Почему плотность ионов плазменного слоя зависит от плотности солнечного ветра?

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

По измерениям тяжелых (M/q > 3) ионов на спутнике Фобос-2 было обнаружено, что плотность этих ионов в центральном плазменном слое ареомагнитного хвоста пропорциональна плотности протонов солнечного ветра, обтекающего планету. При сравнении данных спутника ISEE-2, измерявшего ионы в околоземном плазменном слое вблизи нейтрального слоя, с данными по солнечному ветру, полученными на спутнике ISEE-3, было установлено, что плотность протонов околоземного плазменного слоя также пропорциональна плотности протонов солнечного ветра. Анализ баланса магнитного и плазменного давлений в солнечном ветре и внутри хвостов магнитосфер Марса и Земли показал, что выявленные ранее корреляции являются следствием необходимого равенства давлений на границе магнитосферы и внутри магнитных хвостов планет.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Г. А. Котова

Институт космических исследований РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: kotova@iki.rssi.ru
Россия, Москва

В. В. Безруких

Институт космических исследований РАН

Email: kotova@iki.rssi.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Rosenbauer H., Shutte N., Apathy I. et al. Ions of Martian origin and plasma sheet in the Martian magnetosphere: initial results of the TAUS experiment // Nature. 1989. V. 341. Iss. 6243. P. 612–614. https://doi.org/10.1038/341612A0.
  2. Розенбауэр Х., Шютте Н., Апати И. и др. Первые результаты измерений ионов марсианского происхождения и обнаружение плазменного слоя в магнитосфере Марса по данным эксперимента ТАУС на КА «Фобос-2» // Письма АЖ. 1990. Т. 16. № 4. С. 368–377. (Rosenbauer H., Shutte N., Apathy I. et al. First measurements of ions of Martian origin and observation of a plasma layer in the magnetosphere of Mars: the TAUS experiment on the spacecraft Phobos 2 // Soviet Astron. Lett. 1990. V. 16. Iss. 2. P. 156–160.)
  3. Verigin M.I., Rosenbauer H., Shutte N.M. et al. Ions of planetary origin in the Martian magnetosphere (Phobos-2/TAUS experiment) // Planet. Space Sci. 1991. V. 39. Iss. 1/2. P. 131–137. https://doi.org/10.1016/0032-0633(91)90135-W
  4. Petrukovich A., Artemyev A., Vasko I. et al. Current Sheets in the Earth Magnetotail: Plasma and Magnetic Field Structure with Cluster Project Observations // Space Sci. Rev. 2015. V. 188. P. 311–337. https://doi.org/10.1007/s11214-014-0126-7.
  5. Maggiolo R., Kistler L.M. Spatial variation in the plasma sheet composition: Dependence on geomagnetic and solar activity // J. Geophys. Res. 2014. V. 119 P. 2836–2857. https://doi.org/10.1002/2013JA019517.
  6. Котова Г.А., Веригин М.И., Шютте Н.М. и др. Ускорение тяжелых ионов в хвосте магнитосферы Марса по данным экспериментов ТАУС и МАГМА на космическом аппарате Фобос-2 // Косм. исслед. 1999. Т. 37. № 1. С. 31–37. (Kotova G.A., Verigin M.I., Shutte N.M. et al. Acceleration of heavy ions in the Martian magnetosphere tail by the data of the TAUS and MAGMA experiments on the Phobos-2 spacecraft // Cosm. Res. 1999. V. 37. Iss. 1. P. 27–33.)
  7. Kotova G.A., Verigin M.I., Shutte N.M. et al. Planetary heavy ions in the magnetotail of Mars: Results of the TAUS and MAGMA experiments aboard PHOBOS // Adv. Space Res. 1997. V. 20. Iss. 2. P. 173–176. https://doi.org/10.1016/S0273-1177(97)00529-2
  8. Borovsky J.E., Thomsen M.F., McComas D.J. The superdense plasma sheet: Plasmaspheric origin, solar wind origin, or ionospheric origin // J. Geophys. Res. 1997. V. 102. Iss. A10. P. 22089–22097. https://doi.org/10.1029/96JA02469.
  9. Borovsky J.E., Thomsen M.F., Elphic R.C. The driving of the plasma sheet by the solar wind // J. Geophys. Res. 1998. V. 103. Iss. A8. P. 17617–17639. https://doi.org/10.1029/97JA02986.
  10. Nagy A.F., Cravens T.E. Hot oxygen atoms in the upper atmospheres of Venus and Mars // Geophys. Res. Lett. 1988. V. 15. P. 433–435. https://doi.org/10.1029/GL015i005p00433.
  11. Ip W.-H. On a hot oxygen corona of Mars // Icarus. 1988. V. 76. P. 135–145. https://doi.org/10.1016/0019-1035(88)90146-7.
  12. Rojas-Castillo D., Nilsson H., Stenberg Wieser G. Mass composition of the escaping flux at Mars: MEX observations // J. Geophys. Res. 2018. V. 123. P. 8806–8822. https://doi.org/10.1029/2018JA025423.
  13. Kotova G.A., Verigin M.I., Remizov A.P. et al. Study of the solar wind deceleration upstream of the Martian terminator bow shock // J. Geophys. Res. 1997. V. 102. Iss. A2. P. 2165–2173. https://doi.org/10.1029/96JA01533.
  14. Rosenbauer H., Verigin M., Kotova G. et al. The relationship between the magnetic field in the Martian magnetotail and solar wind parameters // J. Geopys. Res. 1994. V. 99. Iss. A9. P. 17199–17204. https://doi.org/10.1029/94JA00946.
  15. Ohtani S., Kokubun S. IMP 8 magnetic observations of the high-latitude tail boundary: locations and force balance // J. Geophys. Res. 1990. V. 95. Iss. A12. P. 20759–20769. https://doi.org/10.1029/JA095iA12p20759.
  16. Shue J.-H., Song P., Russe C.T. et al. Magnetopause location under extreme solar wind conditions // J. Geophys. Res. 1998. V. 103. Iss. A8. P. 17691–17700. https://doi.org/10.1029/98JA01103.
  17. Веригин М., Апати И., Котова Г. и др. Зависимость размеров и формы магнитопаузы Марса от динамического давления солнечного ветра по данным спутника Фобос-2 // Косм. исслед. 1996.Т. 34. № 6. С. 595–603. (Verigin M., Apathy I., Kotova G. et al. Dependence of Martian magnetopause shape and its dimensions on solar wind dynamic pressure according to Phobos-2 data // Cosm. Res. 1996. V. 34. Iss. 6. P. 551–558.)
  18. Trotignon J.G., Mazelle C., Bertucci C. et al. Martian shock and magnetic pile-up boundary positions and shapes determined from the Phobos 2 and Mars Global Surveyor data sets // Planet Space Sci. 2006. V. 54. P. 357–369. https://doi.org/10.1016/j.pss.2006.01.003.
  19. Spreiter J.R., Alksne A.Y. Effect of neutral sheet currents on the shape and magnetic field of the magnetosphere // Planet. Space Sci. 1969. V. 17. P. 233. https://doi.org/10.1016/0032-0633(69)90040-3.
  20. Zhang T.-L., Schwingenschuh K., Russell C.T. et al. The flaring of the Martian magnetotail observed by the Phobos 2 spacecraft // Geophys. Res. Lett. 1994. V. 21. Iss. 12. P. 1121–1124. https://doi.org/10.1029/94GL01073.
  21. Bame S.J., Phillips J.L., McComas D.J. et al. The ULYSSES solar wind plasma investigation: Experiment description and initial in-ecliptic results // Solar Wind Seven. Eds. E. Marsch and R. Schwenn. Proc. the 3rd COSPAR Colloquium Held in Goslar. Germany. Pergamon. 1992. P. 139–142. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-042049-3.50030-2.
  22. Baumjohann W., Paschmann G., Luhr H. Pressure balance between lobe and plasma sheet // Geophys. Res. Lett. 1990. V. 17. Iss. 1. P. 45–48. https://doi.org/10.1029/GL017i001p00045
  23. Знаткова С.С., Антонова Е.Е., Кирпичев И.П. и др. Давление плазмы под магнитопаузой на вечернем фланге в экваториальной плоскости при больших отрицательных ХGSM // Геомаг. Аэрон. 2018. Т. 58. № 6. С. 731–739. https://doi.org/10.1134/S0016794018060160. (Znatkova S.S., Antonova E.E., Kirpichev I.Pl, Pulinets M.S. Plasma pressure under magnetopause on the dusk flank in the equatorial plane for large negative ХGSM // Geom. Aeron. 2018. V. 59. P. 701–709. https://doi.org/10.1134/s0016793218060154.)
  24. Petrukovich A.A., Mukai T., Kokubun S. et al. Substorm-associated pressure variations in the magnetotail plasma sheet and lobe // J. Geophys. Res. 1999. V. 104. Iss. A3. P. 4501–4513. https://doi.org/10.1029/98JA02418.
  25. Petrinec S.M., Russell C.T. An empirical model of the size and shape of the near-earth magnetotail // Geophys. Res. Lett. 1993. V. 20. Iss. 23. P. 2695–2698. https://doi.org/10.1029/93GL02847.
  26. Nakai H., Kamide Y., Russell C.T. Influences of solar wind parameters and geomagnetic activity on the tail lobe magnetic field: a statistical study // J. Geophys. Res. 1991. V. 96. P. 5511–5523. https://doi.org/10.1029/90JA02361.
  27. Steinitz R., Eyni M. Global properties of the solar wind. I. The invariance of the momentum flux density // Astrophys. J. 1980. V. 241. P. 417–424. https://doi.org/10.1086/158355.
  28. Adebesin O.B., Ikubanni O.S., Kayode S.J. Solar wind dynamic pressure dependency on the plasma flow speed and IMF Bz during different geomagnetic activities // World J Young Researchers. 2012. V. 2(3) P. 43-54.
  29. Burlaga L.F., Ogilvie K.W. Magnetic and thermal pressures in the solar wind // Sol. Phys. 1970. V. 15. P. 61–71. https://doi.org/10.1007/BF00149472.
  30. Yang Z., Shen F.,·Zhang J. et al. Correlation between the magnetic field and plasma parameters at 1 AU // Solar Phys. 2018. V. 293. https://doi.org/10.1007/s11207-017-1238-5.
  31. Pérez-Alanis C.A., Janvier M., Nieves-Chinchilla T. et al. Statistical Analysis of Interplanetary Shocks from Mercury to Jupiter // Sol. Phys. 2023. V. 298. https://doi.org/10.1007/s11207-023-02152-3
  32. DiBraccio G.A., Espley J.R., Gruesbecket J.R. et al. Magnetotail dynamics at Mars: Initial MAVEN observations // Geophys. Res. Lett. 2015. V. 42. Iss. 21. P. 8828–8837. https://doi.org/10.1002/2015GL065248.
  33. Shutte N.M., Kiraly P., Cravens T.E. et al. Observation of electron and ion fluxes in the vicinity of Mars with the HARP spectrometer // Nature. 1989. V. 341. Iss. 6243. P. 614–616. https://doi.org/10.1038/341614a0
  34. Шютте Н., Кирай П., Кравенс Т. и др. Наблюдения потоков электронов и ионов в окрестности Марса при помощи спектрометра ХАРП на КА "Фобос-2" // Письма в АЖ. 1990. Т. 16. №. 4. (Shutte N., Kiraly P., Cravens T.E. et al. Observations of electron and ion flux in the vicinity of Mars using the HARP spectrometer on Phobos 2 // Soviet Astron. Lett. 1990. V. 16. Iss. 2. P. 154–156.)
  35. Kiraly P., Loch R., Szego K. et al. The HARP plasma experiment on-board the Phobos-2 spacecraft: Preliminary results // Planet. Space Sci. 1991. V. 39. Iss. 1/2. P. 139–146. https://doi.org/10.1016/0032-0633(91)90136-X.
  36. Halekas J.S., Brain D.A., Lin R.P. et al. Distribution and variability of accelerated electrons at Mars // J. Adv. Space Res. 2008. V. 41. Iss. 9. P. 1347–1352. https://doi.org/10.1016/j.asr.2007.01.034.
  37. Baumjohann W. The near-Earth plasma sheet: An AMPTE IRM perspective // Space Sci. Rev. 1993. V. 64. P. 141–163. https://doi.org/10.1007/BF00819660.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Энергетические спектры ионов, измеренные прибором ТАУС в режиме регистрации тяжелых ионов 16 марта 1989 г., модуль B и BX-компонента магнитного поля, по данным прибора МАГМА. Справа сплошной линией отмечены участки траектории в солнечном ветре, жирной линией — в магнитослое, пунктирной — в магнитосфере Марса. Крестиками отмечены места наблюдений потоков тяжелых ионов внутри магнитосферы [3].

Скачать (60KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Зависимость плотности тяжелых ионов (О+) вблизи нейтрального слоя ареомагнитного хвоста от плотности невозмущенного солнечного ветра. о — измерения на влете в ареомагнитный хвост, Δ — на вылете из него.

Скачать (16KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость плотности протонов плазменного слоя вблизи нейтрального слоя геомагнитного хвоста от плотности невозмущенного солнечного ветра по данным спутников ISEE 2 и ISEE 3, соответственно [9].

Скачать (18KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Сравнение полного давления солнечного ветра с давлением магнитного поля в долях хвоста магнитосферы Марса. Обозначения те же, что и на рис. 2. Сплошная прямая соответствует равенству давлений.

Скачать (15KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимость полного давления солнечного ветра от плотности протонов солнечного ветра вблизи Марса. Обозначения те же, что и на рис. 2. Сплошная прямая — зависимость pSW = 3.45×10-10(nSW)1.15.

Скачать (15KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Зависимость полного давления солнечного ветра от плотности протонов солнечного ветра по данным спутника ISEE 3. Сплошная прямая — зависимость pSW = 7.0×10-10(nSW)0.82.

Скачать (19KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Сравнение давления в центральном плазменном слое и в долях хвоста магнитосферы Марса. Обозначения те же, что и на рис. 2.

Скачать (17KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Двумерные спектры ионов кислорода, измеренные на второй эллиптической орбите Фобоса-2 около Марса 05.II.1989. Точками отмечены центры интервалов измерения в пространстве скоростей, в которых рассчитывалась функция распределения ионов f. Внешняя изолиния соответствует f = 10-21с3/см-6, величина f возрастает в 100.2 раз к следующей внутренней изолинии.

Скачать (2KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Зависимость плотности ионов в центральном плазменном слое от магнитного давления в долях хвоста. Обозначения те же, что и на рис. 2.

Скачать (16KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Зависимость теплового давления протонов в плазменном слое магнитосферы Земли от динамического давления солнечного ветра [9]

Скачать (19KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024