NUMERICAL MODELING OF SUPER-THIN ELECTRON CURRENT SHEET IN THE NEAR-EARTH MAGNETOTAIL REGION

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription or Fee Access

Abstract

The results of numerical modeling of quasi-stationary configurations of a current sheet with a given normal magnetic field component, consisting of a thin ion current sheet and the embedded super-thin electron current layer, are considered. Such sheets are regularly observed during the growth phase of magnetospheric substorms by the MMS satellite mission in the neutral sheet of the near-Earth magnetotail region. New numerical model of a stationary current sheet with kinetic description of the current carrying transient ion and electron populations is proposed, for which the Vlasov equations are solved for the stationary case by method of characteristics, and the distribution functions are calculated on regular grids in velocity space, taking into account the real electron charge-to-mass ratio. Using this model, the symmetrical flat configurations of super-thin electron current sheet are obtained, which are qualitatively and quantitatively consistent with MMS spacecraft observations.

About the authors

O. V Mingalev

Polar Geophysical Institute; Murmansk Arctic University

Email: mingalev_o@gia.ru
Apatity, Russia; Apatity, Russia

P. V Setsko

Polar Geophysical Institute

Apatity, Russia

M. N Mel'nik

Polar Geophysical Institute

Apatity, Russia

I. V Mingalev

Polar Geophysical Institute

Apatity, Russia

H. V Malova

Scobeltsyn Institute of Nuclear Physics of Lomonosov Moscow State University; Space Research Institute of the Russian Academy of Sciences

Email: hmalova@yandex.ru
Moscow, Russia; Moscow, Russia

E. E Grigorenko

Space Research Institute of the Russian Academy of Sciences

Moscow, Russia

L. M Zelenyi

Space Research Institute of the Russian Academy of Sciences

Moscow, Russia

References

  1. Runov A., Sergeev V.A., Nakamura R., Baumjohann W., Apatenkov S., Asano Y., Takada T., Volwerk M., Vo¨ro¨s Z., Zhang T.L., Sauvaud J., Re`me H., and Balogh A. // Ann. Geophys. 2006. V. 24. P. 247.
  2. Sitnov M.I., Swisdak M., Guzdar P.N., and Runov A. // J. Geophys. Res. 2006. V. 111(A8). P. 8204. https://doi.org/10.1029/2005JA011517
  3. Nakamura R., Baumjohann W., Runov A., and Asano Y. // Space Sci. Rev. 2006. V. 122. P. 29. https://doi.org/10.1007/s11214-006-6219-1
  4. Baumjohann W., Roux A., Le Contel O., Nakamura R., Birn J., Hoshino M., Lui A.T.Y., Owen C.J., Sauvaud J.-A., Vaivads A., Fontaine D., and Runov A. //Ann. Geophys. 2007. V. 25. P. 1365.
  5. Франк А.Г., КирийН.П., Иванов В.А., Савинов С.А., Огинов А.В., Мингалеев А.Р., Шпаков К.В., Нугаев И.Р., Харлачев Д.Е., Степахин В.Д. // Физмат. 2023. Т. 1. С. 88. https://doi.org/10.56304/S2949609823020065
  6. ЗелёныйЛ.М., Малова Х.В., Артемьев А.В., Попов В.Ю., Петрукович А.А. // Физика плазмы. 2011. Т. 37. С. 137.
  7. ЗелёныйЛ.М., Малова Х.В., Григоренко Е.Е., Попов В.Ю. // УФН. 2016. Т. 186. С. 1153.
  8. ЗелёныйЛ.М., Малова Х.В., Попов В.Ю., Григоренко Е.Е., Buchner J. ¨ // Физика плазмы. 2021. Т. 47. С. 771.
  9. McPherron R.L., Nishida A., and Russell C.T. // Quantitative Modeling of Magnetosphere-Ionosphere Coupling Processes / Ed. Y. Kamide, R.A. Wolf. Kyoto, Japan: Kyoto Sangyo University, 1987. P. 252.
  10. Mitchell D.G., Williams D.J., Huang C.Y., Frank L.A., and Russell C.T. // Geophys. Res. Lett., 1990. V. 17. P. 583.
  11. Sergeev V.A., Tanskanen P., Mursula K., Korth A., and Elphic R.C. // J. Geophys. Res. 1990. V. 95. P. 3819.
  12. Sergeev V.A., Mitchell D.G., Russell C.T., and Williams D.J. // J. Geophys. Res. 1993. V. 98. P. 17, 345.
  13. Lui A.T.Y., Lopez R.E., Anderson B.J., Takahashi K., Zanetti L.J., McEntire R.W., Potemra T.A., Klumpar D.M., Greene E.M., and Strangeway R. // J. Geophys. Res. 1992. V. 97. P. 1461.
  14. Baker D.N., Pulkkinen T.I., McPherron R.L., Craven J.D., Frank L.A., Elphinstone R.D., Murphree J.S., Fennell J.F., Lopez R.E., and Nagaiet T. // J. Geophys. Res. 1993. V. 98. P. 3815. https://doi.org/10.1029/92JA02475
  15. Petrukovich A.A., Artemyev A.V., Malova H.V., Popov V.Y., Nakamura R., Zelenyi L.M. // J. Geophys. Res. 2011. V. 116. P. 1. https://doi.org/10.1029/2010JA015749
  16. Petrukovich A., Artemyev A., Vasko I., Nakamura R., and Zelenyi L. // Space Sci. Rev. 2015. V. 188. P. 311. https://doi.org/10.1007/s11214-014-0126-7
  17. Artemyev A.V., and Zelenyi L.M. // Space Sci. Rev. 2013. V. 178. P. 419. https://doi.org/10.1007/s11214-012-9954-5
  18. Sitnov M.I., and Schindler K. // Geophys. Res. Lett. 2010. V. 37. P. 8102. https://doi.org/10.1029/2010GL042961
  19. Sitnov M.I., Birn J., Ferdousi B., Gordeev E., Khotyaintsev Y., Merkin V., Motoba T., Otto A., Panov E., Pritchett Ph., Pucci F., Raeder J., Runov A., Sergeev V., Velli M., and Zhou X. // Space Sci. Rev. 2019. V. 215. P. 31. https://doi.org/10.1007/s11214-019-0599-5
  20. Birn J., Artemyev A.V., Baker D.N., Echim M., Hoshino M., and Zelenyi L.M. Space Sci. Rev. 2012. V. 173. P. 49. httpsdoi.org10.1007s11214-012-9874-4
  21. Gonzalez W., and Parker E., Magnetic reconnection. Springer, 2016. httpsdoi.org10.1007978-3-319-26432-5
  22. Sitnov M.I., Buzulukova N., Swisdak M., Merkin V.G., and Moore T.E. Geophys. Res. Lett. 2013. V. 40. P. 22. httpsdoi.org10.10292012GL054701
  23. Sitnov M.I., Merkin V.G., Pritchett P.L., and Swisdak M. Geophys. Res. Lett. 2017. V. 44. P. 3028. httpsdoi.org10.10022017GL072784
  24. Sitnov, M.I., Motoba, T., and Swisdak, M. Geophys. Res. Lett. 2021. V. 48(10). P. e2021GL093065. httpsdoi.org10.10292021GL093065
  25. Liu Y.-H., Birn J., Daughton W., Hesse M., and Schindler K. J. Geophys. Res. 2014. V. 119(12). P. 9773. httpsdoi.org10.10022014JA020492
  26. Sitnov M.I., and Merkin V.G. J. Geophys. Res. 2016. V. 121(8). P. 7664. httpsdoi.org10.10022016JA023001
  27. Lu S., Wang R., Lu Q., Angelopoulos V., Nakamura R., Artemyev A.V., Pritchett P.L., Liu T.Z., Zhang X.-J., Baumjohann W. et al. Nature Communic. 2020. V. 11(1). P. 5049. httpsdoi.org10.1038s41467-020-18787-w
  28. An X., Artemyev A., Angelopoulos V., Runov A., Lu S., and Pritchett P. Geophys. Res. Lett. 2022. V. 49(6). P. e97870. httpsdoi.org10.10292022GL097870
  29. Harris E.G. Nuovo Chimento. 1962. V. 23. P. 115.
  30. Kocharovsky V.V., Kocharovsky V.V., Martyanov V.Y., and Nechaev A.A. J. Physics Confer. Ser. 2017. V. 932. P. 012019.
  31. Кочаровский В.В., Кочаровский В.В., Мартьянов В.Ю., Нечаев А.А. Изв. Крымской астрофизической обсерватории. 2018. Т. 114. С. 75.
  32. Кочаровский В.В., Кочаровский В.В., Мартьянов В.Ю., Нечаев А.А. Письма в АЖ. 2019. Т. 45. С. 591.
  33. Schindler K., and Birn J. J. Geophys. Res. 2002. V. 107(A8). P. 1193. httpsdoi.org10.10292001JA000304
  34. Семенов В.С., Аинов М.А., Кубышкина Д.И. Вопросы геофизики. 2013. Вып. 46. С. 137.
  35. Vasko I.Y., Artemyev A.V., Popov V.Y., and Malova H.V. Phys. Plasmas. 2013. V. 20. P. 022110. httpsdoi.org10.10631.4792263
  36. Sitnov M.I., Zelenyi L.M., Malova H.V., and Sharma A.S. J. Geophys. Res. 2000. V. 105. P. 13029.
  37. Zelenyi L.M., Sitnov M.I., Malova H.V., and Sharma A.S. Nonlin. Proc. Geophysics. 2000. V. 7. P. 127.
  38. Büchner J., and Zelenyi L.M. J. Geophys. Res. 1989. V.94. P. 11821.
  39. Büchner J., and Zelenyi L.M. Adv. Space Res. 1991. V. 11. P. 177.
  40. Zelenyi L.M., Malova H.V., Popov V.Yu., Delcourt D., and Sharma A.S. Nonlin. Proc. Geophys. 2004. V. 11. P. 1.
  41. Zelenyi L., Artemyev A., Malova H., and Popov V. J. Atmos. Solar Terr. Phys. 2008. V. 70. P. 325.
  42. Eastwood J.W. Planetary Space Sci. 1972. V. 20. P. 1555.
  43. Pritchett P.L., and Coroniti F.V. J. Geophys. Res. 1992. V. 97. P. 16773.
  44. Pritchett P.L., and Coroniti F.V., Convection and the formation of thin current sheets in the near-Earth plasma sheet Geophys. Res. Lett.. 1994. V. 21, No. 15, P. 1587–1590.
  45. Pritchett P.L., and Coroniti F.V. Geophys. Res. Lett. 1995. V. 100. P. 23551.
  46. Воронов Е.В., Кринберг И.А. Геомагнетизм и аэрономия. 1999. Т. 39. С. 24.
  47. Быков А.А., Зелёный Л.М., Малова Х.В. Физика плазмы. 2008. Т. 34. С. 148155.
  48. Быков А.А., Ермакова К.Е. Вестник МГУ. 2016. Сер. 3. № 1. С. 36.
  49. Мингалев О.В., Мингалев И.В., Малова Х.В., Зелёный Л.М. Физика плазмы. 2007. Т. 33. С. 1028.
  50. Мингалев О.В., Мингалев И.В., Малова Х.В., Зелёный Л.М., Артемьев А.В. Физика плазмы. 2009. Т. 35. С. 85.
  51. Мингалев О.В., Мингалев И.В., Мельник М.Н., Артемьев А.В., Малова Х.В., Попов В.Ю., Шен Чао, Зелёный Л.М. Физика плазмы. 2012. Т. 38. С. 329.
  52. Мингалев О.В., Малова Х.В., Мингалев И.В., Мельник М.Н., Сецко П.В., Зелёный Л.М. Физика плазмы. 2018. Т. 44. С. 769.
  53. Мингалев О.В., Сецко П.В., Мельник М.Н., Мингалев И.В., Малова Х.В., Мерзлый А.М. Солнечно-земная физика. 2021. Т. 7. С. 3. httpsdoi.org10.12737szf-71202101
  54. Мингалев О.В., Сецко П.В., Мельник М.Н., Мингалев И.В., Малова Х.В., Артемьев А.В., Мерзлый А.М., Зелёный Л.М. Физика плазмы. 2022. Т. 48. С. 237.
  55. Grigorenko E.E., Malova H.V., Artemyev A.V., Mingalev O.V., Kronberg E.A., Koleva R., Daly P.W., Cao J.B., Sauvaud J.-A., Owen C.J., and Zelenyi L.M. J. Geophys. Res. 2013. V. 118. Р. 3265. httpsdoi.org10.1002jgra.50310
  56. Malova H.V., Mingalev O.V., Grigorenko E.E., Mingalev I.V., Melnik M.N., Popov V.Yu., Delcourt D.C., Petrukovich A.A., Shen C., Rong D., and Zelenyi L.M. J. Geophys. Res. Space Phys. 2015. V. 120. P. e2014JA020974. httpsdoi.org10.10022014JA020974.
  57. Artemyev A.V., Petrukovich A.A., Frank A.G., Nakamura R., and Zelenyi L.M. J. Geophys. Res. 2013. V. 118. P. 2789–2799. httpsdoi.org10.1002jgra.50297
  58. Artemyev A.V., Vasko I.Y., Angelopoulos V., and Runov A. Phys. Plasmas. 2016. V. 23. P. 092901.
  59. Vasko I.Y., Artemyev A.V., Petrukovich A.A., and Malova H.V. Annales Geophysicae. 2014. V. 32(10). P. 1349. httpsdoi.org10.5194angeo-32-1349-2014
  60. Artemyev A.V., Angelopoulos V., Liu J., and Runov A. Geophys. Res. Lett. 2017. V. 44. P. 5. httpsdoi.org10.10022016GL072011
  61. Burch J.L., Moore T.E., Torbert R.B., and Giles B.L. Space Sci. Rev. 2016. V. 199. P. 5. httpsdoi.org10.1007s11214-015-0164-9
  62. Motoba T., Sitnov M.I, Stephens G.K, and Gershman D.J. J. Geophys. Res. (Space Phys.). 2022. V. 127(10). P. e2022JA030514. httpsdoi.org10.10292022JA030514
  63. Yordanova E., Vörös Z., Varsani A., Graham D.B., Norgren C., Khotyaintsev Yu.V., Vaivads A., Eriksson E., Nakamura R., Lindqvist P.-A., Marklund G. et al., Geophys. Res. Lett. 2016. V. 43. P. 5969. httpsdoi.org10.10022016GL069191
  64. Ergun R.E., Usanova M.E., Turner D.L., and Stawarz J.E. Geophys. Res. Lett. 2022. V. 49. P. e2022GL098113. httpsdoi.org10.10292022GL098113
  65. Chen Z.Z., Fu H.S., Cao J.B., Cui J., Lu Q.M., Li W.Y., Dong X.C., Xu Y., Guo Z.Z., Wang Z., and Liu Y.Y. Astrophys. J. 2022. V. 933. P. 208. httpsdoi.org10.38471538-4357ac75e9
  66. Chen L.-J., Wang S., Hesse M., Ergun R.E., Moore T., Giles B., Bessho N., UNKsell C., Burch J., Torbert R.B. et al. Geophys. Res. Lett. 2019. V. 46. P. 6230. httpsdoi.org10.10292019GL082393
  67. Wang S., Wang R., Lu Q., Fu H., and Wang S. Nature Communic. 2020. V. 11. P. 3964. httpsdoi.org10.1038s41467-020-17803-3
  68. Genestreti K.J., Farrugia C.J., Lu S., Vines S.K., Reiff P.H., Phan T., Baker D.N., Leonard T.W., Burch J.L., Bingham S.T. et al. J. Geophys. Res. Space Physics. 2023. V. 128(11). P. e2023JA031758. httpsdoi.org10.10292023JA031758
  69. Genestreti K.J., Farrugia C.J., Lu S., Vines S.K., Reiff P.H., Phan T., Baker D.N., Leonard T.W., Burch J.L., Bingham S.T. et al. J. Geophys. Res. Space Phys. 2023. V. 128(11). P. e2023JA031760. httpsdoi.org10.10292023JA031760
  70. Hasegawa H., Denton R.E., Nakamura T.K.M., Genestreti K.J., Phan T.D., Nakamura R., Hwang K.-J., Ahmadi N., Shi Q.Q., Hesse M. et al. J. Geophys. Res. Space Phys. 2022. V. 127. P. e2022JA030408. httpsdoi.org10.10292022JA030408
  71. Palmroth M., Pulkkinen T.I., Ganse U., Pfau-Kempf Y., Koskela T., Zaitsev I., Alho M., Cozzani G., Turc L., Battarbee M. et al. // Nature Geoscience. 2023. V. 16. P. 570.
  72. Zhang Z., Lu S., Lu Q., Wang R., Zhan C., Li X., and Artemyev A.V. // J. Geophys. Res. Space Phys. 2024. V. 129. P. e2024JA032575. https://doi.org/10.1029/2024ja032575
  73. Wang R., Lu Q., Nakamura R., Baumjohann W., Huang C., Russell C.T., Burch J.L., Pollock C.J., Gershman D., Ergun R.E., Wang Sh., Lindqvist P.A., Giles B. et al. // Geophys. Res. Lett. 2018. V. 45. P. 4542. https://doi.org/10.1002/2017gl076330
  74. Leonenko M.V., Grigorenko E.E., Zelenyi L.M., Malova H.V., Malykhin A.Yu., Popov V.Yu., and Bu¨chner J. // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2021. V. 126. P. e2021JA029641. https://doi.org/10.1029/2021JA029641
  75. Leonenko M.V., Grigorenko E.E., and Zelenyi L.M. // Atmosphere. 2023. V. 14(4). P. 722.
  76. Леоненко М.В., Григоренко Е.Е., Зелёный Л.М. // Геомагнетизм и Аэрономия. 2021. Т. 61. С. 583.
  77. Phan T.D., Eastwood J.P., Cassak P.A., Øieroset M., Gosling J.T., Gershman D.J., Mozer F.S., Shay M.A., Fujimoto M., Daughton W. et al. // Geophys. Res. Lett. 2016. V. 43. P. 6060. https://doi.org/10.1002/2016GL069212
  78. Grigorenko E.E., Leonenko M.V., Malykhin A.Y., Zelenyi L.M., and Fu H.S. // J. Geophys. Res. 2024. V. 129. P. e2023JA032318. https://doi.org/10.1029/2023JA032318
  79. Григоренко Е.Е., Леоненко М.В., Малыхин А.Ю., Зелёный Л.М., Фу Х.С. // Космические исследования. 2024. Т. 62. С. 624.
  80. Tsareva O.O., Leonenko M.V., Grigorenko E.E., Pop- ov V.Y., and Zelenyi L.M. // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2023. V. 128(6). P. e2023JA031459.
  81. Torbert R.B., Burch J.L., Giles B.L., Gershman D., Pollock C.J., Dorelli J., Avanov L., Argall M.R., Shuster J., Strangeway R.J. et al. // Geophys. Res. Lett. 2016. V. 43(12). P. 5918. https://doi.org/10.1002/2016GL069553
  82. Burch J.L., Torbert R.B., Phan T.D., Chen L.J., Moore T., Ergun R.E., Eastwood J.P., Gershman D.J., Cassak P.A., Argall M.R. et al. // Science. 2016. V. 352. P. aaf2939. https://doi.org/10.1126/science.aaf2939
  83. Du C.X., Fu H.S., Cao J.B., Wang Z., Yu Y., Fu W.D., and Zhang W.Z. // Geophys. Res. Lett. 2024. V. 51. P. e2024GL111284. https://doi.org/10.1029/2024GL111284
  84. Hesse M., Birn J., Kuznetsova M. // J. Geophys. Res. 2001. V. 106. P. 3721.
  85. Hesse M., Kuznetsova M., Birn J. // Phys. Plasmas. 2004. V. 11. P. 5387.
  86. Pritchett P.L., and Coroniti F.V. // J. Geophys. Res. 2004. V. 109. P. A01220. https://doi.org/10.1029/2003JA009999
  87. Pritchett P.L. // Phys. Plasmas. 2005. V. 12. P. 062301.
  88. Pritchett P.L. // J. Geophys. Res. 2006. V. 111. P. A10212. https://doi.org/10.1029/2006JA011793
  89. Pritchett P.L. // J. Geophys. Res. (Space Phys.). 2015. V. 120. P. 592. https://doi.org/10.1002/2014JA020795
  90. Birn J., Galsgaard K., Hesse M., Hoshino M., Huba J., Lapenta G., Pritchett P.L., Schindler K., L. Yin L., Bu¨chner J., Neukirch T., and Priest E.R. // Geophys. Res. Lett. 2005. V. 32. P. L06105. https://doi.org/10.1029/2004GL022058
  91. Hesse M. // Phys. Plasmas. 2006. V. 13. P. 122107.
  92. Egedal J., Daughton W., Drake J.F., Katz N., and Le A. // Phys. Plasmas. 2009. V. 16. P. 050701.
  93. Egedal J., Daughton W., and Le A. // Nature Phys. 2012. V. 8. P. 321.
  94. Bessho N., Chen L.-J., Shuster J.R., and Wang S. // Geophys. Res. Lett. 2014. V. 41. P. 8688. https://doi.org/10.1002/2014GL062034
  95. Bessho N., Chen L.-J., Germaschewski K., and Bhattacharjee A. // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2015. V. 120. P. 9355. https://doi.org/10.1002/2015JA021548
  96. Divin A., Semenov V., Korovinskiy D., Markidis S., Deca J., Olshevsky V., and Lapenta G. // Geophys. Res. Lett. 2016. V. 43. P. 10565. https://doi.org/10.1002/2016GL070763
  97. Liu Y.-H., Pyakure P., Li X., Hesse M., Bessho N., Genestreti K., Shiva B., and Thapa S.B. // Communic. Phys. 2025. V. 8. P. 128. https://doi.org/10.1038/s42005-025-02034-z
  98. Zelenyi L.M., Malova H.V., Leonenko M.V., Grigorenko E.E., and Popov V.Yu. // J. Geophys. Res. 2022. V.127. P. A11. https://doi.org/10.1029/2022J A030881
  99. Pollock C., Moore T., Jacques A., Burch J., Gliese U., Saito Y., Omoto T., Avanov L., Barrie A., Coffey V. et al. // Space Sci. Rev. 2016. V. 199(1). P. 331. https://doi.org/10.1007/s11214-016-0245-4
  100. Zelenyi L.M., Malova H.V., Popov V.Yu., Delcourt D.C., and Sharma A.S. // Adv. Space Res. 2003. V. 31. P. 1207. https://doi.org/10.1016/SO273-1177(02)00933-X
  101. Camporeale E., and Lapenta G. // J. Geophys. Res. 2005. V. 110. P. A07206. https://doi.org/10.1029/2004JA010779

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences