Институт Лазерной Физики Отдел Лазерной Плазмы Новосибирск, СО РАН

1. Институт Лазерной Физики ОтделЛазернойПлазмы Новосибирск, СО РАН Токи Чепмена-Ферраро и продольные токи зоны 1 в экспериментах по импульсному обтеканию магнитного диполя Программа моделирования солнечно-земных процессов с помощью облаков лазерной плазмы и дипольного магнитного поля Пономаренко А.Г., Антонов В.М., Бояринцев Э.Л.,Захаров Ю.П., Посух В.Г., Мелехов В.М., Вшивков К.А. Шайхисламов И.Ф.

2. - Токи Чепмена-Ферраро • - Магнитопауза и каспы • - Структура переходного слоя Обнаружен скейлинг Чепмена Ферраро ~μ1/3 для положения магнитопаузы и интегральной величины FAC • - Моделирует наличие или • отсутствие ионосферы. • - Позволяет выявить вклад FAC в • магнитосферное поле. - Токи зоны 1 на дневной стороне, протекающие в направлении утро-вечер. На утренней стороне переносятся электронами, ускоренными вверх из ионосферы перепадом потенциала. - В эксперименте в областях втекания и вытекания в ионосферу порождают пятна характерного свечения. Наблюдаются всегда, если поверхность диполя проводящая. - В лаборатории также наблюдались на установке UCR-T1 (IGPP, Un. Of Cal.) - На КИ-1 впервые проведены комплексные измерения полного продольного тока, его локальные характеристики, магнитные поля и связь с динамикой плазменного потока Содержание Основная токовая система, наблюдаемая в эксперименте Продольные токи (FAC) Зависимости от величины момента диполя Сравнение результатов с проводящей и диэлектрической поверхностью диполя

3. target magnetic dipole Схема установки Magnetic moment μ=2∙107 Gauss*cm3 Laser pulses 400 J in 50 ns Plasma parameters: [Mi]=5.6; [Zi]=2.5, velocity 150 km/s, total energy 40 J в in~1 radian, total number of ions 5∙1017, plasma flow duration ~2 µs

4. Статические и мгновенные фотографии взаимодействия потока плазмы с магнитным диполем в экваториальной и меридиональной плоскостях. Можно видеть плазменную мишень, пятна свечения на полюсах диполя, магнитопаузу и каспы.

5. μ=0,25μo μ=0,18μo μ=0,1 μo μ=1 μo μ=0,5μo Положение и форма магнитопаузы, и полярных пятен свечения при различных значениях момента диполя

6. Структура переходного слоя измеренная зондами для моментов диполя μ=0,18 (слева) and 1∙107 Gscm3(справа). Можно видеть магнитное поджатие, скачок плотности и токовый слой. Также показаны подробные меридиональные измерения возмущения магнитного поля и плотности , по которым можно выявить каспы, токи Ч-Ф в центральной и высокоширотной областях и поток плазмы, проникающей в полярные области.

7. I Процессы в полярных областях и продольные токи (FAC) Мгновенные и статические снимки полярных областей диполя. Выделяется пара пятен свечения на утренней и вечерней сторонах. Пятна имеют сложную морфологию и динамику, увеличиваясь и смещаясь в ходе взаимодействия как по широте, так и по долготе.

8. Измерение продольного тока и его связи со свечением в полярных областях Интегральный ток на поверхности течет в направлении утро-вечер. Над поверхностью ток направлен вниз на утренней стороне и вверх на вечерней. Свечение ярких пятен связано с FAC. На вечерней стороне (upward current) электроны плазмы движутся вниз и выбивают с поверхности диполя вторичные холодные электроны, которые рекомбинируют с ионами плазмы. На утренней стороне (downward current) имеется перепад потенциала, который порождает на поверхности металла точечные области взрывной эмиссии. Ток вызван ускоренными «ионосферными» электронами, а свечение - атомами и ионами испаренного материала. Положение и геометрия пятен отображают где FAC втекает и вытекает из «ионосферы». Ток начинается, когда плазма достигает поверхности диполя.

9. probe FAC probe Y X Y Измерениямагнитного поля FAC

10. Зависимость интегральной величины FAC от дипольного момента Измерения с проводящей и диэлектрической поверхностью диполя Возможности лабораторного эксперимента позволяют однозначно выявить влияние FAC на глобальное магнитосферное поле. Вблизи диполя на экваторе основная компонента уменьшается. Интегральный продольный ток (3+3 кА) сравним с полным током Чепмена-Ферраро (~8 кА) и имеет такой же скейлинг.

11. Продольные токи в магнитосфере Меркурия Характерное магнитное возмущение от продольных токов было зарегистрировано при пролете Mariner 10-I в хвосте Меркурия [Slavin1997]. Наземные наблюдения экзосферы Меркурия обнаружили существование на высоких широтах пятен спорадического поверхностного свечения [Potter1985, Sprague 1990]. Все это указывает на возможность крупно-масштабной системы FAC, но механизм замыкания токов на поверхности Меркурия остается загадочным[Baumjohanna 2006]. Магнитное возмущение от FAC в полярных областях имеет скейлинг Предположительно, продольные токи на Меркурии могут заметно увеличить магнитное поле на полюсах и ослабить его на экваторе, что повлияет на интерпретацию спутниковых измерений дипольного момента.

12. Основные результаты • Лазерная плазма эффективно вытесняет магнитное поле на «дневной» стороне и формирует частичную магнитосферу. • Ширина переходного слоя близка к ионной плазменной длине δ≈с/ωPi • Положение магнитопаузы и величина сжатия магнитного поля согласуются со скейлингом Чепмена-Ферраро • Наблюдаемая в лаборатории система FAC в таких аспектах как направление токов, общая структура и относительная величина подобна токам зоны 1 на дневной стороне Земли. • Интегральная величина FAC также имеет скейлинг Чепмена-Ферраро. • В экспериментах с проводящей и не проводящей «ионосферой» выявлено влияние FAC на магнитосферное поле, которое состоит в ослаблении основной BZкомпоненты. • Лабораторное моделирование магнитосферы Меркурия представляет значительный интерес из за подобия в относительном размере магнитосферы, относительно большого гиро-радиуса ионов и широкой области открытых силовых линий. • В лаборатории представляется возможность исследования механизма насыщения FAC посредством изменения в широком диапазоне проводимости «ионосферы».

13. Future experiments • Mapping the FAC magnetic field and developing numerical model. • Investigation of FAC saturation mechanism by varying “ionospheric” conductance. • Measuring dependence of FAC on intensity and direction of “interplanetary” magnetic field. • Investigation of FAC effects in a Terrella experiment with stationary theta-pinch plasma and explosive laser-produced plasma interacting with magnetic dipole.

14. ICh-F Y ICh-F 8Ф 8Ф The source of Field Aligned Currents Measurements of floating potential show that along the magnetopause there is global dawn-dusk electric field. In the lab experiments this field is generated because of small scale low-hybrid turbulence in the magnetosheath that gives rise to finite conductance. In planetary magnetospheres the dawn-dusk electric field is generated due to day-side reconnection at the magnetopause. While the mechanisms are different, from the point of view of generator that drives FAC, the action of turbulence and reconnection could be described by some finite effective resistivity to current. We suggest that whenever magnetosheath conductance to Chepmen-Ferraro current is smaller than ionospheric conductance the FAC reaches saturation.