ИСТИНА

В рамках проекта будет проведено теоретическое и численное моделирование равновесных тонких токовых слоев в бесстолкновительной плазме, создаваемых взаимопроникающими потоками неадиабатических ионов. Особое внимание будет уделено исследованию квазистационарной структуры токовых слоев в процессе их медленной эволюции, а также процессам разрушения с высвобождением энергии, которые носят взрывной характер. Учет захваченной в слое плазменной популяции позволит выявить ее роль в процессах разрушения слабоанизотропных слоев. С помощью моделирования методом крупных частиц будет исследовано влияние тиринг- и кинк- возмущений на сильноанизотропные токовые структуры. Таким образом, результаты моделирования помогут ответить на вопрос о характере и основных механизмах эволюции тонких токовых слоев с произвольной анизотропией источников плазмы.

Общий план работ на весь срок выполнения проекта. Будет проведено исследование стационарной структуры и свойств аналитических решений в рамках теории тонких анизотропных токовых слоев для произвольной анизотропии источника ионов, с учетом захваченной и квазизахваченной компонент плазмы. Будет проведено специальное исследование устойчивости ТТС по отношению к процессам диффузии магнитных моментов при движении частиц в магнитном поле в обращенном магнитном поле. Будет построена и реализована численная схема метода частиц и создан код для численного анализа (комплекс программ в С++). Будут представлены результаты моделирования токовых слоев методом крупных частиц с учетом и без учета захваченной и квазизахваченной плазменной компоненты. Будет проанализирована зависимость решений численной модели от разных начальных и граничных условий, от конфигурации системы, например, от величины нормальной компоненты магнитного поля или потоковой скорости плазмы на границе системы. Будет проведено аналитическое и численное исследования влияния тиринг- (разрывного) и кинк- (изгибного) возмущений магнитного поля на устойчивость ТТС и определены условия, при которых возможна потеря устойчивости. Будет проведено сравнение результатов моделирования с данными спутниковых измерений в хвосте магнитосферы Земли.

Коллективом авторов проекта активно развивались новые аналитические и численные подходы к изучению токовых слоев. Была разработана самосогласованная теория бесстолкновительных ТТС [1-2,29-30], созданы численные коды для моделирования ТТС методом крупных частиц [3]. Авторы активно исследовали устойчивость тонких токовых слоев [28], их стационарную структуру и динамику [5]. В области численного моделирования нами созданы коды, с помощью которых получены первые сходящиеся самосогласованные профили слабоанизотропных ТТС. Имеющиеся результаты других авторов в этой области являются весьма противоречивыми. Так, Притчетт и Коронити [31] рассматривали только лишь тонкие токовые слои с сильной анизотропией источников плазмы. Буркхарт и др. [32] не смогли получить равновесные решения для тонких токовых слоев в рамках численного моделирования методом крупных частиц. Холланд и Чен [33] подтвердили этот результат, и использовали для исследования самосогласованных слабоанизотропных решений функцию распределения специального вида с усиленной высокоэнергичной компонентой. Мы смогли получить равновесные самосогласованные решения в случае слабой анизотропии [1]. С помощью численных кодов практически подтвержден вывод из аналитической теории [26] о возможности динамического колебательного равновесия слабоанизотропного слоя. Используя метод вариации возмущенной энергии, авторы проекта разрабатывают в настоящее время теорию устойчивости анизотропных токовых слоев. В целом авторами проекта созданы или находятся в процессе разработки три вида методов исследования ТТС: аналитические, численныеи экспериментальные методы. Все эти методы являются новыми и оригинальными. Новизна их состоит также в выборе объекта исследования - давно предсказанных Спейсером [34], но сравнительно недавно открытых в эксперименте тонких токовых слоев земной магнитосферы.

Построена самосогласованная модель анизотропных тонких токовых слоев в хвосте магнитосферы, позволяющая исследовать их тонкую структуру на разных этапах временной эволюции. Модель основывается на решении уравнений типа Грэда- Шафранова в квазиадиабатическом приближении. Медленная диффузия приближенного инварианта движения $I_z$ приводит к постепенному захвату пролетных (спейсеровских) орбит на квазизахваченные орбиты вблизи центральной плоскости. Так как поперечный ток, создаваемый такой популяцией частиц, противоположен току спейсеровских частиц, локальный ток в центре слоя может быть полностью или частично скомпенсирован. Как результат, форма плотности поперечного тока эволюционирует от обычного одногорбого к характерному расщепленному (двугорбому) профилю. Процесс наполнения ТТС квазизахваченной плазмой в конечном счете способствует разрушению токового слоя. В рамках созданной модели проведен анализ влияния анизотропной электронной популяции на тонкую структуру токового слоя. Предполагается, что электронная популяция поддерживает квазиравновесное Больцмановское распределение вдоль силовых линий. Показано, что в случае изотропного давления электронов [ExB]-дрейф может привести к частичному расщеплению профиля плотности тока и образованию «двугорбой» бифурцированной структуры. В противоположном случае анизотропного давления электронов получается очень узкий и интенсивный пик электронного тока вблизи нейтральной плоскости, обусловленный дрейфом электронов в области максимальной кривизны магнитных силовых линий. Исследованы зависимости этих эффектов от соотношения температур ионов и электронов, величины нормальной компоненты магнитного поля и среднего магнитного момента электронов. Результаты численных расчетов хорошо подтверждаются экспериментальными наблюдениями расщепленных токовых слоев на ИСЗ Cluster и Geotail в хвосте магнитосферы Земли. Исследована нелинейная динамика заряженных частиц в расщепленных «толстых» слоях. Показано, что рассеяние магнитного момента частиц может быть представлено как результат возмущения гиродвижения импульсной центробежной силой. Двойное воздействие импульсной центробежной силы в бифурцированном токовом слое может привести к существенному изменению магнитного момента частицы, причем набег гирофазы вращения играет критическую роль. Хаотическое сильно нелинейное движение частиц, характерное для дногорбого слоя может носить квазиадиабатический характерв двугорбом слое, так как скачки магнитного момента частиц на входе и выходе из системы компенсируются, и результирующее изменение магнитного момента пренебрежимо мало.