Иркутск, Россия
В работе рассматривается динамика ионов во фронте магнитозвуковых ударных волн (МЗУВ), движущихся под различными углами θ к вектору магнитного поля. Используется модель ударного разрыва ударной волны, в которой учитывается перепад потенциала в рампе. В результате проведенного анализа, все ионы, набегающие на фронт косых МЗУВ, условно разделены на следующие категории: 1) пролетные, 2) отраженные, 3) вращающиеся перед рампом, 4) захваченные в рампе. Показано, что как вращающиеся, так и захваченные ионы присутствуют временно во фронте МЗУВ с любыми углами θ. В итоге и те, и другие оказываются в строго поперечной МЗУВ пролетными, а в косых МЗУВ — либо пролетными, либо отраженными. Найден критический угол θ*, который в косых МЗУВ разделяет ионы на пролетные и отраженные. Угол θ* зависит как от скорости налетающих на рамп частиц, так и от пространственного размера перепада потенциала в рампе. Cамые важные результаты, полученные при изучении динамики отраженных ионов: 1) установлена физическая причина образования отраженных ионов, имеющих значительную энергию; 2) выявлен механизм их ускорения в рампе. В ионном форшоке околоземной удар-ной волны именно эти энергичные (от десятков до сотен кэВ) ионы, убегающие от ударного фронта МЗУВ под небольшим углом к плоскости фронта, проявляются в наблюдениях в виде так называемых продольных пучков (field-aligned beam — FAB) и формируют границу ионного форшока.
ударные волны, структура фронта магнитозвуковой волны, ускорение частиц
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время наиболее подробно изучена структура ударного фронта квазиперпендикулярных магнитозвуковых ударных волн (МЗУВ), [Leroy, 1982; Leroy et al., 1983; Balogh, Treumann, 2013]. Схематически структуру ударного разрыва поперечной МЗУВ представляют таким образом: набегающий поток плазмы (upstream), небольшое возрастание магнитного поля — подножье (foot), область резких перепадов магнитного и электрического полей — рамп (ramp), овершут-андершут колебания (overshoot-undershoot oscillations) магнитного поля за рампом, плазма за ударным разрывом (downstream). В про-странственной области, называемой рампом, из-за разделения зарядов образуется отражающий ионы перепад потенциала такой величины, что он может существенно затормозить налетающий на фронт МЗУВ поток ионов, за счет чего в рампе формируются резкие перепады скорости и плотности ионов. Образование подножья связывают с ионами, которые выходят из рампа, разворачиваются перед ним магнитным полем и снова попадают в рамп. Подобный разворот иона перед рампом может повторяться несколько раз, в результате чего перед рампом повышается плотность плазмы и образуется подножье [Woods, 1971], где происходит усиление магнитного поля.
В этой сложной структуре ударного разрыва МЗУВ самым существенным элементом является область рампа, где имеются скачки основных пара-метров плазмы: магнитного поля, потенциала, ско-рости и плотности. Влияние перепада магнитного поля в рампе на движение ионов не столь суще-ственно и в первом приближении им можно прене-бречь. Это обусловлено тем, что для реальной вели-чины магнитного поля в рампе ларморовский радиус ионов плазмы, движущихся со скоростью, близкой к скорости натекающего потока плазмы, больше или, как правило, значительно больше размера рампа d. Иногда ширина перепада потенциала порядка дебаевского радиуса, т. е. очень мала по сравнению с другими характерными для ударного разрыва масштабами. Учитывая эти обстоятельства, в существующих моделях, представляющих ударный разрыв, в рампе обычно учитывается только перепад потенциала. При этом в нулевом приближении пренебрегают перепадами магнитного поля как в рампе, так и в подножье, т. е. магнитное поле в пределах ударного разрыва считается однородным.
1. Ерохин Н.С., Моисеев С.С., Сагдеев Р.З. Релятивистский серфинг в неоднородной плазме и генерация космических лучей // Письма в Астрон. журн. 1989. Т. 15. С. 3-10.
2. Кичигин Г.Н. Исследование процесса ускорения ионов во фронте магнитозвуковой ударной волны с изомагнитным скачком // ЖЭТФ. 1992. Т. 101. С. 1487-1509.
3. Кичигин Г.Н. Особенности ускорения электронов в серфотроне // ЖЭТФ. 1995. Т. 108. С. 1342-1354.
4. Кичигин Г.Н. Серфотронный механизм ускорения космических лучей в галактической плазме // ЖЭТФ. 2001. Т. 119. С. 1038.
5. Кичигин Г.Н.. Серфинг и генерация космических лучей в релятивистских ударных волнах // ЖЭТФ. 2009a. Т. 136. С. 476-482.
6. Кичигин Г.Н.. О происхождении энергичных частиц в области форшока околоземной ударной волны // Письма в АЖ. 2009б. Т. 35, № 4. С. 295-303.
7. Сагдеев Р.З. Коллективные процессы и ударные волны в разреженной плазме // Вопросы теории плазмы. 1964. Вып. 4. М: Атомиздат, 1964. С. 20-80.
8. Alekseyev I.I., Kropotkin A.P. Passage of energetic particles through a magnetohydrodynamic discontinuity surface // Geomagnetism and Aeronomy. 1970. V. 10. P. 755.
9. Bale S.D., Mozer F.S. Measurement of large parallel and perpendicular electric fields on electron spatial scales in the terrestrial bow shock // Phys. Rev. Lett. 2007. V. 98, iss. 20, id. 205001. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.98.205001.
10. Bale S.D., Balikhin M.A., Horbury T.S., et. al. Quasi-perpendicular shock structure and processes // Space Sci. Rev. 2005. V. 118. P. 161-203. DOI:https://doi.org/10.1007/s11214-005-3827-0.
11. Balikhin M., Gedalin M., Krasnosselskikh V. The scales in quasiperpendicular shocks // Adv. Space Res. 1995. V. 15. P. 247-260.
12. Balogh A., Treumann R.A. Physics of Collisionless Shocks. New York: Springer Science Business Media, 2013. 512 p. DOI:https://doi.org/10.1007/978-1-4614-6099-2.
13. Chiueh T. Multiple-encounter shock-drift acceleration in nearly perpendicular shocks // Astrophys. J. Pt. 1. 1988. V. 333. P. 366-385.
14. Dawson J.M., Katsouleas T. Unlimited electron acceleration in laser-driven plasma waves // Phys. Rev. Lett. 1983. V. 51. P. 392-396.
15. Decker R.B. Computer modeling of test particle acceleration at oblique shocks //Space Sci. Rev. 1988. V. 48. P. 195-262.
16. Gosling J.T., Thomsen M.F., Bame S.J., et al. Evidence for specularly reflected ions upstream from the quasi-parallel bow shock // Geophys. Res. Lett. 1982. V. 9. P. 1333-1336. DOI:https://doi.org/10.1029/GL009i012p01333.
17. Heppner J.P., Maynard N.C., Aggson T.L. Early results from ISEE-1 electric field measurements // Space Sci. Rev. 1978. V. 22. P. 777-789.
18. Lee M.A., Shapiro V.D., Sagdeev R.Z. Pickup ion energization by shock surfing // J. Geophys. Res. 1996. V. 101A. P. 4777-4789.
19. Lever E.L., Quest K.B., Shapiro V.D. Shock surfing vs. shock drift acceleration // Geophys. Res. Lett. 2001. V. 28. P. 1367-1370.
20. Leroy M.M. Structure of perpendicular shocks in collisionless plasma // Phys. Fluids. 1982. V. 26. P. 2742-2753.
21. Leroy M.M., Winske D., Goodrich C.C., et al. The structure of perpendicular bow shocks // J. Geophys. Res. 1983. V. 87. P. 5081-5094.
22. Newbury J.A., Russell C.T., Gedalin M. The ramp widths of high-Mach-number, quasi-perpendicular collisionless shocks // J. Geophys. Res. 1998. V. 103, iss. A12. P. 29581-29594.
23. Ohsawa Y. Conditions for ion reflection in a large amplitude magnetosonic wave // J. Phys. Soc. Japan. 1990. V. 59. P. 2782-2789.
24. Schwartz S., Thomsen M.F., Gosling J.T. Ions upstream of the Earth's bow shock: a theoretical comparison of alternative source populations // J. Geophys. Res. 1983. V. 88, N A3. P. 2039-2047.
25. Sckopke N., Paschmann G., Bame S.J., et al. Evolution of ion distributions across the nearly perpendicular bow shock: specularly and non-specularly reflected ions // J. Geophys. Res. 1983. V. 88. P. 6121-6136. DOI:https://doi.org/10.1029/JA088iA08p06121.
26. Shapiro V.D., User D. Shock surfing acceleration // Planet. Space Sci. 2003. V. 51. V. 665-680.
27. Sugihara R.S., Takeuchi N., Sakai K., Matsumoto M. de Acceleration of charged particles by an electrostatic wave propagation obliquely to a magnetic field // Phys. Rev. Lett. 1984. V. 52. P. 1500-1503. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.52.1500.
28. Toptygin I.N. Acceleration of particles by shocks in a cosmic plasma // Space Sci. Rev. 1980. V. 26. P. 157-213.
29. Webb G.M., Axford W.I., Terasawa T. On the drift mechanism for energetic charged particles at shocks // Astrophys. J. 1983. V. 270. P. 537-553.
30. Wilson III L.B. Low frequency waves at and upstream of collisionless shocks // Low frequency waves in space plasmas. (GMS-216)-AGU-2016. P. 269-292.
31. Woods L.C. On double structured, perpendicular, magneto-plasma shock waves // Plasma Phys. 1971. V. 13. P. 289-302. DOI:https://doi.org/10.1088/0032-1028/13/4/302.
