Solnechno-Zemnaya Fizika Solnechno-Zemnaya Fizika Солнечно-земная физика 2712-9640 82799 10.12737/szf-104202402 Результаты исследований Results of current research Результаты исследований Ponderomotive redistribution of heavy ions along a magnetic field line О пондеромоторном перераспределении тяжелых ионов вдоль линии магнитного поля Гульельми Анатолий Владимирович Guglielmi Anatol Vladimirovich guglielmi@mail.ru

доктор физико-математических наук;

doctor of physical and mathematical sciences;

 Фейгин Феликс Зеликович Feygin Felix Zelikovich feygin@ifz.ru

доктор физико-математических наук;

doctor of physical and mathematical sciences;

 https://orcid.org/0000-0002-4864-0993 Потапов Александр Сергеевич Potapov Alexander Sergeevich potapov@iszf.irk.ru

доктор физико-математических наук;

doctor of physical and mathematical sciences;

 Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН Москва Россия Schmidt Institute of Physics of the Earth, RAS Moscow Russian Federation Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН Москва Россия Schmidt Institute of Physics of the Earth, RAS Moscow Russian Federation Институт солнечно-земной физики СО РАН Иркутск Россия Institute of Solar-Terrestrial Physics SB RAS Irkutsk Russian Federation 18 12 2024 18 12 2024 10 4 17 21 02 05 2024 26 07 2024 https://zh-szf.ru/en/nauka/article/82799/view

Поставлена задача о пондеромоторном разделении и ускорении ионов с различным отношением заряда к массе под влиянием волн Альфвена, постоянно существующих в магнитосфере в виде геомагнитных пульсаций. Выведены формулы для парциальных пондеромоторных сил, действующих на легкие и тяжелые (металлические) ионы. В квазигидродинамическом приближении получена система уравнений, описывающая распределение ионов вдоль силовых линий магнитного поля в магнитосфере Земли. Установлено, что число Кларка, характеризующее металличность плазмы, максимально в минимуме магнитного поля на силовой линии, вдоль которой распространяется альфвеновская волна, что приводит к накоплению тяжелых ионов в вершине силовой линии в месте пересечения ее с магнитным экватором. Полученные теоретические результаты согласуются с результатами спутниковых измерений распределения тяжелых ионов вдоль силовых линий в магнитосфере Земли.

We set up the problem of ponderomotive separation and acceleration of ions with different charge-to-mass ratios under the influence of Alfvén waves, which constantly exist in the magnetosphere in the form of geomagnetic pulsations. Formulas for partial ponderomotive forces acting on light and heavy (metallic) ions are derived. In the quasi-hydrodynamic approximation, a system of equations is obtained which describes the distribution of ions along magnetic field lines in Earth’s magnetosphere. The Clarke number, which characterizes plasma metallicity, is found to be maximum at a minimum magnetic field on the field line along which the Alfvén wave propagates. This leads to the accumulation of heavy ions at the top of the field line at the point of its intersection with the magnetic equator. The theoretical conclusions agree with satellite measurements of the distribution of heavy ions along field lines in Earth’s magnetosphere.

 парциальные пондеромоторные силы волны Альфвена тяжелые ионы амбиполярная диффузия геомагнитное поле число Кларка partial ponderomotive forces Alfvén waves heavy ions ambipolar diffusion geomagnetic field Clarke number Работа выполнена в рамках Государственных заданий Министерства науки и высшего образования РФ для ИФЗ РАН и ИСЗФ СО РАН The work was carried out under Government assignments of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation for IPE RAS and ISTP SB RAS

Альфвен Х. Космическая электродинамика. М.: Иностранная литература, 1952. 290 с. Alfvén H. Cosmical Electrodynamics. Oxford, Clarendon Press, 1950, 238 p. Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. М.: Наука, 1967. 685 с. Denton R.E., Takahashi K., Galkin I.A., Nsumei P.A., Huang X., Reinisch B.W., Anderson R.R., Sleeper M.K., Hughes W.J. Distribution of density along magnetospheric field lines. J. Geophys. Res. 2006, vol. 111, A04213. DOI: 10.1029/2005JA011414. Гульельми А.В. МГД-волны в околоземной плазме. М.: Наука, 1979. 139 с. Denton M.H., Henderson M.G., Maruyama N., Fuselier S.A. The cold ion population at geosynchronous orbit and transport to the dayside magnetopause: September 2015 to February 2016. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2019, vol. 124, pp. 8685–8694. DOI: 10.1029/2019JA026973. Гульельми А.В. Пондеромоторные силы в коре и в магнитосфере Земли. Физика Земли. 1992. № 7. С. 35–40. Feygin F.Z., Guglielmi A.V. Ponderomotive forces of Alfvén waves in the Earth’s magnetosphere. Izvestiya, Physics of the Solid Earth. 2023, vol. 59, pp. 993–1001. DOI: 10.1134/S106935132306006X. Гульельми А.В., Потапов А.С. Влияние тяжелых ионов на спектр колебаний магнитосферы. Космические исследования. 2012. Т. 50, № 4. С. 283–291. Fuselier S.A., Klumpar D.M., Peterson W.K., Shelley E.G. Direct injection of ionospheric O+ into the dayside low latitude boundary layer. Geophys. Res. Lett. 1989, vol. 16, pp. 1121–1124. DOI: 10.1029/GL016i010p01121. Гульельми А.В., Потапов А.С. Частотно-модулиро-ванные ультранизкочастотные волны в околоземном космическом пространстве. УФН. 2021. Т. 191, № 5. С. 475–491. DOI: 10.3367/UFNr.2020.06.038777. Fuselier S.A. Ionospheric oxygen ions in the dayside magnetosphere. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2020, vol. 2010, 105448. DOI: 10.1016/j.jastp.2020.105448. Гульельми А.В., Фейгин Ф.З. Воздействие пондеромоторных сил на магнитосферу Земли. Физика Земли. 2018. № 5. C. 53–60. DOI: 10.1134/S1069351318050075. Ginzburg V.L. Propagation of Electromagnetic Waves in Plasma. New-York, Pergamon Press, 1971, 822 p. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М.: Физматлит, 2003. 656 с. Guglielmi A.V. MGD volny v okolozemnoi plazme [MHD Waves in the Near-Earth Plasma]. Moscow, Nauka Publ., 1979, 139 p. (In Russian). Лифшиц Е.М., Питаевский Л.П. Физическая кинетика. М.: Наука, 1979. 528 с. Guglielmi A.V. Ponderomotive forces in the crust and magnetosphere of the Earth. Fizika Zemli [Izvestiya, Physics of the Solid Earth]. 1992, no. 7, pp. 35–40. (In Russian). Нишида А. Геомагнитный диагноз магнитосферы. М.: Наука, 1980. 299 с. Guglielmi A.V., Feygin F.Z. Impact of ponderomotive forces on the Earth’s magnetosphere. Izvestiya, Physics of the Solid Earth. 2018, vol. 54, no. 5, pp. 712–720. DOI: 10.1134/S1069351318050075. Потапов А.С., Гульельми А.В. Ускорение магнитосферных ионов вверх осцилляторной составляющей центробежной силы. Солнечно-земная физика. 2010. Вып. 16. С. 14–18. Guglielmi A.V., Potapov A.S. The effect of heavy ions on the spectrum of oscillations of the magnetosphere. Cosmic Res. 2012, vol. 50, no. 4, pp. 263–271. DOI: 10.1134/S0010952512040016. Потапов А.С., Гульельми А.В., Поляков А.Р. Пондеромоторные силы в магнитосферном ионно-циклотронном резонаторе. Доклады Академии наук. 2002. Т. 383, № 5. С. 688–690. Guglielmi A.V., Potapov A.S. Frequency-modulated ultra-low-frequency waves in near-Earth space. Physics-Uspekhi. 2021, vol. 191, pp. 475–467. DOI: 10.3367/UFNe.2020.06.038777. Фейгин Ф.З., Гульельми А.В. Пондеромоторные силы волн Альфвена в магнитосфере Земли. Физика Земли. 2023. № 6. С. 190–198. Guglielmi A.V., Potapov A.S., Russell C.T. The ion cyclotron resonator in the magnetosphere. JETP Letters. 2000, vol. 72, pp. 298–300. DOI: 10.1134/1.1328441. Denton R.E., Takahashi K., Galkin I.A., et al. Distribution of density along magnetospheric field lines. J. Geophys. Res. 2006. Vol. 111, A04213. DOI: 10.1029/2005JA011414. Kronberg E.A., Ashour-Abdalla M., Dandouras I., Delcourt D.C., Grigorenko E.E., Kistler L.M., Kuzichev I.V., et al. Circulation of heavy ions and their dynamical effects in the magnetosphere: Recent observations and models. Space Sci. Rev. 2014, vol. 184, pp. 173–235. DOI: 10.1007/s11214-014-0104-0. Denton M.H., Henderson M.G., Maruyama N., Fuselier S.A. The cold ion population at geosynchronous orbit and transport to the dayside magnetopause: September 2015 to February 2016. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2019. Vol. 124. P. 8685–8694. DOI: 10.1029/2019JA026973. Landau L.D., Lifshitz E.M. Electrodynamics of Continuous Media. Oxford, Pergamon Press, 1984, 417 p. Fuselier S.A., Ionospheric oxygen ions in the dayside magnetosphere. J. Atmosph. Solar-Terr. Phys. 2020. Vol. 210, 105448. DOI: 10.1016/j.jastp.2020.105448. Lifshitz E.M., Pitaevsky L.P. Physical Kinetics. Oxford, Pergamon Press, 1981, 452 p. Fuselier S.A., Klumpar D.M., Peterson W.K., Shelley E.G. Direct injection of ionospheric O+ into the dayside low latitude boundary layer. Geophys. Res. Lett. 1989. Vol. 16. P. 1121–1124. DOI: 10.1029/GL016i010p01121. Lundin R., Guglielmi A. Ponderomotive forces in cosmos. Space Sci. Rev. 2006, vol. 127, pp. 1–116. Guglielmi A.V., Potapov A.S., Russell C.T. The ion cyclotron resonator in the magnetosphere. Письма в ЖЭТФ. 2000. Т. 72, вып. 6. С. 432–435. Nishida A. Geomagnetic Diagnosis of the Magnetosphere. New York, Springer, 1978, 256 p. Kronberg E.A., Ashour-Abdalla M., Dandouras I., et al. Circulation of heavy ions and their dynamical effects in the magnetosphere: Recent observations and models. Space Sci. Rev. 2014. Vol. 184. P. 173–235. DOI: 10.1007/s11214-014-0104-0. Nosé M., Ieda A., Christon S.P. Geotail observations of plasma sheet ion composition over 16 years: On variations of average plasma ion mass and O+ triggering substorm model. J. Geophys. Res. 2009, vol. 114, A07223. DOI: 10.1029/2009JA014203. Lundin R., Guglielmi A.V. Ponderomotive forces in Cosmos. Space Sci. Rev. 2006. Vol. 127, no. 1-4. P. 1–116. DOI: 10.1007/s11214-006-8314-8. Nosé M., Takahashi K., Anderson R.R., Singer H.J. Oxygen torus in the deep inner magnetosphere and its contribution to recurrent process of O+‐rich ring current formation. J. Geophys. Res. 2011, vol. 116, A10224. DOI: 10.1029/2011JA016651. Nosé M., Ieda A., Christon S.P. Geotail observations of plasma sheet ion composition over 16 years: On variations of average plasma ion mass and O+ triggering substorm model. J. Geophys. Res. 2009. Vol. 114, A07223. DOI: 10.1029/2009JA014203. Potapov A.S., Guglielmi A.V. Acceleration of magnetospheric ions upward by the oscillatory component of the centrifugal force. Solar-Terr. Phys. 2010, iss. 16, pp. 14–18. (In Russian). Nosé M., Takahashi K., Anderson R.R., Singer H.J. Oxygen torus in the deep inner magnetosphere and its contribution to recurrent process of O+ rich ring current formation, J. Geophys. Res. 2011. Vol. 116, A10224. DOI: 10.1029/2011JA016651. Potapov A.S., Guglielmi A.V., Polyakov A.R. Ponderomotive forces in the magnetospheric ion cyclotron resonator. Doklady Earth Sciences. 2002, vol. 383, pp. 688–690. Roberts W.T. Jr., Horwitz J.L., Comfort R.H., et al. Heavy ion density enhancements in the outer plasmasphere. J. Geophys. Res. 1987. Vol. 92. P. 13499–13512. DOI: 10.1029/JA092iA12p13499. Roberts W.T.Jr., Horwitz J.L., Comfort R.H., Chappell C.R., Waite J.H.Jr., Green J.L. Heavy ion density enhancements in the outer plasmasphere. J. Geophys. Res. 1987, vol. 92, pp. 13499–13512. DOI: 10.1029/JA092iA12p13499. Takahashi K., Denton R.E., Anderson R.R., Hughes W.J. Frequencies of standing Alfvén wave harmonics and their implication for plasma mass distribution along geomagnetic field lines: Statistical analysis of CRRES data. J. Geophys. Res. 2004. Vol. 109, A08202. DOI: 10.1029/2003JA010345. Takahashi K., Denton R.E., Anderson R.R., Hughes W.J. Frequencies of standing Alfvén wave harmonics and their implication for plasma mass distribution along geomagnetic field lines: Statistical analysis of CRRES data. J. Geophys. Res. 2004, vol. 109, A08202. DOI: 10.1029/2003JA010345. URL: https://www.aanda.org/glossary/194-metallicity (дата обращения 29 апреля 2024 г.). URL: https://www.aanda.org/glossary/194-metallicity (accessed April 29, 2024)