Physics of auroral phenomena : proceedings of the 38th annual seminar, Apatity, 2-6 march, 2015 / [ed. board: A. G. Yahnin, N. V. Semenova]. - Апатиты : Издательство Кольского научного центра РАН, 2015. - 189 с. : ил., табл.

ДВУМЕРНЫЕ СТРУКТУРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ХОЛОДНОЙ ИОНОСФЕРНО-МАГНИТОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЕ М.А. Волков МГТУ, кафедра Общей и Прикладной физики, e-mail :volkovma@mstu.edu.ru, г. Мурманск Аннотация. В работе рассмотрено формирование двумерных авроральных структур в холодной ионосферно-магнитосферной плазме в условиях конвекции. Неоднородность конвекции приводит к появлению токов поперек и вдоль магнитных силовых линий. Продольные токи, текущие из ионосферы в магнитосферу, приводят к возникновению обратной положительной связи между магнитосферно- ионосферными возмущениями. Ускорение электронов в ионосферу происходит за счет продольных электрических полей в инерционной альвеновской волне. Введение Даже в случае холодной плазмы из-за столкновений с нейтральными частицами в ионосфере возникают возмущения электрического и магнитного полей. В ряде работ предсказаны механизмы обратной связи между движущейся плазмой в магнитосфере и ионосфере [Atkinson, \970;Holzer and Sato, 1973]. В холодной плазме они распространяются вдоль магнитного поля из ионосферы в магнитосферу в форме альвеновской волны. Из-за поляризационных токов на краях области возмущения возникают продольные токи, направленные вдоль магнитного поля. Исследования обратной связи проводятся, как правило, в приближении малых возмущений [Trakhtengerts and Feldstein, 1991; Lysak and Yan Song, 2002]. Но даже в этом случае более точное решение этой задачи получается при использовании только численных методов. Это связано с достаточно неоднородным профилем альвеновской скорости вдоль магнитной силовой линии. В работе [Волков М.А., 2014а] рассматривается влияние нелинейных процессов в ионосфере на эту обратную связь в приближении бесконечной продольной проводимости магнитных силовых линий. В тоже время продольные токи могут приводить к возникновению продольного электрического поля, которое ускоряет электроны, высыпающиеся в ионосферу. В холодной плазме возникновение продольного поля связано с инерцией электронов. В настоящей работе рассматривается обратная положительная связь между ионосферой и магнитосферой в условиях конвекции и образования продольных электрических полей из-за инерции электронов. На основе выполненных расчетов будет дана оценка продольной разности потенциалов и сделан вывод об эффективности этого механизма ускорения электронов в авроральных структурах. Описание ионосферы Используем прямоугольную систему координат, ось у направим на запад ось х к - югу, ось z - вниз, вдоль магнитного поля (Северное полушарие). Будем рассматривать двумерные возмущения, зависящие от х и z, т.е. д/8}’= 0 . Уравнение непрерывности для электронов с учетом процессов ионизации и рекомбинации имеет следующий вид: dnldt + d(nv„)/dx = -y/edjjdz- г(п2- п02), ( 1 ) где и, vex- концентрация и скорость электронов; п0 - фоновое значение концентрации; г - коэффициент рекомбинации (квадратичный закон рекомбинации выполняется для высот £-слоя); j z - продольный ток, е - заряд равный заряду электрона, у - коэффициент размножения пар ионов при ионизации. Нас будут интересовать процессы, длительность которых много больше 0.01 с. В этом случае из уравнения движения ионов получим следующее выражение для скорости: v,d=(e£x)/(vM)/fWi «i ( 2 ) где Vxi - скорость ионов, т, -масса иона, п - концентрация ионов в ионосфере, v, - частота столкновений ионов с нейтралами, со* - гирочастота ионов, Ех - напряженность х компоненты электрического поля, f(v/co,)=(v„M) /(l+ (v ji 0 i)2. Уравнение непрерывности для тока в ионосфере: д/дх(арЕх - ah£oy)= -d jjdz, ( 3 ) где Oph - ионосферные проводимости Педерсена и Холла, £оу - электрическое поле ионосферно- магнитосферной конвекции. Частоты столкновений электронов с нейтралами много меньше гирочастоты электронов в ионосфере, поэтому можно считать, что электроны движутся со скоростью конвекции ve=E0yJBa (В0 -индукция магнитного поля в ионосфере). Ионосферные проводимости зависят от концентрации заряженных частиц и частот следующим образом: 52 “P hysics o f Auroral P henom ena", Proc. XXXVIII A nnual Seminar, Apatity, pp. 52-55, 2 0 1 5 © Kola Science Centre, Russian Academy of Science, 2015 Polar Geophysical Institute