t

Condition of existing of magnetic field null

Phase portrait

The area A surrounded by the trajectory is an adiabatic invariant: its value is approximately conserved in the evolution

Numerical modeling of ion capture into resonance with wave

212 cosyH kv

cos cosa

s

y s s

S d

kv d

Area under separatrix

Neishtadt et al. 2009

Сопоставление теории и наблюдений

Ускорение частиц вдоль фронта приводит к связи масштабов фронта вдоль направления Утро-Вечер Ry и величины энергии

Распределение значений электрического поля

212

1212

q qy y y ym m

qy y ym

q qy y y ym m

v E v E t

v v E t

y v R E t E

Распределение значений энергии ускоренных частиц

Пространственные масштабы фронта диполяризации

Распределение величин масштабов Распределение величин масштабов фронта диполяризациифронта диполяризации

y qym

RE

Среднее значение ширины фронта диполяризации для статистики из 125 случаев наблюдения

E6 RyR

Interball-Geotail

E4.5 RyR

E6 RyR

Оценка масштаба, основанная на измеряемой энергии

Оценка масштаба, основанная на измеряемой энергии

Роль токов ускоренных частицТок частиц, ускоряемых вдоль фронта диполяризации trap trap p ej qn v v

2 2~ ~y y y y

p ep e

qE R qE Rv v

m m

,~ ~y y ptrap trap trap p bg y

e e

qE R mj qn qn v R

m m

~4

front

frontfront

Bcj

L

Ток частиц, поддерживающий перепада магнитного поля на фронте

~ frontfront bge

trap p y trap

Lj nm

j m R n

~ ~1000

front bgetrap bg

p y

L nmn n

m R

Плотность фоновой плазмы

вероятность захвата электронов Pe и вероятность захвата протонов Pp

Pe ~Pp Pe <<Pp

2~ y y

pp

qE Rv

m

,~ ~y ytrap trap trap p bg y

p

qE Rj qn qn v R

m

~ frontfront bg

trap y trap

Lj n

j R n

~ ~25

front bgtrap bg

y

L nn n

R

Выводы:

• На фронтах диполизации наблюдаются группы частиц(ионов) больших энергий (~100keV)

• В качестве механизма ускорения частиц можно рассматривать ускорение захваченных ионов полем Ey~vpBz

• Сопоставление энергий ускоренных частиц и значений электрического поля Ey~vpBz позволило оценить масштаб фронта диполяризации: Ry[2.5, 10]RE и <Ry>~6RE