Abstrak
Penyambungan ulang magnetik menampung daerah-daerah dengan anisotropi suhu yang ditingkatkan yang dapat memicu berbagai ketidakstabilan kinetik dan gelombang. Akan tetapi, hubungan antara ketidakstabilan selang pemadam kebakaran elektron dan tepi depan jet penyambungan ulang ekor, sebagaimana disebut sebagai front anti-dipolarisasi (ADF), masih belum jelas. Di sini, untuk pertama kalinya, kami memberikan pengamatan langsung fluktuasi selang pemadam kebakaran elektron di belakang ADF oleh misi Magnetospheric Multiscale (MMS). Fluktuasi yang dapat dikompresi ini yang diubah oleh aliran massal memiliki frekuensi nol dalam kerangka plasma dan sudut normal gelombang besar sehubungan dengan medan magnet latar belakang, dan muncul secara bersamaan dengan anisotropi suhu elektron paralel. Hasil kami menemukan bahwa sifat gelombang dari fluktuasi yang diamati sebagian besar sesuai dengan prediksi teoritis kinetik dari mode selang pemadam kebakaran elektron yang tidak merambat. Secara khusus, ambang batas ketidakstabilan selang pemadam kebakaran miring elektron terlampaui di bawah parameter plasma lokal dan ketidakstabilan tersebut memiliki laju pertumbuhanTemuan ini meningkatkan pemahaman kita tentang dinamika gelombang di dekat ADF.
Poin-poin Utama
- Front anti-dipolarisasi (ADF) pada knalpot penyambungan kembali ekor diamati oleh wahana antariksa Magnetosfer Multiskala
- Fluktuasi kompresibel dan anisotropi suhu paralel diamati di belakang ADF, di mana ambang batas ketidakstabilan selang pemadam kebakaran elektron terlampaui
- Fluktuasi ini sebagian besar sesuai dengan prediksi teoritis cabang selang pemadam kebakaran elektron yang tidak menyebar.
Ringkasan Bahasa Sederhana
Front anti-dipolarisasi (ADF)—variasi bipolar utara-selatan yang tajam dan sangat asimetris (dengan porsi selatan yang lebih besar) dalam komponen medan magnet B Z —berfungsi sebagai batas plasma yang memisahkan plasma dingin-padat dan plasma panas-renggang, dan karenanya menjadi tempat bagi gradien medan dan partikel yang kuat, yang menyediakan sumber energi bebas untuk pengembangan berbagai jenis ketidakstabilan dan gelombang plasma. Ketidakpuasan selang pemadam kebakaran elektron, salah satu ketidakstabilan skala kinetik yang mendasar, dapat didorong oleh penyambungan kembali magnetik di ekor magnet dan memainkan peran penting dalam percepatan partikel, turbulensi, dan konversi energi. Namun, sedikit penelitian tentang hubungan antara ADF dan ketidakpuasan selang pemadam kebakaran elektron yang dilaporkan. Dalam penelitian ini, menggunakan data MMS, kami melaporkan pengamatan pertama fluktuasi selang pemadam kebakaran elektron di belakang ADF dan menyelidiki dinamikanya dengan sangat rinci.
1 Pendahuluan
Penyambungan kembali magnetik di ekor magnet Bumi mengubah energi magnetik menjadi energi partikel melalui konfigurasi ulang topologi medan (Ashour-Abdalla et al., 2011 ; Øieroset et al., 2001 ). Konfigurasi ulang tersebut memecah perilaku plasma beku yang ideal (HS Fu, Khotyaintsev, et al., 2013 ) dan dengan demikian mendorong anisotropi suhu elektron (Cozzani et al., 2023 ; HS Fu, Grigorenko, et al., 2020 ), yang dapat menyediakan energi bebas untuk membangkitkan berbagai ketidakstabilan dan gelombang (Dai & Wang, 2022 ; Guo et al., 2021 ; Stix, 1992 ; Z. Wang et al., 2023 ; Zhang et al., 2024 ; JS Zhao, Wang, et al., 2019 ). Setelah penyambungan kembali magnetik, front dipolarisasi (DF) dan front anti-dipolarisasi (ADF)—batas magnetik tajam yang memisahkan plasma panas-renggang dari plasma padat-gumpalan—berfungsi sebagai batas perjalanan jet penyambungan kembali dan menyebar baik ke arah bumi maupun ke arah ekor dari lokasi penyambungan kembali masing-masing (Angelopoulos et al., 2013 ; HS Fu, Grigorenko, et al., 2020 ; HS Fu et al., 2011 , 2012b ; Runov et al., 2009 ). Seperti bayangan cermin dari DF yang bergerak ke bumi, ADF biasanya tertanam dalam arus keluar penyambungan kembali ke arah ekor (Hwang et al., 2011 ; Wu et al., 2013 ) dan dicirikan oleh variasi bipolar utara-selatan yang tajam dan sangat asimetris dari medan magnet B z dan penurunan kepadatan yang tajam (Du et al., 2024 ; S.-S. Li et al., 2014 ; Xu et al., 2021 ). Selain itu, ADF biasanya diartikan sebagai proto-plasmoid, yaitu, tepi terdepan dari plasmoid yang sedang berkembang, yang muncul dari penyambungan kembali dekat Bumi dan pada akhirnya dapat berevolusi menjadi plasmoid saat mereka menyebar ke ekor yang jauh (Moldwin & Hughes, 1992 ).
Ketidakstabilan selang pemadam kebakaran elektron adalah salah satu ketidakstabilan kinetik mendasar yang disebabkan oleh anisotropi suhu
(Graham dkk., 2025 ; Hollweg & Völk, 1970 ; X. Li & Habbal, 2000 ), dimana
Dan
adalah suhu elektron tegak lurus dan paralel terhadap medan magnet sekitar, masing-masing. Ketidakstabilan tersebut telah diselidiki secara luas dalam angin surya karena diasumsikan sebagai salah satu sumber isotropisasi untuk menjelaskan distribusi elektron kuasi-isotropik yang diamati dalam angin surya (CHK Chen et al., 2016 ; Hellinger et al., 2006 ; Sun et al., 2020 ). Ada dua mode gelombang firehose elektron yang berbeda: satu cabang dicirikan oleh perambatan paralel terhadap medan magnet latar belakang dan sesuai dengan mode magnetosonik cepat/whistler terpolarisasi kiri (Gary & Karimabadi, 2006 ; Rosin et al., 2011 ; Y. Yao et al., 2024 ); Yang lainnya terpolarisasi linier, tidak merambat dan sesuai dengan gelombang frekuensi nol dari cabang gelombang Alfvén skala kinetik pada perambatan miring kuat (L. Chen & Wu, 2010 ; Cozzani et al., 2023 ; Duan et al., 2016 ; P. Hellinger & Matsumoto, 2000 ; Sun et al., 2019 ). Oleh karena itu, kedua cabang ini juga disebut sebagai ketidakstabilan selang pemadam kebakaran paralel dan ketidakstabilan selang pemadam kebakaran miring. Baru-baru ini, beberapa upaya telah dilakukan untuk menyelidiki ketidakstabilan selang pemadam kebakaran elektron yang terkait dengan proses penyambungan kembali magnetik. Zhang et al. ( 2018 ) melakukan studi observasi statistik di dekat muka dipolarisasi di ekor magnet dan menemukan fungsi distribusi elektron dibatasi oleh ambang batas ketidakstabilan selang pemadam kebakaran elektron. Le et al. ( 2019 ) mengidentifikasi fluktuasi selang pemadam kebakaran elektron dalam aliran keluar penyambungan kembali dalam simulasi PIC 3D. Cozzani dkk. ( 2023 ) memberikan pengamatan langsung terhadap fluktuasi selang pemadam kebakaran elektron yang tidak merambat dengan menggunakan data MMS.
Meskipun fluktuasi firehose elektron dan ADF telah dipelajari masing-masing sebelumnya (HS Fu et al., 2012a , 2014 ; WD Fu et al., 2022 ), hubungan antara keduanya masih belum dipahami. Dengan kata lain, apakah fluktuasi firehose elektron dapat ada dan menyebar di belakang ADF masih menjadi misteri. Selain itu, keyakinan bahwa ketidakstabilan firehose elektron dapat menghasilkan gelombang yang tidak menyebar tidak cukup diverifikasi dalam pengamatan wahana antariksa. Untuk memecahkan kedua pertanyaan ini, mengidentifikasi mode gelombang (hubungan dispersi) dengan pengukuran wahana antariksa diperlukan. Dengan misi multi-wahana antariksa yang canggih dan metode inovatif, sekarang mungkin untuk menyelesaikan sifat perambatan gelombang yang dikendalikan oleh hubungan dispersi melalui pengukuran frekuensi dan vektor gelombang tiga dimensi secara independen (Zhang et al., 2022 ). Menyadari masalah ini, di sini kami bertujuan untuk melaporkan pengamatan pertama fluktuasi yang tidak menyebar yang terkait dengan ketidakstabilan firehose elektron di belakang ADF dalam Surat ini. Kami menggunakan data beresolusi tinggi dari misi Magnetospheric Multiscale (MMS) (Burch et al., 2016 ). Secara khusus, instrumen yang digunakan adalah Fast Plasma Investigation (Pollock et al., 2016 ) dan Flux Gate Magnetometer (Russell et al., 2016 ).
2 Pengamatan
Peristiwa penyambungan kembali magnetik diamati pada 15 Oktober 2019 sekitar pukul 20:45 UT, saat wahana antariksa MMS berada di ekor magnet Bumi pada [−26.1, 3.6, 0.4] R E dalam koordinat Geocentric Solar Magnetospheric (GSM). Gambar 1 menyajikan ikhtisar peristiwa ini, dengan medan magnet ditunjukkan pada panel (a), kecepatan ion ditunjukkan pada panel (b) dan (c), kerapatan jumlah partikel ditunjukkan pada panel (d), fluks elektron pada panel (e), dan fluks ion pada panel (f). Dalam peristiwa ini, keempat wahana antariksa membentuk tetrahedron beraturan dengan ukuran ∼34 km. Seperti yang diilustrasikan pada Gambar 1a , MMS pertama-tama tinggal di belahan bumi utara ( |B| ∼ B x , B x > 0), kemudian mendekati lembaran plasma beberapa kali ( B x ∼ 0), dan akhirnya kembali ke belahan bumi utara. Kita dapat melihat bahwa setelah beberapa lembaran plasma mendekat, ada pembalikan yang jelas dari komponen medan magnet B z dari -5 ke +5 nT pada sekitar 20:47:40 UT (lihat garis putus-putus abu-abu pada Gambar 1a-1d ), yang secara bersamaan disertai oleh tanda pembalikan aliran skala besar ( Vix dari -500 ke +500 km/s, lihat Gambar 1b ), yang menunjukkan bahwa MMS melintasi lokasi penyambungan kembali dari wilayah aliran keluar ekor ke wilayah aliran keluar bumi. Di wilayah aliran keluar ekor, MMS terkadang mengukur medan magnet mendekati nol (Bx ∼ 0, lihat Gambar 1a ) , yang menunjukkan bahwa MMS terletak dekat dengan pusat lembaran netral (Ergun et al., 2018 ; HS Fu et al., 2017 ; Zhang et al., 2023 ). Sementara itu, di wilayah bumi, MMS mendeteksi medan magnet besar (Bx ∼ 15 nT), yang menunjukkan bahwa MMS terletak di cuping ekor. Kepadatan elektron di lembar netral umumnya lebih tinggi daripada yang ada di cuping. Oleh karena itu, kepadatan di wilayah aliran keluar ekor lebih tinggi daripada di wilayah aliran keluar bumi dalam peristiwa ini. Di dalam wilayah aliran keluar ekor (lihat wilayah bayangan biru pada Gambar 1b ), fluktuasi magnetik turbulen (lihat beberapa pembalikan B z pada Gambar 1a ) muncul bersamaan dengan peningkatan fluks elektron dan ion (Gambar 1e dan 1f ), dan kami akan membahas masalah ini secara terperinci dalam pekerjaan mendatang.
Di dalam aliran penyambungan kembali ekor, terdapat variasi bipolar utara-selatan yang tajam dan sangat asimetris (dengan porsi selatan yang lebih besar) dalam komponen B z (lihat garis padat abu-abu pada Gambar 1 ). Gambar 2 kemudian menunjukkan informasi terperinci tentang medan dan partikel untuk variasi tersebut. Pada ∼20:45:19 UT, MMS mendeteksi gangguan seperti front tiba-tiba pada B z dari 0 hingga −8 nT (lihat garis putus-putus hitam pada Gambar 2a ). Di balik front, medan magnet didominasi oleh komponen selatan ( B z < 0). Penurunan B z yang begitu tajam , yang dikaitkan dengan semburan aliran ( V i < −400 km/s; Gambar 2e ), penurunan densitas plasma (dari 0,6 menjadi 0,3 cm −3 ; Gambar 2b ), dan peningkatan suhu paralel elektron (dari 450 menjadi 750 eV), adalah tanda khas dari struktur ADF (Du et al., 2024 ; S.-S. Li et al., 2014 ; Xu et al., 2021 ). Variasi bipolar utara-selatan yang tajam dan sangat asimetris (dengan porsi selatan yang lebih besar, lihat Gambar 2a ) dalam komponen Bz tidak sesuai dengan model ULF klasik tetapi merupakan bayangan cermin dari DF yang bergerak ke arah bumi, yang menunjukkan variasi bipolar Bz selatan-utara asimetris dengan porsi utara yang lebih besar. ADF biasanya menunjukkan penurunan densitas yang tajam dan peningkatan suhu paralel elektron segera setelah perubahan Bz yang tajam. Ada dua populasi yang terpisah secara magnetis di depan dan di belakang ADF. Di belakang ADF, dari 20:45:19–20:45:28 UT, ada wilayah B z yang kuat yang secara konvensional disebut bundel fluks dipolarisasi (DFB), di mana fluks ion dan elektron meningkat. Tepat sebelum bagian depan, elektron bersifat isotropik, dengan
Tak lama kemudian, elektron menjadi lebih isotropik, dengan
Sifat-sifat partikel ini (spektrogram kepadatan, suhu, dan energi) menunjukkan bahwa ada dua populasi plasma yang sangat berbeda yang dipisahkan oleh ADF, plasma yang lebih dingin dan lebih padat di depan dan plasma yang lebih panas dan lebih tipis di belakangnya.
Untuk menyelidiki hubungan dispersi ( hubungan ω – k ) dari fluktuasi yang tidak merambat di belakang ADF, kami melakukan analisis hubungan dispersi dari pengaturan waktu (DRAFT) (Zhang et al., 2022 ) dari 20:45:20 hingga 20:45:28 UT, di mana kecepatan fase dan vektor gelombang dihitung pada setiap saat untuk setiap gelombang frekuensi tunggal dalam rentang dari nol hingga frekuensi Nyquist. Kami telah secara kuantitatif mendefinisikan tiga parameter kesalahan—yaitu kecocokan amplitudo (MOA), rasio setengah panjang gelombang terhadap pemisahan pesawat ruang angkasa (λ/2Rsc), dan koefisien korelasi (CC)—untuk menilai keandalan teknik pengaturan waktu. Secara umum, semakin besar parameter ini, semakin akurat hasilnya. Kecepatan fase dan vektor gelombang harus diturunkan secara akurat karena ketiga parameter yang kami definisikan cukup besar dalam rentang frekuensi 0–2 Hz: λ/2Rsc > 3, CC > 0,8, MOA > 0,6 (tidak ditampilkan di sini). Frekuensi dan bilangan gelombang yang ditentukan ditunjukkan di bagian atas Gambar 4a , di mana titik data berwarna menunjukkan daya fluktuasi. Data eksperimen tersebut, yang dikonversi ke dalam kerangka plasma-diam (lihat bagian bawah Gambar 4a ), membentuk hubungan dispersi dari fluktuasi yang tidak merambat untuk sudut normal gelombang antara 80° dan 90°. Kami juga membuat overplot kecepatan Alfvén lokal pada Gambar 4a untuk lebih memahami hubungan dispersi fluktuasi. Seperti yang dapat dilihat, daya fluktuasi intens pada frekuensi sekitar 0,008ω ce pada kerangka wahana antariksa; sedangkan pada kerangka plasma-diam, frekuensi fluktuasi mendekati nol. Gelombang-gelombang ini memiliki frekuensi hampir nol dan kecepatan fase nol, dan dengan demikian hampir tidak merambat pada kerangka plasma-diam.
