[논문 리뷰] Stability of the magnetotail current sheet with normal magnetic field and field-aligned plasma flows

Chen Shi, Anton Artemyev외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 16.

Ionosphere and magnetosphere dynamics참고 문헌 159인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 유한한 법선 자기장 성분(Bz)과 축방향 이온 유량을 고려한 1차원 다상유체 자기붕괴 전류층 모델을 개발하여 찢어짐 모드 안정성에 대해 연구한다. 연구는 Bz가 전류층을 강하게 안정화시킴을 보여주며, 순유량이 0인 반대 방향 이동 이온 유량이 안정성을 최대화함을 확인한다. 축방향 유량은 이러한 Bz에 의한 안정화를 상쇄할 수 없으며, 이는 하위폭발 발생을 위한 추가적인 운동학적 효과가 필요함을 시사한다.

ABSTRACT

One of the most important problems of magnetotail dynamics is the substorm onset and the related instability of the magneotail current sheet. Since the simplest 2D current sheet configuration with monotonic $B_z$ was proven to be stable to the tearing mode, the focus of the instability investigation moved to more specific configurations, e.g. kinetic current sheets with strong transient ion currents and current sheets with non-monotonic $B_z$ (local $B_z$ minima or/and peaks). Stability of the latter current sheet configuration has been studied both within kinetic and fluid approaches, whereas the investigation of the transient ion effects were limited to kinetic models only. This paper aims to provide detailed analysis of stability of a multi-fluid current sheet configuration that mimics current sheets with transient ions. Using the system with two field-aligned ion flows that mimic the effect of pressure non-gyrotropy, we construct 1D current sheet with a finite $B_z$. This model describes well recent findings of very thin intense magnetotail current sheets. The stability analysis of this two-ion model confirms the stabilizing effect of finite $B_z$ and shows that the most stable current sheet is the one with exactly counter-streaming ion flows and zero net flow. Such field-aligned flows may substitute the contribution of the pressure tensor nongyrotropy to the stress balance, but cannot overtake the stabilizing effect of $B_z$. Obtained results are discussed in the context of magnetotail dynamical models and spacecraft observations.

연구 동기 및 목표

• 유한한 Bz와 축방향 플라즈마 유량을 고려한 다상유체 방법을 사용하여 1차원 자기붕괴 전류층을 모델링한다.
• 법선 자기장 성분이 존재하는 조건에서 축방향 이온 유량이 찢어짐 모드 불안정성에 미치는 영향을 조사한다.
• 박막한 전류층에서 Bz에 의한 안정화 효과를 극복할 수 있는가를 판단한다.
• 이론적 안정성과 관측된 하위폭발 발생 간의 모순을 해결한다. 이는 안정한 구성에도 불구하고 빠른 재결합이 발생하기 때문이다.

제안 방법

• 같은 밀도를 가지지만 반대 방향의 축방향 속도를 갖는 두 개의 이온 집단을 포함한 1차원 자기붕괴 전류층 모델을 개발한다.
• 자기력장 텐션력(jyBz/c)이 축방향 이온 유량의 운동량 흐름에 의해 균형을 이루도록 조건을 설정한다.
• Lundquist 수와 유량 비대칭성의 함수로 찢어짐 모드의 성장률을 계산하기 위해 선형 안정성 분석을 수행한다.
• SciPy의 수치 해법기를 사용하여 변동에 대한 경계값 문제를 해결한다.
• 순유량이 0인 경우(반대 방향 유량)와 최대 순유량인 경우(일체형 유체 모델)를 고려하여 안정성의 극한을 평가한다.
• Lundquist 수(S)에 따른 최대 성장률(γm)의 스케일링을 분석하여 확산이 주요 원인인 불안정성임을 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 축방향 이온 유량이 존재하는 1차원 전류층에서 유한한 Bz 성분이 찢어짐 모드를 안정화시키는가?
• RQ2 안정화 효과를 갖는 Bz 성분이 존재하는 상황에서 축방향 플라즈마 유량이 전류층을 불안정하게 만들 수 있는가?
• RQ3 순유량 속도가 전류층의 안정성에 미치는 역할은 무엇인가?
• RQ4 두 이온 집단이 반대 방향으로 같은 속도로 유량을 이룰 경우의 안정성은 일체형 MHD 극한과 비교하여 어떠한가?
• RQ5 이 안정성 결과는 하위폭발 관련 자기재결합 발생에 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• 유한한 Bz 성분은 1차원 전류층에서 찢어짐 모드를 강하게 안정화시키며, 큰 S 값에서 최대 성장률이 γm ∝ S−1로 스케일링됨을 확인하여 확산이 주요 원인인 불안정성을 시사한다.
• 가장 안정한 구성은 두 이온 집단이 같은 속도로 반대 방향으로 이동하여 순유량이 0이 되는 경우이며, 이 경우 찢어짐 모드는 성장하지 않는다.
• 이온 유량의 불균형(비영인 순유량)이 존재할 경우 자유 에너지가 유도되어 전류층이 불안정해지며, 최대 성장률이 증가한다.
• 가장 불안정한 경우는 두 이온 집단이 알프레드 속도로 같은 방향으로 이동하는 것으로, 일체형 MHD 극한과 동일하다.
• 축방향 플라즈마 유량은 Bz에 의한 안정화 효과를 상쇄할 수 없으며, 이는 하위폭발 발생을 위한 추가적인 운동학적 효과(예: 압력 비구형성)가 필요함을 시사한다.
• 결과는 현장에서 관측된 매우 얇고 강한 전류층은 추가적인 자유 에너지원이 존재하지 않는 한 찢어짐 모드에 대해 안정하다는 것을 시사한다.