ИОФ РАН
Электрические токи в плазменных струях, возникающих в области магнитного пересоединения: сравнительное исследование лабораторных экспериментов и спутниковых наблюдений
Пресс-релиз публикации: Frank A.G., Artemyev A.V., Lu S., Zhang X.-J., Kyrie N. «Currents in reconnection plasma jets: comparative study of laboratory experiments and spacecraft observations» Plasma Physics and Controlled Fusion – 2023 – Vol. 65, P. 095006(1-12). DOI: 10.1088/1361-6587/ace73a
Токовые слои – двумерные магнитоплазменные образования, в окрестности которых концентрируется значительный запас магнитной энергии. В результате магнитного пересоединения энергия магнитного поля трансформируется в энергию быстрых потоков плазмы, которые распространяются из области пересоединения. В данной работе проведены анализ и сравнение структуры электрических токов в лабораторных токовых слоях, которые исследуются в ИОФ РАН, и в токовом слое хвостовой области магнитосферы Земли (Рис. 1).
Показано, что сверхтепловые потоки плазмы в токовых слоях имеют ограниченную длительность: порядка 5-10 с в хвостовой области магнитосферы при движении по направлению к Земле, и 2-3 мкс в лабораторных условиях, т.е. имеют характер сравнительно коротких плазменных струй.
В лабораторных экспериментах установлено, что на определенном этапе эволюции у боковых концов токового слоя возникают электрические токи, направленные противоположно по отношению к токам в основной части слоя (Рис. 1a). Генерация токов обратного направления приводит к появлению дополнительных сил (Рис. 1б), вызывающих торможение плазменных потоков и ограничение их длительности.
Токи обратного направления были недавно обнаружены на фронтах плазменных потоков, распространяющихся в хвостовой области магнитосферы по направлению к Земле (Рис. 1в), что согласуется с результатами лабораторных экспериментов. Обратные токи должны воздействовать на динамику потоков плазмы в магнитосфере Земли, и регистрируемое многими спутниками ограничение длительности плазменных потоков может быть обусловлено возбуждением электрических токов обратного направления.
Данная работа является результатом кооперации сотрудников ОФП ИОФ РАН – А.Г. Франк, Н.П. Кирий (лабораторные эксперименты) с коллегами из Университетов Калифорнии, Техаса и Академии Наук Китая – А.В. Артемьевым, С. Лу, К.-Д. Жанг (анализ данных спутников THEMIS и сравнение с экспериментом).
Пресс-релиз подготовили: главный научный сотрудник отдела физики плазмы ИОФ РАН, доктор физико-математических наук А.Г. Франк и старший научный сотрудник отдела физики плазмы ИОФ РАН, кандидат физико-математических наук Н.П. Кирий.
Рис. 1. Распределение вдоль ширины лабораторного токового слоя линейной плотности тока и сил Ампера (a,б) в последовательные моменты времени (1 - 1.7, 2 - 2.7, 3 – 3.7, 4 – 4.7 мкс), а также пример регистрации спутниками THEMIS уменьшения плотности тока в хвостовой области магнитосферы Земли (в). Желтым цветом показана область локализации обратного тока. (Источник: Frank A.G., Artemyev A.V., Lu S., Zhang X.-J., Kyrie N. «Currents in reconnection plasma jets: comparative study of laboratory experiments and spacecraft observations» Plasma Physics and Controlled Fusion – 2023 – Vol. 65, P. 095006(1-12). DOI: 10.1088/1361-6587/ace73a)