Свидетельства существования «скрытого» крупномасштабного электрического поля Ех в тонких токовых слоях.

Тонкий токовый слой
Пересечение ТТС: показано, что сумма токов ионов и электронов относительно хорошо соотносятся с током rotB
Функция распределения протонов состоит из двух частей: холодное ядро и горячие ассиметриченые фланги.
Профиль плотности тока соответствует профилю из модели ТТС

Соотношение между ионными и электронными токами
Runov et al. 2006
Artemyev et al. 2009
Israelevich et al. 2008
Основной ток в ТТС переносят электроны!
Плохая корреляция тока rotB с током ионов!
jp
je
jp+je

Статистика из 60 пересечений ТТС
4π/c(je+ji)~rotB
je>>ji
Asano et al. 2005, Runov et al. 2006, Israelevich et al. 2008, Artemyev et al. 2009
Данный результат противоречит основным теоретическим моделям:
Ti>>Te
ρi>>ρe
ji>>je
?

Составляющие электронного тока
Диамагнитный дрейф:
Дрейф кривизны + ток намагничивания + ток за счёт неоднородности магнитного поля:
ExB дрейф:
Плотность тока в горизонтальных ТС: 4πjy/c=∂Bl/∂z
Средние значения потоковой скорости электроннов

Оценка роли диамагнитного дрейфа и дрейфа кривизны
Диамагнитный дрейф вместе с дрейфом кривизны могут обеспечить только половину наблюдаемой потоковой скорости электронов
VDM,
~20 km/s
VC,
~20 km/s
Более чем в 75% ТС анизотропия электронов порядка 25%!

Дрейф ExB и геометрия токового слоя
После вычитания дрейфа кривизны и диамагнитного дрейфа из потоковой скорости электронов остается величина порядка -40 км/с, которую можно объяснить только дрейфом ExB!
Ez и Bx обращаются в ноль в центре ТС: дрейфа EzBx~0
Для описания остаточного дрейфа электронов необходимо Ex > 0
Величина Ex порядка 0.15 мВ/м
VExB=Vye-VDM-VC
=-40 km/s

Лабораторный эксперимент
Laboratory evidence of Earthward electric field in the
magnetotail current sheet.
S. Minami, A.I. Podgorny and I.M. Podgorny
GRL, 1993
Ex направлено
к Земле

Влияние Ex на функцию распределения протонов
У большинства распределений присутствует сдвиг ядра (ε< 1kev) в область отрицательных скоростей
Ex=0
Ex>0
Сдвиг ядра распределения указывает на наличие Ex=0.1mV/m
-cEx/Bz

Модель поля Ex в
токовом слое

MHD isotropic CS model: ExB drift
Absence of parallel electric field
Field line is also level line of Ay
Dependence φ(Ay) can be assumed by such way that vD will have needed signature (see Birn and Schindler 2002, Yoon and Lui 2004).
Function φ(Ay) in such models should be set but not obtained from considering some physical mechanism!

Анизотропный тонкий токовый слой: 1D
x
z
EII
E⊥
α
dφ/ds =F(s)
Δs≈Δr⊥/tan(α)
Δr⊥
φ1
φ2
φ2=φ1+F(s)Δs
E⊥=-(φ2-φ1)/Δr⊥
E⊥=-F(s)Δs /Δr⊥
E⊥=-F(s)/tan(α)
Ez=EIIsin(α)+E⊥cos(α)
Ex=-EIIcos(α)+E⊥sin(α)
EII=-F(s)
Ez=-F(s)/sin(α)
Ex=0
and
EZ

Анизотропный тонкий токовый слой: 2D
∂Bz/∂x>0
z
x
a
b
φa0
φb0
φa
φb
Δz

Перепад потенциала через слой
Степень анизотропии электронов
Zelenyi et al. 2004
Перепад потенциала через слой Δϕ~0.5Te/e
При Te=1keV и Lx=10RE

Двойная структура распределения протонов и поле Ex
Если асимметрия флангов связана с движением ионов по спайсеровским орбитам
При np/nwing~5 и Ti/Te~3-6 наблюдаемый ток ионов ji оказывается намного меньше тока j0i

Asano, Mukai et al. 2003
Profiles of the curlometer current m-component (black) and the corresponding proton current jp~NpVpy at Cluster 1 (red) and 4
(blue) versus Bx/BL.
Runov et al. 2006