СВОДКА НЕДАВНИХ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИПОЛИЗАЦИЙ И ИНЖЕКЦИЙ ПЛАЗМЫ В ХВОСТЕ МАГНИТОСФЕРЫ В ПРОЕКТЕ THEMIS

THEMIS 2010-…
- hjmn
-
-

THEMIS 2010-…
- hjmn
-
-

THEMIS 2010-…
- hjmn
-
-

ДИПОЛИЗАЦИИ И ИНЖЕКЦИИ ПЛАЗМЫ
В ХВОСТЕ МАГНИТОСФЕРЫ
Струйные транзиентные потоки (BBF) :
Принципиальные вопросы
Турбулентность или структуры?
Характеристики фронтов?
Торможение во внутренней магнитосфере?
Энтропия инжектированной плазмы?
BBF и начало взрывной фазы суббури
Темы сообщения
1. Распространение BBF в плазменном слое с сохранением структуры, торможение во внутренней магнитосфере
2. Кинетическая структура фронта инжекции
3. Термодинамические характеристики BBF
4. Последовательность/механизм начала ВФ суббури/аврорального брейкапа Пересоединение ? BBF ? авроральный брейкап

Распространение BBF в плазменном слое
Runov et al., GRL 2009, L14106;
Planet..Space Sci 2010
BBF - индивидуальная среднемасшт. структура, сохраняется на масштабе минут; ∃ область взаимодействия
Vtransp ~ Vxp (до фронта);
↑BZ, T ↓N, P, PV γ ⇒ недогруженные трубки
(plasma bubbles);
Турбулентность внутри BBF;
Vx~300 km/s – VA?? Пересоединение во вложенном ТТС на замкнутых силовых линиях?

Среднестатистический BBF

Торможение BBF
Panov et al., JGR 2009, in press
рой спутников r ~10-14Re , техника карт скорости
прохождение BBF р1 р2 р3
рост давления в более широкой области, торможение BBF
возвратное течение и обтекание (Vy) внутренней области); вихри скорости
P3 P2 P1
P5 P4

Первое детальное наблюдение границы инжекции (границы BBF\диполизации), распространяющейся с торможением на периферии квазидипольной области
(Sergeev et al., GRL 2009, Zhou et al., GRL 2009)
Themis 3 SC at 9…11Re
геометрия, масштаб и свойства границы
микроструктура и волновые явления
Кинетическая структура фронта инжекции

Feb.23,2008 event f : Sharp Dipolarization Front (SDF)
Time delay P3,P4?P5 dt=53sec, Earthward propagation Vx~220km/s from 11.3Re?9.5Re
Prior to SDF Vix~200km/s at P3, P4, Vix~70km at P5 ,
propagtion with plasma, ? flow braking
MVA normals
SC λ2/λ3 N N3 R
P3 28.77 28 [0.95; 0.04; 0.30] [-11.3; 1.7; -2.7] gsm
P4 32.02 16 [0.93; 0.09; 0.34] [-11.1; 2.6; -2.8] gsm
P5 7.49 16 [0.94;-0.21; 0.24] [ -9.3 ; 1.3; -2.6] gsm
SDF duration (peak-to-peak Bz increase) ~4sec at P4, P5, ~7sec at P3. Front thickness 220km/s * 4sec = <880 km Ion gyroradius Wi=7keV in Bz=20nT rcp= 600km ion inertial length for n=0.3 cm-3 lpi = 420 km
SDF = Thin (gyro-scale) vertical current sheet !
Dipolarization Front at spin resolution

Spacecraft P5 (9.3Re) :
Sudden change of particle distributions at Sharp Dipolarization Front (in one spin)
energization of both p, e
electrons: field-aligned bi-directional before SDF (at P3,P4,P5) ,
stay bi-directional at P3,P4, at P5 change to pancake (energetic) + bidirectional (low energies) after SDF
SDF – particle features

Spacecraft P5 (9.3Re) :
Sharp temperature boundary
protons (looking ~ ⊥ B) : nice Zigzag pattern with complementary patterns at high/low energies; size ~ Wp1/2 - finite gyroradius effect of sharp temperature boundary co-located with TCS
Remote sensing of Earthward-moving temperature boundary: Vx ~ 2rci / Δt ~ 2*760km/15s ~100km/s -consistent with ion velocity Vx~80km/s (measured in front of SDF).
Ion (finite gyroradius) pattern at SDF
TCS

Substructure of the thin current sheet :
2 outer Themis spacecraft Electrons take ~2sec for complete replacement cold ? hot population at P3,P4;
Deep density depletion (from probe 1,2 potential Vp) colocated with :
Very intense E-field ~40-60mV/m in the spin plane (Esp) which have the wave/bursts time scale of 100 msec, about Low Hybrid timescale (fLH~13Hz)
f LH2 = fpi2 fce2 (fpe2 + fce2) -1
Zoom of TCS and energization boundary (within 1 spin timescale)

Свойства фронта диполизации
Zhou et al.,GRL 2009
Холловское Е на фронте (~обобщ. з-н Ома)
- Интенсивная волновая активность, от LH волн до ECH волн за фронтом

Первые детальное наблюдения границы инжекции (границы BBF) на периферии квазидипольной области
Themis 3 SC at 9…11Re
Фронт диполизации на экваторе – перемещающаяся с плазмой долгоживущая (минуты) пространственная граница: вертикальный токовый слой толщиной ~1-2 ионного микромасштаба, -- TD ?
совпадает с тонкой температурной границей (толщиной ~400 км) двух плазм (p,e), фоновой (cold/dense) и инжектированной (горячая разреженная плазма, plasma bubble)
интенсивные Е-всплески в кавернах плотности LH масштаба на температурной границе (сходство с LHCavities),
Следствие резкой температурной границы? Роль в ускорении частиц?
прочие волны …
Кинетическая структура фронта инжекции

ДИПОЛИЗАЦИИ И ИНЖЕКЦИИ ПЛАЗМЫ
В ХВОСТЕ МАГНИТОСФЕРЫ
Струйные транзиентные потоки (BBF) :
Принципиальные вопросы
Турбулентность или структуры?
Торможение во внутренней магнитосфере?
Энтропия инжектированной плазмы?
Характеристики фронтов?
BBF и начало взрывной фазы суббури
Природа (движения) во внутреннюю магнитосферу?
Термодинамические характеристики плазмы BBF
(доклад С. Дубягина)

BBF и начало взрывной фазы суббури
Струйные транзиентные потоки (BBF) :
Принципиальные вопросы
Турбулентность или структуры?
Характеристики фронтов?
Торможение во внутренней магнитосфере?
Энтропия инжектированной плазмы?
BBF и начало взрывной фазы суббури
P5 : lobe
CD control
Minimal Ideal Coverage
Minimal Ideal Coverage

BBF и начало взрывной фазы суббури
Идеальная конфигурация SC
Предв. фаза: GP1(30мин) рост тока + утоньшение ПС;
GP2 (15мин) –быстрый рост ТТС (LH ~0.15Re), в центре
|B|, Bz <2nT на 11 Re !

Начало взрывной фазы
SC на долготе брейкапа
задержки: брейкап+электроджет
? 14Re ? 11Re ? 6.6Re
BBF

BBF и начало взрывной фазы суббури
Процесс взрыва установлен в ТТС на r>14Re
- задержки, проектирование
падение Те за фронтом диполизации (источник плазмы – во внешних трубках ПС),
Среднемасштабные структуры типов BBF, TCR, CD, NFTE
Проявления/отображение одной и той же плазменной структуры, видимой из разных точек наблюдения,
Волновые формы вариаций Вx,Bz,Ey,Vz в долях (P5) интерпретируются моделью импульсного пересоединения

BBF и начало взрывной фазы суббури
Среднемасштабные структуры типов BBF, TCR, CD, NFTE
Проявления/отображение одной и той же плазменной структуры, видимой из разных точек наблюдения (Z)
Волновые формы вариаций Вx,Bz,Ey,Vz в долях (P5) соответствуют прогнозу модели импульсного пересоединения; расстояние до области пересоединения ~ 5-10Re
из Sharma et al.(2008)

В заключение …
2009 THEMIS :
Струйные транзиентные потоки (BBF)
Турбулентность или структуры?
Характеристики фронтов? TCS/TD/…
Торможение во внутренней магнитосфере?
Энтропия инжектированной плазмы? (bubbles)
BBF и начало взрывной фазы суббури
Область генерации брейкапа ⇐ TCS
Пересоединение ? BBF ? авроральный брейкап
ICS-10
AR/THEMIS
⇒ 2012→2016

Спасибо за внимание !

Example of multiple injections: P3,P4,P5 triangle in XY plane near Neutral Sheet
Steady Earthward ∇P, ∇B : SC are at the periphery of dipole-like region
5 distinct Dipolarizations (DIP),
basic features :
Plasma (and total) pressure generally increase during DIP events; also pressure dropped (for short time) in many cases (bubbles)
Generally density & pV γ
decrease inside DIPs; less
pronounced at the inner SC
HE particle flux increases at DIP fronts (dispersionless)
Later - zoom in : event f
Example of Dipolarizations at the periphery of dipole-like region – general properties

Substructure of the thin current sheet :
Electrons take ~2sec for complete replacement of population (energization) at P3,P4;
Large density depletion (from probe1,2 potential Vp) colocated with :
Very intense E-field ~40-60mV/m in the spin plane (Esp) which have the wave/bursts time scale of 100 msec, about Low Hybrid timescale (fLH~13Hz)
Nearly same structure in the flow braking region (P5) but with smaller depletion and longer electron energy change:
Density depletion + intense LH E-field resemble the (weaker!) LH Cavities previously studied in strong B low-altitude region
Zoom of TCS and energization boundary (within 1 spin timescale)

Individual injection – zoom in..
SDF – a thin spatial structure of ~600-900km, here observed near PS equator
At the discontinuity :
strong E up to 60mV/m sitting upon Bz peaks ;
SC potential drops;
ESA spectra change in <1 spin ;
MVA gives the Eartward-directed normals
SC l2/l3 Nmva N3x N3y N3z x y z
P3 28. 28 [0.95; 0.04; 0.30] [-11.31; 1.73; -2.71]
P4 32. 16 [0.93; 0.09; 0.34] [-11.13; 2.63; -2.75]
P5 7.5 16 [0.94;-0.21; 0.24] [ -9.29; 1.25; -2.59]

Auroral signature of Dipolarization Front
Break Up at ~2107 UT
(Polar UVI, TV Loparskaya):
followed by poleward and Equatorward auroral expansion
Image of turbulent Dipolarization - enhanced diffuse aurora with considerable structure
distinct EQ boundary but not outlined by bright auroral form ;
(Sergeev et al.,JGR 2010)