Динаміка струмового шару у хвості магнітосфери Землі

Дисертація присвячена дослідженню динамічних процесів, що відбуваються у струмовому шарі хвоста магнітосфери Землі.
Коротко розглянуто конкуруючі моделі розвитку магнітосферної суббурі, модель нейтральної лінії та модель розриву струмового шару. Зазначено, що нещодавні дослідження з використанням моделювання магнітосферної динаміки показали, що перезамикання і розрив струмового шару відбуваються одночасно в різних частинах протяжного хвоста магнітосфери, причому із збудженням флеппінг коливань струмового шару. Цей результат добре пояснює, чому одні і ті самі спостереження можна було трактувати в цих конкуруючих моделях розвитку суббурі.
Вперше побудовано спектри конверсії енергії електромагнітного поля в хвості магнітосфери Землі, тобто фактично залежність 𝐸⃗⃗∙ 𝐽⃗
від просторово-часових масштабів. Для цього були використані дані місії MMS при перетині струмового шару космічними апаратами. Виявлено наявність чергування областей навантаження (дисипація поля, 𝐸⃗⃗∙ 𝐽⃗>0) та областей генерації (𝐸⃗⃗∙ 𝐽⃗<0, де заряджені частинки втрачають свою кінетичну енергію). В один момент часу можливе одночасне існування областей генерації та навантаження. Найбільші темпи конверсії притаманні інтервалу високошвидкісних потоків, що пояснюється більшими значеннями електричного поля та струму. В турбулентному середовищі геомагнітного хвоста, дисипація є тим процесом, який зупиняє каскадну передачу енергії в інерційному турбулентному діапазоні і трансформує енергію турбулентних рухів (вихорів) у нагрів. Окрім того, у випадку кінетичної турбулентності з 𝛽≫1 (з домінуванням теплового тиску плазми над тиском магнітного поля) дисипація можлива і в інерційному турбулентному діапазоні.

Ключові слова: космічна плазма, магнітні поля в космічній плазмі, магнітосфера Землі, струмовий шар, розрив струмового шару, флеппінг коливання, високошвидкісні потоки плазми, диполяризаційні фронти, випромінювання, одно-супутникові/багатосупутникові методи, плазмові моменти частинок, MMS, Cluster.

This thesis is devoted to the study of dynamic processes occurring in the current sheet of the Earth's magnetotail.
Competing models of magnetospheric substorm development, the neutral line model, and the current sheet rupture model are briefly considered in the thesis. It is noted that recent studies using modeling of magnetospheric dynamics have shown that reconnection and disruption of current sheet occur simultaneously in different parts of the extended tail of the magnetosphere, and with the excitation of flapping oscillations of the current sheet. This result explains well why the same observations could be interpreted in these competing models of substorm development.
In the thesis, for the first time, spectra of the energy conversion of the electromagnetic field in the tail of the Earth's magnetosphere, i.e., the dependence of 𝐸 ⃗⃗ ∙ 𝐽 ⃗ on spatio-temporal scales, were constructed. For this purpose, data from the MMS mission were used when spacecraft crossed the current sheet. The presence of alternating load regions (field dissipation, 𝐸 ⃗⃗ ∙ 𝐽 ⃗ > 0) and generator regions (𝐸 ⃗⃗ ∙ 𝐽 ⃗ < 0, where charged particles lose their kinetic energy) was revealed. Simultaneous existence of generation and load areas is possible at one point in time. The highest rates of conversion are inherent in the interval of high-speed bursty bulk flows, which is explained by the higher values of the electric field and current density. In the turbulent environment of the geomagnetic tail, dissipation is the process that stops the cascade transfer of energy in the inertial turbulent range and transforms the energy of turbulent movements (vortices) into heating. In addition, in the case of kinetic turbulence with 𝛽 >> 1 (with the dominance of the thermal pressure of the plasma over the magnetic field pressure), dissipation is also possible in the inertial turbulent range.

Key words: space plasma, magnetic fields in space plasma, Earth's magnetosphere, current sheet, current disruption, flapping oscillations, bursty bulk flows, dipolarization fronts, radiation, single/multi-satellite methods, plasma moments of particles, MMS, Cluster.

Петренко Б. А. Динаміка струмового шару у хвості магнітосфери Землі : дис. … д-ра філософії : 104 Фізика та астрономія / Петренко Богдан Артемович. - Київ, 2023. - 141 с.