Коротко: резкая смена направления магнитного поля на длине плазмоиды образует узкую переходную зону (текущий лист, градиент $B$), где электроны и ионы реагируют по‑разному из‑за различий в массах и частотах циклотронного движения. Это ведёт к локальной неоднородности плотностей, появлению электрических полей и множеству волновых/нестабильных процессов.
Основные механизмы и оценки
- Дифференциальная привязка к полю: электроны более магнетизованы, чем ионы. Гирорадиусы
$r_{g\alpha }=\frac{v_{th,\alpha }}{{\omega }_{c\alpha }},{\omega }_{c\alpha }=\frac{q_{\alpha }B}{m_{\alpha }}$,
где $\alpha =e,i$. Если масштаб перехода $L\lesssim r_{gi}$ или $L\lesssim r_{ge}$, возникает несоответствие течений и плотностей.
- Шкалы: дебаевская длина ${\lambda }_D=\sqrt{\frac{{\epsilon }_0{k}_B{T}_e}{n{e}^2}}$, электронная и ионная кожистости $d_e=\frac{c}{{\omega }_{pe}},d_i=\frac{c}{{\omega }_{pi}}$. Если $L$ близок к $d_e$–$d_i$ — доминируют кинетические и холловские эффекты.
- Зазор зарядов и поля: различная перекомпенсация потоков создаёт поперечные электрические поля (амбиполярные, холловские), поддерживающие квазинейтральность. Ток Холла ${\mathbf{J}}_H=en({\mathbf{v}}_i-{\mathbf{v}}_e)$ и холловский член в обобщённом законе Ома становятся важны.
Что произойдёт с плотностями
- Электронная плотность: быстро перестраивается вдоль новых линий поля; при резком изгибе/реверсе возможны локальные дефициты или избытки электронов (тонкие слои заряда) — длина этих слоёв порядка ${\lambda }_D$ или $d_e$.
- Ионная плотность: ионы тяжелее, их ответ медленнее; на масштабе $r_{gi}$ и $d_i$ возникают нерегулярности, возможны ионные деплетации или накопления.
- Итог: в переходной зоне появляются пространственные неоднородности $n_e(\mathbf{x})\ne n_i(\mathbf{x})$ на малых шкалах, сопровождаемые локальными электрическими потенциалами и потоками зарядов.
Волновые и нестабильные процессы (кратко с условиями)
- Нижне‑гибридная дрейфовая нестабильность (LHD): при сильном градиенте плотности и поперечном дрейфе тока. Частота порядка
${\omega }_{LH}\sim \sqrt{{\omega }_{ci}{\omega }_{ce}}$.
Приводит к интенсивным электростатическим флуктуациям на масштабе $\sim {\rho }_i$ и к аномальной вязкости/диффузии.
- Ионно‑акустические волны: при $T_e\gg T_i$ и относительном дрейфе ионов; могут преобразоваться в ударные/солитонные структуры.
- Бунеман‑нестабильность: если относительный дрейф электронов и ионов $V_d\gtrsim v_{th,e}$ — возбуждаются высокочастотные электростатические волны и локальные двоичные структуры.
- Вистлеры (whistler): возбуждаются электронными течениями и в процессах рекконнекции; диспергируют вдоль $B$, частоты между ${\omega }_{ci}$ и ${\omega }_{ce}$.
- Тиаринг/реконнекция: резкий разворот поля формирует тонкий текущий лист, уязвимый к tearing‑механизму → магнитная рекконнекция, выбросы альфвеноподобных струй, градусовое нагревание частиц.
- Кельвин‑Гельмгольц (KH): при слойовом сдвиге скоростей на границе может развиться вихреобразование и турбулентность.
- Электростатические солитоны, двойные слои, микроструктуры искажения VDF: локальные E‑поля формируют одиночные волны и нестабильные когерентные структуры.
Что ожидать в измерениях (пробой, параметры)
- Увеличение флуктуаций на частотах $\omega \sim {\omega }_{LH}$, $\omega \sim$ ионно‑акустических и висллерных диапазонах.
- Локальные поперечные $E$-поля и разности потенциалов, асимметрии в $n_e$ и $n_i$.
- Анизотропные распределения скоростей, пучки и нагрев электронами/ионами вблизи перехода.
- Толщина перехода определяется сочетанием ${\lambda }_D$, $d_e$, $d_i$, $r_{g\alpha }$ и кинетических процессов.
Краткие рекомендации для диагностики
- Синхронные измерения полей $\mathbf{E},\mathbf{B}$, плотностей $n_e,n_i$ и распределений скоростей — чтобы отличить холловские/кинетические эффекты от макроскопической рекконнекции.
- Частотный анализ флуктуаций для выделения ${\omega }_{LH}$, whistler и ионно‑акустических компонент.
(Основная причина: разная магнитная привязка и времена релаксации электронов и ионов создаёт пространственные заряды, электрические поля и активирует широкий спектр волн и нестабильностей.)