Наблюдения MMS электростатических неидеальных электрических полей совместно с интенсивными токовыми структурами вблизи нейтральной плоскости плазменного слоя геомагнитного хвоста Земли

Продольные ускоренные пучки электронов, распространяющиеся вдоль сепаратрис являются один из возможных проявлений магнитного пересоединения. Подобные структуры были исследованы благодаря миссии Magnetospheric Multiscale Mission (MMS), позволяющей изучать процессы, протекающие в плазме на электронных кинетических масштабах. Во множестве работ было показано, что распространение таких пучков может приводить к генерации электростатических волн. В данной работе мы сообщаем о обнаружении подобных структур не только на сепаратрисах магнитного пересоединения, но и внутри плазменного слоя, вблизи нейтральной плоскости.
Показано, что интенсивные сверхтонкие токовые слои (СТС) с плотность электрического тока до $\sim100\text{ нА/м}^2$ наблюдаются всюду в плазменном слое, совместно с распространением быстрого плазменного потока (БПП). Также наблюдаются неидеальные электрические поля ($\textbf{E}'=\textbf{E}+[\textbf{v}_e\times\textbf{B}]$) до $\sim100\text{ мВ/м}$, свидетельствующие о локальных нарушениях критерия вмороженности электронной компоненты плазмы. Это выражается в присутствии значительной диссипации энергии. Объемная мощность трансформации энергии $(j\cdot E')$ достигает $\sim\pm1500\text{ пВт/м}^3$, что соответствует характерным значениям величины внутри электронной диффузионной области. Всплески параметра $(j\cdot E')$ наблюдаются спорадически, с разным знаком $(j\cdot E')$. Это свидетельствует о присутствии локализованной диссипации энергии от волн к частицам и/или наоборот в различных областях турбулентного БПП. В работе демонстрируется спорадически наблюдаемые всплески параллельной анизотропии электронного потока для частиц с энергией выше тепловой $>T_e$. Из этого следует присутствие ускоренных электронных пучков, создаваемых сверхтепловой популяцией электронов. Такие пучки способны генерировать продольные СТС, аналогичные тем, что наблюдаются на сепаратрисах магнитного пересоединения. Таким образом, в работе показывается присутствие ускоренных электронных пучков и, связанных с ними, интенсивных СТС всюду внутри плазменного слоя, в том числе, на замкнутых силовых линиях.
Для анализа неидеальных электрических полей, ассоциированных с присутствием интенсивного электрического тока было отобрано 179 СТС с плотностью тока $>25\text{ нА/м}^2$ вблизи нейтральной плоскости ($B_x<5\text{ нТ}$). В 57 событиях наблюдается сильное неидеальное электрическое поле $>10\text{ мВ/м}$. Для каждого обнаруженного события были посчитаны отношения энергий электрического и магнитного полей в частотном диапазоне наблюдаемого поля. Показано, что в 13 событиях наблюдаются электростатические поля. Также, именно данный тип полей является наиболее интенсивным: амплитуда достигает $\sim100\text{ мВ/м}$. Демонстрируется, что обнаруженные электростатические волны имеют два характерных типа: с частотами менее и более электронной циклотронной частоты $\omega_{c,e}$. Первый тип может представлять собой электростатическую моду свистовых волн, второй – циклотронные волны.
Обнаруженные ускоренные продольные пучки электронов и электростатические поля, наблюдаемые совместно с ними, вблизи нейтральной плоскости, могут свидетельствовать о присутствии множественных областей ускорения электронов. Такие области ускорения электронов будут располагаться вблизи нейтральной плоскости вдоль геомагнитного хвоста.
Работа авторов выполнена при поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (грант РНФ № 23-12-00031).