Cosmic ResearchCosmic ResearchКосмические исследования0023-42063034-5502The Russian Academy of Sciences67278510.31857/S0023420624060073IGCIGFArticlesСтатьиResearch ArticleТоковые слои электронных масштабов, наблюдаемые миссией MMS в русле высокоскоростных потоков в плазменном слое геомагнитного хвостаТоковые слои электронных масштабов, наблюдаемые миссией MMS в русле высокоскоростных потоков в плазменном слое геомагнитного хвостаГригоренкоЕ. Е.
Russian Federation
elenagrigorenko2003@yandex.ruЛеоненкоМ. В.
Russian Federation
elenagrigorenko2003@yandex.ruМалыхинА. Ю.
Russian Federation
elenagrigorenko2003@yandex.ruЗелёныйЛ. М.
Russian Federation
elenagrigorenko2003@yandex.ruФуХ. С.
China

Факультет исследований космоса и окружающей среды

elenagrigorenko2003@yandex.ruИнститут космических исследований РАНМосковский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)Университет БейхангГлавная Лаборатория по мониторингу космической среды и обработке информации1512202462662463927022025Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://journals.eco-vector.com/0023-4206/article/view/672785

Наблюдения миссии MMS с высоким временным и пространственным разрешением позволили исследовать характеристики интенсивных сверхтонких токовых слоев (СТС) с плотностью тока J > 30 нА/м2, формируемых в русле быстрых плазменных потоков (БПП), распространяющихся в плазменном слое (ПС) геомагнитного хвоста из области магнитного пересоединения. Статистический анализ более 1000 наблюдений СТС в ПС показал, что, в большинстве случаев, ток в СТС является продольным, и основной вклад в его генерацию вносят пучки ускоренных электронов, движущиеся вдоль магнитного поля. Характерная толщина СТС равна нескольким гирорадиусам электронов. В таких слоях электрический ток может переносить популяция размагниченных электронов. На краях и внутри СТС часто наблюдаются всплески сильных неидеальных электрических полей E’ > 10 мВ/м. Генерация таких полей обусловливает плотность мощности энергии, выделяемой в СТС и составляющей несколько сотен пВт/м3, а в некоторых случаях — до нескольких нВт/м3, что сравнимо с мощностью энергии, выделяемой в X-линии. Наиболее сильное энерговыделение наблюдается в СТС, сформированных в русле наиболее высокоскоростных БПП и при сильных вариациях магнитного поля в долях хвоста.

Наблюдения миссии MMS с высоким временным и пространственным разрешением позволили исследовать характеристики интенсивных сверхтонких токовых слоев (СТС) с плотностью тока J > 30 нА/м2, формируемых в русле быстрых плазменных потоков (БПП), распространяющихся в плазменном слое (ПС) геомагнитного хвоста из области магнитного пересоединения. Статистический анализ более 1000 наблюдений СТС в ПС показал, что, в большинстве случаев, ток в СТС является продольным, и основной вклад в его генерацию вносят пучки ускоренных электронов, движущиеся вдоль магнитного поля. Характерная толщина СТС равна нескольким гирорадиусам электронов. В таких слоях электрический ток может переносить популяция размагниченных электронов. На краях и внутри СТС часто наблюдаются всплески сильных неидеальных электрических полей E’ > 10 мВ/м. Генерация таких полей обусловливает плотность мощности энергии, выделяемой в СТС и составляющей несколько сотен пВт/м3, а в некоторых случаях — до нескольких нВт/м3, что сравнимо с мощностью энергии, выделяемой в X-линии. Наиболее сильное энерговыделение наблюдается в СТС, сформированных в русле наиболее высокоскоростных БПП и при сильных вариациях магнитного поля в долях хвоста.

РНФRussian Science Foundation23-12-00031Baumjohann W., Roux A., Le Contel et al. Dynamics of thin current sheets: Cluster observations // Annales Geophysicae. 2007. V. 25. P. 1365–1389. https://doi.org/10.5194/angeo-25-1365-2007.Petrukovich A.A., Artemyev A.V., Malova H.V. et al. Embedded current sheets in the Earth’s magnetotail // J. Geophysical Research. 2011. V. 116. Iss. A00I25. https://doi.org/10.1029/2010JA015749Grigorenko E.E., Sauvaud J.A., Palin L. et al. THEMIS observations of the current sheet dynamics in response to the intrusion of the high‐velocity plasma flow into the near‐Earth magnetotail // J. Geophysical Research: Space Physics. 2014. V. 119. Iss. 8. P. 6553–6568. https://doi.org/10.1002/2013JA019729Büchner J., Zelenyi L.M. Regular and chaotic charged particle motion in magnetotail-like field reversals: 1. Basic theory of trapped motion // J. Geophysical Research: Space Physics. 1989. V. 94. Iss. A9. P. 11821–11842. https://doi .org/10.1029/JA094iA09p11821Zelenyi L.M., Malova H.V., Popov V. et al. Nonlinear equilibrium structure of thin currents sheets: influence of electron pressure anisotropy // Nonlinear Processes in Geophysics. 2004. V. 11. Iss. 1. P. 1–9.Zelenyi L.M., Malova H.V., Popov V. et al. “Matreshka” model of multilayered current sheet // Geophysical Research Letters. 2006. V. 33. Iss. L05105. https://doi.org/10.1029/2005GL025117Зеленый Л.М., Малова Х.В., Григоренко Е.Е. и др. Тонкие токовые слои: от работ Гинзбурга-Сыроватского до наших дней // Успехи Физических Наук. 2016. Т. 186. № 11. С. 1153–1188Burch J., Moore T., Torbert R., Giles B. Magnetospheric multiscale overview and science objectives // Space Science Reviews. 2016. V. 199. Iss. 1. P. 5–21. https://doi.org/10.1007/s11214-015-0164-9Wang R., Lu Q., Nakamura R. et al. An electron‐scale current sheet without bursty reconnection signatures observed in the near‐Earth tail // Geophysical Research Letters. 2018. V. 45. Iss. 10. P. 4542–4549. doi.org/10.1002/2017GL076330Leonenko M.V., Grigorenko E.E., Zelenyi L.M. et al. MMS Observations of Super Thin Electron‐Scale Current Sheets in the Earth’s Magnetotail // J. Geophysical Research: Space Physics. 2021. V 26. Iss. 11. Art.ID. e2021JA029641. doi.org/10.1029/2021JA029641Tsareva O.O., Leonenko M.V., Grigorenko E.E. et al. Nonlinear Equilibrium Structure of Super Thin Current Sheets: Influence of Quasi-Adiabatic Electron Population // J. Geophysical Research-Space Physics. 2023. V. 128. Iss. 6. Art.ID. e2023JA031459. DOI:10.1029/2023JA031459Tsareva O.O., Leonenko M.V., Grigorenko E.E. et al. Fast tearing mode driven by demagnetized electrons // Geophysical Research Letters. 2024. (in progress)Малыхин А.Ю., Григоренко Е.Е. Наблюдения спутниками MMS мелкомасштабных магнитных и токовых структур во время продолжительных диполизаций в ближнем геомагнитном хвосте // Физика плазмы. 2021. Т. 47. № 5. С. 410–414. DOI: 10.31857/S0367292121050061Zhou M., Berchem J., Walker R.J. et al. Coalescence of macroscopic flux ropes at the subsolar magnetopause: Magnetospheric Multiscale observations // Physical Review Letters. 2017. V. 119. Iss. 5. https://doi.org/10.1103/physrevlett.119.055101.Zhou M., Man H.Y., Deng X.H. et al. Observations of secondary magnetic reconnection in the turbulent reconnection outflow // Geophysical Research Letters. 2021. V. 48. Art.ID. e2020GL091215. https://doi.org/10.1029/2020GL091215Gingell I., Schwartz S.J., Eastwood J.P. et al. Observations of magnetic reconnection in the transition region of quasi-parallel shocks // Geophysical Research Letters. 2019. V. 46. Iss. 3. P. 1177–1184. https://doi.org/10.1029/2018gl081804.Chen Z.Z., Fu H.S., Wang Z. et al. Evidence of Magnetic Nulls in the Reconnection at Bow Shock // Geophysical Research Letters. 2019. V. 46. P. 10209–10218. doi:10.1029/2019GL084360Man H.Y., Zhou M., Deng X.H. et al. In situ observation of magnetic reconnection between an earthward propagating flux rope and the geomagnetic field// Geophysical Research Letters. 2018. V. 45. Iss. 17. P. 8729–8737. https://doi.org/10.1029/2018gl079778.Lu S., Wang R., Lu Q. et al. Magnetotail reconnection onset caused by electron kinetics with a strong external driver // Nature Communications. 2020. V. 11. Iss. 5049. https://doi.org/10.1038/s41467-020-18787-wRussell C.T., Anderson B.J., Baumjohann W. et al. The magnetospheric multiscale magnetometers // Space Science Reviews. 2016. V. 199. Iss. 1. P. 189–256. doi.org/10.1007/s11214-014-0057-3Lindqvist P.A., Olsson G., Torbert R.B. et al. The spin-plane double probe electric field instrument for MMS // Space Science Reviews. 2016. V. 199. Iss. 1. P. 137–165. doi.org/10.1007/s11214-014-0116-9Pollock C., Moore T., Jacques A. et al. Fast plasma investigation for magnetospheric multiscale // Space Science Reviews. 2016. V. 199. Iss. 1. P. 331–406. doi.org/10.1007/s11214-016-0245-4Runov A., Angelopoulos V., Sitnov M.I et al. THEMIS observations of an earthward‐propagating dipolarization front // Geophysical Research Letters. 2009. V. 36. Iss. 14. P. 1–7. doi.org/10.1029/2009GL038980.Robert P., Dunlop M.W., Roux A., Chanteur G. Accuracy of current density determination // Analysis Methods for Multi-Spacecraft Data. Ed. Pashmann G., Daly P.W. / ISSI Scientific Report SR-001. Bern. 1998. P. 395–418.Hwang K.‐J., Choi E., Dokgo K. et al. Electron vorticity indicative of the electron diffusion region of magnetic reconnection // Geophysical Research Letters. 2019. V. 46. P. 6287–6296. https://doi.org/10.1029/ 2019GL082710Sönnerup B.U.Ö., Scheible M. Minimum and Maximum Variance Analysis // Analysis Methods for Multi-Spacecraft Data. Ed. Pashmann G., Daly P.W. / ISSI Scientific Report SR-001. Bern. 1998. P. 185–220.Harvey C. C. Analysis methods for multi-spacecraft data. Bern: ISSI Scientific Report SR-001. 1998. P. 307Harris E.G. On a plasma sheet separating regions of oppositely directed magnetic field // Nuovo Cimento. 1962. V. 23. P. 115–123.Drake J.F., Swisdak M., Cattell C. et al. Formation of electron holes and particle energization during magnetic reconnection // Science. 2003. V. 299. P. 873.Pritchett P.L., Mozer F.S. Asymmetric magnetic reconnection in the presence of a guide field // J. Geophys. Res. 2009. V. 114. Iss. A11210. doi:10.1029/2009JA014343Divin A., Lapenta G., Markidis S. et al. Numerical simulations of separatrix instabilities in collisionless magnetic reconnection // Phys. Plasmas. 2012. V. 19. Art.ID. 042110. doi: 10.1063/1.3698621Lapenta G., Goldman M., Newman D. et al. Electromagnetic energy conversion in downstream fronts from three dimensional kinetic reconnection // Phys. Plasmas. 2014. V. 21. Art.ID. 055702. doi:10.1063/1.4872028Torbert R.B., Burch J.L., Phan T.D. et al. Electron-scale dynamics of the diffusion region during symmetric magnetic reconnection in space // Science. 2018. V. 362. P. 1391–1395. DOI: 10.1126/science.aat2998Jain N., Büchner J., Comişel H. et al. Free Energy Sources in Current Sheets Formed in Collisionless Plasma Turbulence // The Astrophysical J. 2021. V. 919. Iss. 103. https://doi.org/10.3847/1538-4357/ac106c.35. Egedal J., Fox W., Katz N. et al. Evidence and theory for trapped electrons in guide field magnetotail reconnection // J. Geophys. Res. 2008. V. 113. Iss. A12207. DOI:10.1029/2008JA013520Egedal J., Daughton W., Lê A. Large-scale electron acceleration by parallel electric fields during magnetic reconnection // Nat. Phys. 2012. V. 8. P. 321–324. DOI:10.1038/NPHYS2249Sergeev V.A., Angelopoulos V., Nakamura R. Recent advances in understanding substorm dynamics // Geophysical Research Letters. 2012. V. 39. DOI:10.1029/2012GL050859.Fu H.S., Vaivads A., Khotyaintsev Y.V. et al. Intermittent energy dissipation by turbulent reconnection, // Geophysical Research Letters. 2017. V. 44. P. 37–43. DOI:10.1002/2016GL071787.