2 - ResearchGate

Прямые наблюдения областей ускорения
ионов во внутренней магнитосфере на
спутнике Интербол-2
Институт космических исследований РАН
Афонин В.В.
1
«Физика плазмы в солнечной системе» . Москва 14-18 февраля 2011.
An intriguing problem of magnetospheric physics is the energization of
ionospheric ions and their subsequent escape from low altitudes.
It is widely believed that an outflow of heated ions of ionospheric
origin and not only ions penetrating from the solar wind can contribute
significantly to the dynamics of the magnetosphere [Chappell, 1988].
Much of the ion outflow is caused by ion heating perpendicular to
the geomagnetic field.
These ions may then move adiabatically up the field lines of the
inhomogeneous terrestrial magnetic field and form so-called conics in
velocity space.
Andre, Norqvist et al., Ion energization mechanisms at 1700 km in the
auroral region, J. Geophys. Res., 103, 4199, 1998.
2
«Физика плазмы в солнечной системе» . Москва 14-18 февраля 2011.
Цель доклада
1. На спутнике Интербол-2 был установлен прибор
КМ-7 предназначенный для измерения концентрации и
температуры электронов холодной плазмы - зонд
Ленгмюра.
2. Ne и Te определялись путем снятия вольт-амперных
характеристик (ВАХ) зонда Ленгмюра.
3. Одна из задач прибора – вычисление Te на борту в
физических единицах и передача на землю.
4. Для этого прибор производил некоторые
манипуляции с ВАХ зонда с целью получения
электронной ветви тока на зонд.
5. Некоторые особенности методики измерения
позволяют идентифицировать наличие в плазме ионов,
подвергшихся энергизации (нагрев или ускорение).
3
«Физика плазмы в солнечной системе» . Москва 14-18 февраля 2011.
4
«Физика плазмы в солнечной системе» . Москва 14-18 февраля 2011.
Зондовая характеристика
Зондовая характеристика:
I(U) = Ie(U) + Iim(U) + [Iih(U)]
В полете прибор КМ-7:
- Выделял электронную ветвь Ie путем
вычитания ионного тока Ii;
[ Каган и Перель, Зондовые - Из Ie вычислял Те [К] и в цифровом
методы исследования
виде передавал на землю.
плазмы, УФН, LXXXI,
вып.3, стр.410, 1963]
Iim(U) вычислялся в предположении максвелловского
распределения.
Измеренная прибором КМ-7 в.а.-характерисика:
Iкм(U)= Ie(U) + [Iih(U)]
5
«Физика плазмы в солнечной системе» . Москва 14-18 февраля 2011.
Пример измеренной ВАХ Iкм(U)
Сконструированная на борту
электронная часть
зондовой характеристики
ВАХ.
Каждая ВАХ состоит из 11 пар токпотенциал зонда .
ВАХ измерялись каждые 5,12 с; за один типичный пролет северной
полярной области регистрировалось ~2500 ВАХ.
6
«Физика плазмы в солнечной системе» . Москва 14-18 февраля 2011.
Влияние ионного тока
Рис. 3. Электронная часть зондовой
характеристики в
полулогарифмическом масштабе.
Отклонение от прямолинейности в
нижней части кривой связано с
влиянием ионного тока.
[ Каган и Перель, Зондовые методы
исследования плазмы, УФН,
LXXXI, вып.3, стр.413, 1963]
Измеренная прибором КМ-7 в.а.-характерисика:
Ie(U)= Ie(U) + [Iih(U)]
Ионные токи [Iih(U)] – дополнительные к ионным токам
Iim(U) , соответствующих максвелловскому
распределению.
7
«Физика плазмы в солнечной системе» . Москва 14-18 февраля 2011.
Энергизация ионов
Ионные токи [Iih(U)] свидетельствуют о наличии в
плазме процессов, приводящих к энергизации ионной
компоненты.
Признак энергизации ионов:
характерный загиба вниз в области малых токов
сконструированной на борту электронной ветви
зондовой характеристики .
8
«Физика плазмы в солнечной системе» . Москва 14-18 февраля 2011.
Примеры ВАХ
ВАХи с признаками
энергизации ионов
9
«Физика плазмы в солнечной системе» . Москва 14-18 февраля 2011.
Сужение ВАХ и критерии отбора
«Сужение» ВАХ
свидетельствует о наличии в
плазме
- эффективного локального
нагрева ионов
или
- появления потоков
ускоренных ионов.
Критерий отбора ВАХ:
разность потенциалов
между 11-й и 10-й «точками»
развертки ВАХ
<= 24мВ.
10
< 0.024 В
«Физика плазмы в солнечной системе» . Москва 14-18 февраля 2011.
Распределение по InvLat-MLT
По всем 545 пролетам без
учета
- высоты 7 -23 тыс км
- геомагнитгой активности
- уровня солнечной
активности.
Слева – участки
траектории,на которых
точками показаны ВАХи с
наличием энергизации ионов.
Справа – степень покрытия
ячеек InvLat-MLT. Количество
прохождений спутником каждой
ячейки – шкала справа. Размер
ячейки 2 град широты х 20 минут
MLT.
Здесь КА пролетал не
менее 1500 раз
Визуально четко выделяются:
- эллипсообразная зона, смещенная к полуночи –авроральная зона.
- кольцевая зона InvLat=60-67.
Экваториальная граница кольцевой зоны не определена – нет данных (см.
«покрытие» справа).
11
«Физика плазмы в солнечной системе» . Москва 14-18 февраля 2011.
Точки – «ручная»
обработка ВАХ.
Нет энергизации
12
Есть энергизация
Зеленые линии (и
синяя для Usc)
автоматизирован
ная обработка
ВАХ.
«Физика плазмы в солнечной системе» . Москва 14-18 февраля 2011.
Автоматизирова
нная обработка
ВАХ.
Есть энергизация Нет энергизации
13
«Физика плазмы в солнечной системе» . Москва 14-18 февраля 2011.
Rev. 257. Пследовательно зарегистрированные BAX, иллюстртрующие
резкое появление энергизации ионов.
Нет энергизации
Есть энергизация
14
«Физика плазмы в солнечной системе» . Москва 14-18 февраля 2011.
Rev. 1729
29 последовательных BAX № 66 -95
Нет энергизации
Есть энергизация
15
«Физика плазмы в солнечной системе» . Москва 14-18 февраля 2011.
Rev. 1729. 108 последовательных BAX №1890-1998,
иллюстрирующие переход от света к тени. Во всех случаях имеет
место энергизация ионов.
16
«Физика плазмы в солнечной системе» . Москва 14-18 февраля 2011.
During 6 months of FAST satellite flight 714 cases of
ion conics were observed.
99% of the events found are associated with either
- broad-band extremely low frequency (BBELF)
emissions (84% от обнаруженных) or
- electromagnetic ion cyclotron (EMIC) waves.
Fig. 3. Distribution of ion conic events in
this study over invariant latitude and
magnetic local time: (top) BBELF
events, and (bottom) EMIC events.
17
Lund, Moebius et al., Transverse ion
acceleration mechanisms in the aurora at
solar minimum: occurrence distributions,
JASTPs 62 (2000) 467-475
«Физика плазмы в солнечной системе» . Москва 14-18 февраля 2011.
Выделение случаев энергизации ионов
Электронная ветвь зондовой
характеристики представляет
собой интегральный спектр
электронной компоненты плазмы
Разность потенциалов между 1-й
и последней «точками» развертки
ВАХ является «шириной»
электронного спектра в заданном
диапазоне токов.
Ширина спектра
18
«Физика плазмы в солнечной системе» . Москва 14-18 февраля 2011.
Выводы
1. Показано, что при помощи сравнительно простых должным образом
изготовленных приборов (зонд Ленгмюра) можно идентифицировать области
энергизации (ускорения или нагрева) ионов плазмы во внутренней
магнитосфере до высот 3RE.
2. На статистически значимом материале показано наличие двух зон
энергизации ионов:
- Эллипсообразная зона, смещенная к полуночи – классическая авроральная
зона.
- Кольцевая зона с полярной границей InvLat = 67 град и экваториальной
границей InvLat < 60 град.
3. В дневном-послеполуденном секторе магнитосферы между этими зонами
существует зазор, в котором практически не наблюдаются эффекты
энергизации ионов.
4. Кольцевая зона является первым статистически значимым наблюдением во
внутренней магнитосфере так называемой «горячей зоны плазмосферы»,
обнаруженной Безруких и Грингаузом на спутнике ПРОГНОЗ в 1976 г.
[Вezrukikh, Gringauz, Тhe hot zone in the outer plasmasphere of the Earth, J.
Atmos. Terr. Phys.,38,1071, 1976.
19
«Физика плазмы в солнечной системе» . Москва 14-18 февраля 2011.
Conclusions
1. Relatively simple properly designed instrument (Langmuir probe) was shown to be
able to identify regions of ion energization (acceleration or heating) in inner
magnetosphere up to the altitude 3RE.
2. On statistically based material the existence of two ion energization regions have
been shown:
- Eliptic midnight ward shifted – the classic aurpral zone;
- Ring type zone with poleward boundary InvLat = 67° and equatorial boundary
InvLat < 60°.
3. A gap between theses two zones exists in day-afternoon sector of the magnetosphere
where ion energization never occurs.
4. The above ring zone presents the first statistically significant observation in inner
magnetosphere the so called “hot zone of the plasmasphere” first found by
Вezrukikh and Gringauz from the PROGNOZ data in 1976 [Вezrukikh, Gringauz,
Тhe hot zone in the outer plasmasphere of the Earth, J. Atmos. Terr. Phys.,38,1071,
1976].
20
«Физика плазмы в солнечной системе» . Москва 14-18 февраля 2011.