Investigation of the effect of intermittency of the turbulent field on particle acceleration in the plasma sheet of the Earth's magnetotail

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Using a numerical model, the influence of intermittency on the acceleration of particles in the equatorial plane of the Earth's magnetotail was studied. For comparison with observational data, we selected the event of July 17, 2001, when plasma flows with velocities of up to 400 km/s and an amplitude of the turbulent magnetic field of the order of ten nT were observed in the plasma layer of the magnetotail for more than 10 minutes. Modeling of the electromagnetic field is carried out using a superposition of wavelets, which are distributed uniformly throughout the computational domain. By means of a special distribution of amplitudes, we ensure that the resulting field is multifractal and intermittent. It is shown that when accelerated in an intermittent field, the energy spectra of particles rise and flatten, which means that particles are able to gain more energy than when accelerated in a turbulent plasma layer without taking into account intermittency.

Full Text

Restricted Access

About the authors

N. N. Levashov

Space Research Institute

Author for correspondence.
Email: nn.levashov@physics.msu.ru
Russian Federation, Moscow

V. Yu. Popov

Space Research Institute; Lomonosov Moscow State University; HSE University

Email: nn.levashov@physics.msu.ru

Lomonosov Moscow State University, Physical Faculty

Russian Federation, Moscow; Moscow; Moscow

H. V. Malova

Space Research Institute; Lomonosov Moscow State University

Email: nn.levashov@physics.msu.ru

Scobeltsyn Institute of Nuclear Physics of the Lomonosov Moscow State University

Russian Federation, Moscow; Moscow

L. M. Zelenyi

Space Research Institute

Email: nn.levashov@physics.msu.ru
Russian Federation, Moscow

References

  1. Ковтюх А.С. Геокорона горячей плазмы // Косм. исслед. 2001. Т. 39. № 6. С. 563–596.
  2. Grigorenko E.E., Hoshino M., Hirai M. et al. ‘‘Geography’’ of ion acceleration in the magnetotail: X-line versus current sheet effects // J. Geophys. Res. 2009. V. 114. Iss. A3. A03203. https://doi.org/10.1029/2008JA013811
  3. Kronberg E.A., Grigorenko E.E., Turner D.L. et al. Comparing and contrasting dispersionless injections at geosynchronous orbit during a substorm event // J. Geophys. Res. 2017. V. 122. P. 3055–3072.https://doi.org/10.1002/2016JA023551
  4. Schodel R., Baumjohann W., Nakamura R. et al. Rapid flux transport in the central plasma sheet // J. Geophys. Res. 2001. V. 106. P. 301–313.
  5. Vörös Z., Baumjohann W., Nakamura R. et al. Multi-scale magnetic field intermittence in the plasma sheet // Annales Geophysicae. 2004. V. 21. P. 1955–1964.https://doi.org/10.5194/angeo-21-1955-2003
  6. Zelenyi L.M., Rybalko S.D., Artemyev A.V. et al. Charged particle acceleration by intermittent electromagnetic turbulence // Geophys. Res. Lett. 2011. V. 38. Iss. 17.Art. ID. L17110.
  7. Левашов Н.Н., Попов В.Ю., Малова Х.В. и др. Моделирование турбулентности с перемежаемостью в космической плазме // Косм. исслед. 2022. Т. 60. № 1. С. 11–16. https://doi.org/10.31857/S0023420622010083
  8. Левашов Н.Н., Попов В.Ю., Малова Х.В. и др. Исследование процессов ускорения заряженных частиц в турбулентной космической плазме с перемежаемостью // Ученые записки физического факультета Московского Университета. 2021. № 4. C. 1–6.
  9. Frisch U. Turbulence: The Legacy of A. N. Kolmogorov. Cambridge: Cambridge University Press, 1995.
  10. Volwerk M., Baumjohann W., Glassmeier K. et al. Compressional waves in the Earth’s neutral sheet // Annales Geophysicae. 2004. V. 22. P. 303–315.https://doi.org/10.5194/angeo-22-303-2004
  11. Lui A. Multifractal and intermittent nature of substorm-associated magnetic turbulence in the magnetotail // J. Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2001. V. 63. Iss. 13. P. 1379–1385.
  12. Левашов Н.Н., Попов В.Ю., Малова Х.В. и др. Моделирование мультифрактального турбулентного электромагнитного поля в космической плазме // Косм. исслед. 2023. Т. 61. № 2. С. 1–8.https://doi.org/10.31857/S0023420622100089
  13. Павлов А.Н., Анищенко В.С. Мультифрактальный анализ сигналов на основе вейвлетпреобразования // Известия Саратовского университета. 2007. Т. 7. № 1. С. 3–25.
  14. Божокин С.В., Паршин Д.А. Фракталы и мультифракталы. Ижевск: НИЦ Регулярная и хаотическая динамика, 2001.
  15. Короленко П.В., Маганова М.С., Меснянкин А.В. Новационные методы анализа стохастических процессов и структур в оптике. Москва: НИИЯФ МГУ, 2004.
  16. Keith D.W., Pettit C.L., Vecherin S.N. Wavelet-based cascade model for intermittent structure in terrestrial environments // Data Analysis, Statistics and Probability. 2013. https://arxiv.org/abs/1312.5649
  17. Федер Е. Фракталы. Москва: Мир, 1991.
  18. Будаев В.П., Савин С.П., Зелёный Л.М. Наблюдения перемежаемости и обобщенного самоподобия в турбулентных пограничных слоях лабораторной и магнитосферной плазмы: на пути к определению количественных характеристик переноса // Успехи физических наук. 2011. Т. 181. № 9. С. 905–952.
  19. Зеленый Л.М., Зогин Д.В. Структура плазменного слоя магнитосферного хвоста Земли в экваториальной плоскости. Квазиадиабатическая модель // Физика космической плазмы: сб. тр. Киев: Наукова Думка, 1993.
  20. El-Alaoui M., Walker R., Weygand J. et al. Magnetohydrodynamic Turbulence in the Earth’s Magnetotail from Observations and Global MHD Simulations // Frontiers in Astronomy and Space Sciences. 2021. V. 8. Art.ID. 620519. https://doi.org/10.3389/fspas.2021.620519
  21. Borovsky J., Funsten H. MHD turbulence in the Earth’s plasma sheet: Dynamics, dissipation, and driving // J. Geophysical Research. 2003. V. 108. Iss. A7. 1284. https://doi.org/10.1029/2002JA009625

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Magnetic field fluctuations during the substorm of 17.VII.2001

Download (176KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Distribution of weighting coefficients by cells

Download (180KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Multifractal spectrum function

Download (49KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Component Bz of the simulated field along the X axis for intermittent and non-intermittent cases

Download (230KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Dependence of structural function indicators on the degree

Download (137KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Energy distribution of protons (a), alpha particles (b) and oxygen ions (c) after 500 s of acceleration in a turbulent field. The black solid lines show the initial energy distributions. The blue dashed and red dotted lines indicate, respectively, non-intermittent and intermittent turbulence.

Download (384KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».