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
