Два режима неадиабатического ускорения ионов в Токовом Слое геомагнитного хвоста .

1. Два режима неадиабатического ускорения ионов в Токовом Слое геомагнитного хвоста. Григоренко Е.Е., Зеленый Л.М., Долгоносов М.С. Институт космических исследований РАН, Москва, Россия

2. Ионные пучки в PSBL. Предыдущие исследования. PSBL - переходная область между лобами хвоста и плазменным слоем, в которой часто наблюдаются пучки ускоренных в ТС ионов, движущихся вдоль магнитного полясV|| ≥ 1000 km/s (E ~ десятки кэВ) В большинстве случаев при наблюдениях на X≥ -30 RE(ISEE-1,2, Интербол-1, Wind, Geotail, Cluster),ионные пучки на высокоширотной границе PSBL движутся к Земле, т.е. их источник расположен вболее дальних областях ТС. (DeCoster and Frank, 1979; Eastman et al., 1984; Takahashi and Hones 1988; Parks et al., 1998, 1999; Grigorenko et al., 2002; and so on...) В процессе неадиабатического взаимодействия с ТС ионы приобретают энергию: , гдеEY– электрическое поле утро-вечер BZ- перпендикулярная ТС компонента локального магнитного поля

3. Наличие электрического поля утро-вечер приводит к дрейфу частиц (ExB), из долей хвоста к НС. Если спутник находится достаточно далеко от источника, то структура PSBL будет обусловлена пространственной фильтрацией частиц с разными движущихся с разными скоростями V|| вдольZ:

4. Два типа ионных пучков в PSBL. Выполнен анализ 995 пересечений PSBL спутником Geotail наX = -20 RE - -220 RE (1993-1995) Общее свойство:узкое питч-угловое распределения навысокоширотной границе PSBL. Различия: • Ширина функций распределения поV||(ΔV||/V|| ~ 0.1 – 0.8) • Энергии~5000 – 35 кeVи более. • Изотропные/анизотропные электронные функции распределения по скоростям. • Электронные температуры в PSBL от нескольких сот эВ до нескольких кэВ. Эти различия могут быть обусловлены разными условиями ускорения ионов из-за различной близости источников к Х-линии.

5. Наблюдение в PSBLионного пучка ускоренного вблизи Х-линии. Энергичный(V|| > 2500 км/с) и широкий поV||(ΔV||/V|| ~ 0.8) ионный пучок движется в хвост. Одновременно с ионным пучком наблюдаются электроны с анизотропной вдоль магнитного поля функцией распределения. Температура электронов в PSBL~ 2 кэВ На границе PSBL-lobe функция распределения электронов состоит из холодного пучка движущегося к источникуускорения и ускоренных электроновдвижущихся из источника. Ускорение ионов происходит вблизи Х-линии, которая находится на |Х|< 46 RE Geotail на [-46,1,-6] RE

6. Наблюдение бимлета ускоренного на замкнутых силовых линий магнитного поля. Бимлет движущийся к Земле наблюдается в PSBLв течение20 мин.Скорость бимлетанеизменна в течение всего интервалаV||~1200 км/с. Температура электроновв PSBL< 1 кэВ. Ускорение в ТС квазистационарно Функции распределения электронов по скоростям регистрируемые вместе с бимлетом, а также на более высоких широтахизотропны. Ионы ускоряются в области замкнутых силовых линий магнитного поля Долгоживущий бимлет Бимлетколлимирован по энергии:ΔV||/V|| ~ 0.1 Резонансное ускорение в локализованном источнике. Grigorenko et al., JGR, 2009 (in press) Geotail на [-46,1,-6] RE

7. Частота наблюдения в PSBL ионных пучков разных типов. Ускоренные ионные пучки не наблюдались в 44%случаях (437 пересечений PSBL) Пучки ускоренные на замкнутых силовых линиях наблюдались в20%случаев (200 пересечений) Пучки ускоренные вблизи Х-линии наблюдались в 27% (268 пересечений) В 9% случаях (91 пересечение PSBL) наблюдались «переходные» распределения (превращение коллимированного по энергиям пучка в широкий и наоборот).

8. Статистический анализ характеритик двух типов пучков. Пучки ускоренные на замкнутых линиях Пучки ускоренные вблизи Х-линии • Пучки на закрытых Пучки ускоренные • линиях вблизи Х-линии • наблюдаются в наблюдаются при • спокойные периоды; любых АЕ; • большинство более 60% движутся в • движется к Земле хвост уже при X≤ -50 RE • даже наX ~ -110 RE • энергии< 30 keVэнергии до 140 кэВ • температуры температуры • электроновв PSBL электронов в PSBL • < 1 keV > 1 кэВ • типичные времена типичные времена • наблюдения 3-8 мин наблюдения 1-4 мин. • иногда до 23 мин

9. Статистика распределения энергий ионных пучков в направлении ~утро-вечер Предельная энергия Wполучаемая частицей при ускорении в ТС стационарным электрическим полем утро-вечер E: W = E·ΔY’, гдеΔY’-расстояние от границы утреннего фланга до Y-координаты места регистрации пучка в PSBL. Ускорение на закрытых линиях Распределение W(Y’)пучков ускоренных на закрытых линиях~ соответствует сценарию их ускорения в ТС квазистационарным электрическим полем утро-вечер. Ускорение вблизи Х-линии Однако, распределение W(Y’)ионных пучков ускоренных вблизи Х-линии невозможно объяснить одним лишь квазистационарным механизмом ускорения. Индукционные электрические поля возникающие в области магнитной турбулентности вблизи Х-линии могут вносить вклад в ускорение, особенно для энергичных пучков наблюдаемых на утреннем фланге.

10. Возможные сценарии ускорения ионов в ТС в области закрытых силовых линий и вблизи магнтной сепаратриссы. Ускорение на закрытых линиях Ускорение ионов происходит в локализованных областях (резонансах). Каждый резонанс производит коллимированный по энергиям пучок: ΔV||/V|| ~0.1 Ускорение вблизи Х-линии Ускорение ионов происходит в более протяженном в пространстве источнике, находящимся вблизи Х-линии. Статистически такое ускорение происходит ближе к Земле (хвост с ближней Х-линией). Источник генерирует широкий по V||пучок: ΔV||/V|| ~0.8

11. Influence of magnetic field topology W, keV x-line at x = -80 Rev 30 detector at -20 Re 0 -10 0 10 W, keV 30 x-line at x = -20 Rev detector at -6 Re ΔW 10 -10 0 10 Z

12. Заключение Плазменные характеристики наблюдаемые в PSBL в двух «экстремальных» режимах ускорения ионов в ТС. • “Стохастическое” пересоединение в дальнем хвосте • На высокоширотной границе PSBL нет явных признаков пересечения магнитной сепаратриссы: функции распределения электронов изотропны. • Энергии электронов< 1 keV и постепенно растут к НС. • Коллимированные по энергиям ионные пучки с энергиями ≤ 20 кэВ • Большая длительность наблюдения ионных пучков (до 23мин). Отсутствие транзиентных эффектов (нет признаков прекращения ускорения). • Пространственная локализация в направлениях перпендикулярно магнитному полю:ΔY(∆Z) < 1 RE • “Регулярная” (MГД) X-линия • Есть признаки пересечения магнитной • сепаратриссы:анизотропные электроны на • высокоширотной границе PSBL • Энергии электронов в PSBL сравнимы • с энергиями в ПС (≥ 1 keV) • Ионные пучки широкие по параллельным • скоростям. Энергии ионных пучков • достигают 140 кэВ. • Длительности наблюдения <5мин. • Есть транзиентные эффекты указывающие • на прекращение генерации.