Биркеландовский продольный ток как аттрактор когерентных

Бесстолкновительная эволюция сверхмелкомасштабных неоднородностей в F-слое
ионосферы
О.В. Мингалев, М.Н. Мельник, В.С. Мингалев, И.В. Мингалев
Полярный геофизический институт КНЦ РАН, Апатиты, mingalev_o@pgia.ru
В работе изучается эволюция на бесстолкновительном масштабе времени в F-слое ионосферы
сверхмелкомасштабных неоднородностей, вытянутых вдоль геомагнитного поля, которые имеют характерный
поперечный пространственный масштаб от нескольких до десятков дебаевских расстояний электронов, что
составляет от нескольких сантиметров до нескольких метров. Используется численное моделирование в рамках
модели, основанной на методе крупных частиц для системы Власова–Пуассона с заданным сильным внешним
магнитным полем в постановке с размерностью 2D2V, в которой учитывается движение как электронов, так и
ионов в ортогональной геомагнитному полю плоскости. Расчеты проводились для типичных параметров
ночной ионосферы на высоте 300 км, на время, меньшее среднего времени свободного пробега электронов,
7
которое составляет примерно 1047 их равновесных плазменных периодов θ pe ≈ 3.52∙10 с. На этой высоте
ионный состав представлен ионами кислорода О +. Размер области моделирования был равен 128 равновесным
электронным дебаевским расстояниям λDe ≈ 7.6 мм (около 1 м). Начальная круглая неоднородность в
концентрации имела диаметр 12λDe, и состояла из примерно круглого пятна диаметром 6λDe с пониженной
одинаковой концентрацией электронов и ионов, которое окружает кольцо с повышенной одинаковой
концентрацией электронов и ионов. Полное число частиц в неоднородности для электронов и ионов совпадало
с пространственно однородным случаем, и начальная плотность заряда в точности равна нулю.
Проведенные сравнительные расчеты показали, что возникают квазипериодические затухающие
колебания, в которых проявляется как плазменная, так и циклотронная частоты электронов. При этом в области
начальной неоднородности, где начальная концентрация понижена по сравнению с однородной фоновой,
достаточно длительное время (примерно 45 равновесных плазменных периодов θ pe) существует "дышащее"
пятно отрицательного заряда, а в области, где начальная концентрация выше однородной фоновой, существует
аналогичное "дышащее" пятно положительного заряда. Затем, после переходного этапа примерно в 10
равновесных плазменных периодов θpe, ситуация меняется на противоположную: в центре образуется
"дышащее" пятно положительного заряда, а в области, где начальная концентрация выше однородной фоновой,
существует аналогичное "дышащее" пятно отрицательного заряда. Эта картина существует примерно 150
равновесных плазменных периодов θpe . Время затухания определяется тепловым движением ионов, и зависит
от начального размера неоднородности. Сравнительные расчеты также показали, что по сравнению с
неоднородностью, образованной начальным возмущением только электронной концентрации, описанная выше
неоднородность существенно эффективнее возбуждает плазменные колебания.
На основании проведенных расчетов можно сделать вывод, что мелкомасштабные изначально
электронейтральные неоднородности в концентрациях ионов и электронов, образовавшиеся в результате
высыпаний, создают достаточно длительно существующие (порядка времени свободного пробега электронов)
области, в которых нарушается электронейтральность.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ, проект № 13-01-00063.