КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 22-77-10032

НазваниеВзаимодействие ультранизкочастотных волн с частицами кольцевого тока в магнитосфере Земли: теория и эксперимент

РуководительМихайлова Ольга Сергеевна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт солнечно-земной физики Сибирского отделения Российской академии наук, Иркутская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2022 - 06.2025 

Конкурс№71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-609 - Магнитосфера

Ключевые словамагнитосфера, кольцевой ток, УНЧ-волны, геомагнитные пульсации, высокоэнергичные заряженные частицы, горячие протоны, ионно-ионные гибридные волны, взаимодействия волн и частиц

Код ГРНТИ37.15.34


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Проект направлен на исследование резонансных механизмов взаимодействия заряженных частиц кольцевого тока с ультранизкочастотными (УНЧ) волнами. Это одна из наиболее серьезных задач, стоящих перед геофизиками всего мира. УНЧ-волны играют большую роль в ускорении заряженных частиц до высоких энергий. Эти волны регулярно наблюдаются в магнитосфере и находятся в диапазоне частот от нескольких мГц до нескольких Гц. Интерес представляют волны как с большими периодами, которые классифицируются как Pc4-5, так и с малыми (волны диапазона Рс1). Эти волны возбуждаются как источниками внутри магнитосферы, так и источниками в солнечном ветре, причем в обоих случаях возможны несколько механизмов генерации. Взаимодействуя с протонами кольцевого тока и электронами радиационных поясов, УНЧ-волны могут разгонять их до высоких энергий. Актуальность решения задачи поиска механизмов ускорения заряженных частиц обусловлена их участием в цепочке явлений космической погоды. Именно они оказывают непосредственное влияние на инфраструктуру: от воздействия на аппаратуру космических исследовательских, навигационных и других спутников, до вывода из строя линий электропитания, нарушения радиосвязи в арктических областях. Кроме того, они губительно воздействуют на здоровье космонавтов, находящихся в открытом космосе. Все это позволяет утверждать, что изучение динамики высокоэнергичных частиц при взаимодействии с УНЧ-волнами в магнитосфере имеет большое значение — как научное, так и прикладное. Актуальными задачами можно считать как аналитические исследования волн в в реалистичных моделях магнитосферы, позволяющие понять механику взаимодействий волн с частицами, так и анализ наблюдательных спутниковых данных. В магнитосфере возможны наблюдения in situ, что дает возможность прямых измерений параметров волны и потоков заряженных частиц. Это позволяет верифицировать разработанные теоретические модели и наблюдать непосредственное взаимодействие волн с заряженными протонами и электронами. В теоретической части проекта будут исследованы пространственная структура и дисперсия УНЧ волн в горячей плазме кольцевого тока магнитосферы, механизм генерации энергичными частицами кольцевого тока, в рамках реалистичных моделей магнитосферы. В экспериментальной части проекта будут исследованы поля УНЧ волн в области кольцевого тока и их взаимодействие с энергичными частицами, с использованием данных современных космических миссий, таких как Van Allen Probes, THEMIS, MMS и Arase. В настоящее время в Институте солнечно-земной физики СО РАН сформировалась научная группа, специализирующаяся на исследовании волновых явлений в магнитосфере. Для данной группы исследование роли волн ультра-низкой частоты в ускорении протонов кольцевого является логичным продолжением предмета исследований, и вероятность успешного выполнения проекта крайне высока. По итогам реализации проекта ожидается получение новых представлений о волновых процессах, которые дополнят существующие сведения и внесут существенный вклад в определение механизмов генерации УНЧ-волн и механизмов ускорения частиц кольцевого тока.

Ожидаемые результаты
Ожидается, что в ходе реализации гранта будут получены принципиально новые результаты мирового уровня, а именно: 1) Будут определены области распространения УНЧ-волн в магнитосфере при различных частотах, в том числе условия, при которых в районе кольцевого тока может существовать резонатор для сцепленных магнитогидродинамических мод (альфвеновской волны и медленного магнитного звука (ММЗ)). Такой волновод может являться важным резервуаром гидромагнитной энергии в магнитосфере, а значит и потенциальным источником энергии для ускорения заряженных частиц кольцевого тока. 2) Будут исследованы пространственная структура, дисперсия и механизмы генерации ионно-ионных гибридных (ИИГ) волн в горячей плазме кольцевого тока магнитосферы в присутствии тяжелых ионов (в основном, ионов кислорода, концентрация которого сильно возрастает во время восстановительной фазы магнитных бурь). Горячая неоднородная плазма должна играть большую роль в формировании структуры ИИГ-мод как вдоль силовой линии, так и поперек магнитных оболочек. Энергичные частицы плазмы кольцевого тока могут генерировать ИИГ-моды посредством различных неустойчивостей. 3) Будет построена модель кинетических альфвеновских волн, которые в значительной мере отвечают за поток энергии в атмосферу, в двухкомпонентной (по энергии частиц) плазме с учетом изменения относительного содержания горячих и холодных частиц поперек магнитных оболочек. 4) По данным, полученным со спутников Van Allen Probes, THEMIS, MMS и Arase будут определены параметры ряда УНЧ-волн, найдена резонансная энергия взаимодействия с заряженными частицами в каждом случае. Будет проведена верификация теоретических моделей для сцепленных альфвеновской и ММЗ-мод, ИИГ-мод. Будет найдена зависимость параметров резонансного взаимодействия частиц кольцевого тока с УНЧ-волнами от степени геомагнитной возмущенности и азимутальной локализации. Результаты, полученные в ходе выполнения проекта, могут оказать существенное влияние на современные представления о процессах ускорения заряженных частиц кольцевого тока электромагнитным полем УНЧ-волн в магнитосфере. Результаты проекта позволят более качественно интерпретировать данные наблюдений потоков высокоэнергичных заряженных частиц и осуществлять надежный прогноз эффектов космической погоды.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Проект посвящен теоретическим и экспериментальным исследованиям ультра-низкочастотных (УНЧ) волн в магнитосфере Земли в области кольцевого тока — области скопления высокоэнергичных (десятки и сотни кэВ) заряженных частиц. В первый год выполнения проекта были решены две теоретические задачи, связанные с исследованиями некоторого типа волн в диапазоне Рс1 (0,2-5 Гц) — ионно-ионные гибридные (ИИГ) волны (волны, возникающие в магнитосферной плазме в присутствии протонов и ионов кислорода или гелия — тяжелых ионов), и волн диапазона Рс4 (6-25 мГц). Найдена структура ионно-ионных гибридных волн, сгенерированных в области кольцевого тока горячими протонами. Предполагалось, что протоны в кольцевом токе горячие, то есть их энергии составляют несколько десятков кэВ, а тяжелые ионы — холодные (несколько кэВ). Оказалось, что структура и частота ИИГ волн, кроме концентрации тяжелых ионов, также сильно зависит от давления плазмы. В плазме с конечным давлением возможны несколько видов поперечных резонаторов, где энергия заперта поперек магнитных оболочек. Для волн диапазона Рс4 был предложен новый метод — метод фазовых портретов, позволяющий определить радиальную структуру квазимонохроматических азимутально-мелкомасштабных альфвеновских колебаний, наблюдающихся космическими аппаратами. Данный метод апробирован на событии 23 октября 2012 г., наблюдаемом спутником Van Allen Probe A. Было предположено, что наблюдаемая радиальная структура альфвеновской волны может быть обусловлена генерацией полоидальных альфвеновских волн в окрестности локального максимума в радиальном распределении альфвеновской скорости. При этом, в направлении вдоль силовых линий геомагнитного поля эти волны представляют собой основную гармонику стоячих альфвеновских волн, возбуждаемых за счет дрейфового резонанса, а в радиальном направлении — это волны, бегущие в противоположных направлениях. В части экспериментальных исследований был произведен поиск волновых событий в данных спутниковых миссий и выделение ряда событий, произошедших в области кольцевого тока. Сформирован список обнаруженных УНЧ-волн в области кольцевого тока по данным наблюдений различных спутниковых миссий. В первый год реализации проекта выполнялся поиск УНЧ-волн диапазонов Pc4 и Pc5 (квазисинусоидальные пульсации с периодами от 45 до 600 с). Выполнялся анализ данных измерений магнитного поля спутниками Van Allen Probes с апреля 2014 г. по март 2016 г. (примерно один полный обзор магнитосферы). Колебания магнитного поля были классифицированы следующим образом: колебания в радиальном направлении - полоидальные УНЧ-волны, в азимутальном — тороидальные, вдоль силовых линий — компрессионные. Кроме поиска событий вручную, также производился автоматический отбор событий. Были апробированы разные алгоритмы для отбора волн, основанные на выделении пиков в частотных спектрах. Таким образом, каталог наблюдений волн был расширен на ещё один полный обзор магнитосферы спутником Van Allen Probe A (январь 2017 г.– октябрь 2018 г.) и спутником «Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms» A (THEMIS-A; январь 2017 г.–февраль 2018 г.). Эти данные, в совокупности с каталогом волн Pc4 и Pc5, полученным в рамках выполнения проекта РНФ 21-72-10139 по данным спутника Arase с марта 2017 г. по декабрь 2020 г., позволят провести комплексное исследование УНЧ-волн в магнитосфере по одновременным измерениям аппаратов этих трёх миссий. Волны, полученные в результаты применения алгоритмов автоматического отбора по данным Van Allen Probe A и THEMIS-A, были проанализированы с точки зрения поляризации. Было обнаружено, что большинство волн имеют смешанную поляризацию, причём средние амплитуды поперечных компонент почти совпадают. Не выделяются какие-либо отдельные кластеры волн, с определённой поляризацией, которые были бы связаны с конкретными источниками генерации. Ранее считалось, что тороидальные волны генерируются внешними источниками, тогда как полоидальные — внутренними. Это представление указывало на то, что в распределении должны были, как минимум, выделиться кластеры чисто полоидальных и чисто тороидальных волн. Причины такого поведения пока выясняются. В то же время, по имеющемуся каталогу волн, обнаруженных космическим аппаратом Arase, был проведён анализ распределения частоты появления волн в различных частях магнитосферы при разных геомагнитных условиях. Было показано, что при возмущённых условиях (индекс SME > 100 нТл) частота появления волн возрастает в разы. В то же время, явно выделились популяции волн, связанные с внешними источниками генерации, которые слабо зависят от уровня геомагнитной активности (в дневном и утреннем секторах), а также буревые компрессионные волны в вечернем и ночном секторах. Подобное поведение УНЧ-волн скорее всего связано с усилением кольцевого тока во время геомагнитных возмущений. В то же время, плазмопауза (граница внутренней области магнитосферы, заполненной холодными частицами) может выступать в роли естественного внутреннего ограничителя распространения волн. Было замечено, что максимумы частоты появления поперечных волн в вечернем и ночном секторах отступают от Земли на то же расстояние, на которое расширяется плазмосфера во время долгих периодов спокойной геомагнитной обстановки.

 

Публикации

1. Власов А.А., Леонович А.С., Козлов Д.А. Поток надтепловых электронов, ускоряемых в ионосферу кинетическими альфвеновскими волнами и возможность формирования SAR arcs Physics of Auroral Phenomena, Т. 45, № 1, С. 62-65. EDN DTTQTM. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.51981/2588-0039.2022.45.014

2. Власов А.А., Леонович А.С., Козлов Д.А. Phase portraits of Alfvén waves in magnetospheric plasma XIV International Conference and School (Problems of Geocosmos 2022), - (год публикации - 2023)