Институт Лазерной Физики

Отдел Лазерной ПлазмыНовосибирск, СО РАН

 Лабораторное моделирование

продольных токов в экспериментах по обтеканию диполя лазерной плазмой

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.

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

Схема установки

targ

et

mag

netic

dipole

6

X

Y

Z

1

1

2

3

4

5

“dawn”

1 – laser beams; 2 – target; 4 – magnetic dipole; 5 – probes. Also schematically are shown laser-produced plasma (3) and field aligned currents (6, large arrows). Thin lines mark magnetic field lines and plasma streamlines.

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.

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.

I

Основная токовая система, наблюдаемая в эксперименте

- Токи Чепмена-Ферраро - Магнитопауза и каспы- Структура переходного слоя

Продольные токи (FAC)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 полногопродольного тока, его локальные характеристики, магнитные поляи связь с динамикой плазменного потока

Зависимости от величины момента диполяОбнаружен скейлинг Чепмена Ферраро ~μ1/3 для положения

магнитопаузыи интегральной величины FAC.

Сравнение результатов с проводящей и диэлектрической

поверхностью диполя- Моделирует наличие или отсутствие ионосферы. - Позволяет выявить вклад FAC в магнитосферное поле.

Локальные измерения продольного тока

Измерение локального тока подтверждает:

1) Продольный ток в эксперименте имеет такое же направление как токи зоны-1 на Земле.

2) Ток сильно неоднороден по сечению и протекает по отдельным интенсивным каналам.

0 2 4 6 8 10 12 14

2 4 6 8 10 12 140

50

100

150

200

250

300

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

t, sec

arb

. un

its.

I,J,cm2A kA

Cu1+

C2+

Измерения с проводящим и непроводящим диполем

Позволили выявить характерные детали магнитных возмущений, создаваемых продольными токами и обнаружить их связь с электрическим потенциалом, наводимым в экваториальной части магнитопаузы.

0 2 4 6 8 10 12

-50

0

50

100

150

200

250

0 2 4 6 8 10 12

-50

0

50

100

150

200

250Gsa

bz

bxBz

Bx

t, sec

b

bz

Bz

12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34

-150

-100

-50

0

50

100

150

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

X, cm

B, Gs

, V

Продольные токи в магнитосфере Меркурия

Rmμ P (Pμ)1/3 JCh-F JFAC ΔBpolar BFAC

Earth 10 RE 8∙1025 2.5∙10-8

1 ~3∙106

~3∙106

(1-5)∙102

102

Mercury

1.5 RM ~5∙1023

26∙10-

8

0.4 ~106 ~106 ? 50

Lab (1-3) Rd

107 7∙103 3∙10-3 ~8∙103

~3∙103

(2-4)∙107

4∙107

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.

Характерное магнитное возмущение от продольных токов было зарегистрировано при пролете Mariner 10-I в хвосте Меркурия [Slavin 1997 ]. Наземные наблюдения экзосферы Меркурия обнаружили существование на высоких широтах пятен спорадического поверхностного свечения [Potter 1985, 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

2

mRoR

4

1~

oBFACB