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 23-47-00084

НазваниеМагнитное пересоединение в космической и лабораторной плазме: компьютерные симуляции и эмпирическое моделирование

РуководительСеменов Владимир Семенович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет", г Санкт-Петербург

Период выполнения при поддержке РНФ 2023 г. - 2025 г. 

Конкурс№74 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (NSFC).

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

Ключевые словагеомагнитные бури, космическая погода, магнитосфера, солнечный ветер, эмпирическое моделирование, лабораторный эксперимент, компьютерные симуляции, магнитное пересоединение, токовые слои, плазменные неустойчивости

Код ГРНТИ37.15.34, 37.15.21, 89.15.00

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В начале следующего, 2023, года в Харбинском Технологическом Институте (ХИТ) планируется ввод уникальной крупномасштабной установки класса Мега «Space Plasma Environment Research Facility» (SPERF), предназначенной для лабораторных исследований трехмерного пересоединения магнитных полей применительно к магнитосфере Земли. Проблема является одной из центральных в области физики солнечно-земных связей, так как непосредственно связана с пониманием процессов формирования космической погоды и с практически важными задачами её предсказания и обеспечения безопасности спутниковых систем. Установка SPERF состоит из следующих трех частей (платформ), каждая из которых предполагает решение отдельных специфических задач. Платформа Dipole Research Experiment (DREX) спроектирована для моделирования внутренней магнитосферы и исследования механизмов ускорения, транспорта и потерь энергичных частиц в зонах захвата (радиационных поясах). Платформа Asymmetric Reconnection Experiment (AREX) предназначена для изучения пересоединения Межпланетного Магнитного Поля (ММП) и поля диполя, возникающих быстрых струйных течений плазмы и диполяризационных фронтов, а также обратного влияния пересоединения на дневную магнитосферу(DREX). И, наконец, платформа Tail Reconnection Experiment (TREX) создана для изучения 3D пересоединения в хвосте магнитосферы. Эксперимент предоставит богатые диагностические возможности. В частности, для измерения магнитного поля предусмотрены 58 сенсоров, расположенных в одной плоскости, с возможностью перемещать их по всей камере в ходе последовательных импульсов. До сих пор исследования магнитного пересоединения в лабораторной плазме в основном ограничивались квазидвумерной конфигурацией с единственной Х-линией. Уникальность вакуумной установки в Харбине заключается в формировании существенно трехмерной области пересоединения, с возникновением трехмерных особенностей магнитного поля, и с возможным развитием плазменной турбулентности и аномальной проводимости. Многолетние спутниковые и наземные измерения показали, что основным параметром, определяющим степень магнитосферной возмущенности, является величина и направление ММП. Этот факт положен в основу эксперимента SPERF. Главной его новой особенностью является отказ от моделирования сверхзвукового солнечного ветра; при этом магнитное поле переходной области и внутренней магнитосферы создаётся при помощи специальной системы токовых витков (соленоидов) и источников плазмы. Исследование магнитного пересоединения в космосе, в особенности трехмерных эффектов, всегда неполно, так как число спутников невелико, и они редко попадают в ключевые области. В лабораторных экспериментах также имеются свои трудности, связанные прежде всего с тем, что на Земле невозможно воспроизвести в деталях процессы космических масштабов. В связи с этим, выяснение целостной картины нестационарного магнитного пересоединения в трех измерениях возможно лишь в рамках синтетического исследования, объединяющего в себе следующие три подхода: (1) Лабораторные эксперименты в достаточно больших установках, обеспечивающие хотя бы ограниченную степень подобия с космическими процессами, (2) Магнитогидродинамические и кинетические компьютерные симуляции плазменных процессов, (3) Эмпирическое моделирование, позволяющее реконструировать глобальную структуру и динамику магнитного поля на базе экспериментальной информации и современных методов её интерпретации. Для планирования и интерпретации результатов эксперимента SPERF будет использован богатый опыт эмпирического моделирования магнитного поля и плазмы, накопленный российскими исследователями. В совместном проекте специалистов СПбГУ и ХИТ предполагается: - На основе опыта российских ученых в эмпирическом моделировании разработать методы представления и диагностики различных магнитоплазменных структур, возникающих в процессе 3D магнитного пересоединения и применить эти методы к данным, полученным на установке SPERF. - Выполнить компьютерные МГД и кинетические (методом iPIC3D) симуляции процесса образования искусственной магнитосферы SPERF, а также магнитного пересоединения в токовых слоях при различных направлениях ММП, и сравнить возникающие при численном моделировании структуры с реальными данными эксперимента SPERF. - Провести сопоставление реальной и искусственной магнитосфер (топологии магнитного поля, возникающих токовых систем, распределений параметров плазмы и поля, геометрических масштабов) по спутниковым данным и по прямым измерениям в искусственной магнитосфере SPERF. - Проанализировать полученные результаты и сделать выводы о закономерностях формирования токовых слоев, режимов пересоединения, скорости пересоединения, механизмов ускорения и нагрева плазменных струй, волновой активности и турбулентности, а также условий, стимулирующих пересоединение или прерывающих его, при различных направлениях ММП в эксперименте SPERF. Реализация проекта поможет углубить понимание процесса трехмерного асимметричного пересоединения и выявить механизмы генерации и распространения частиц высоких энергий в магнитосфере. Будет создан инструментарий (методы, алгоритмы, компьютерные программы, способы тестирования и валидации) для представления и диагностики различных магнитоплазменных структур, возникающих в экперименте SPERF. Научные группы России и Китая уже имеют достаточный опыт общения. Проведено 7 российско-китайских конференций по космической и лабораторной плазме, создан совместный Центр Физики Плазмы, выполнен совместный проект РФФИ-ГФЕНа.

Ожидаемые результаты
В качестве главного результата проекта предполагается создать новый модельный инструмент для реконструкции поведения замагниченной плазмы в трёх измерениях и с его помощью провести лабораторные исследования структуры и динамики магнитного пересоединения - фундаментального и универсального явления взрывного характера, происходящего в солнечных вспышках и в околоземном космосе. Значимость этих исследований для современного общества, почти во всех сферах деятельности тесно опирающегося на спутниковые технологии, трудно переоценить, поскольку солнечные корональные выбросы и порождаемые ими электромагнитные возмущения в земной магнитосфере и ионосфере - при даже умеренной их интенсивности - многократно усиливают потоки энергичных частиц, вызывают аномальный нагрев верхней атмосферы и, тем самым, представляют прямую угрозу спутниковым системам всевозможного назначения и информационной/физической безопасности освоения космоса людьми. Так, даже довольно слабая магнитосферная буря в феврале этого года (в самом начале текущего солнечного цикла) привела к потере 40 спутников системы Starlink. В отношении к мировому уровню, планируемые исследования не имеют аналогов и являются пионерскими - прежде всего имея в виду непревзойдённый размер лабораторной установки в Харбинском институте и рекордное число сенсоров поля и, во-вторых, благодаря разработанным нами новым методам математической реконструкции магнитосферных конфигураций. В плане практической важности, конечная цель и главная сфера использования ожидаемых результатов проекта - совершенствование методов предсказания космической погоды.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Моделирование переходного магнитослоя по многолетней базе спутниковых данных 26 ноября 2023 года в Харбинском Технологическом Институте (ХИТ) введена в эксплуатацию самая большая в мире искусственная магнитосфера SPERF размером 5м х 10м для лабораторного моделирования магнитосферных процессов, в первую очередь трехмерного магнитного пересоединения. Предполагается, что наши китайские коллеги проводят лабораторные исследавания, а российские участники совместного проекта ответственны за сопоставление процессов в лабораторной и реальной магнитосферах. В земной магнитосфере области пересоединения локализованы на дневной магнитопаузе, где геоэффективные потоки плазмы солнечного ветра вступают в первый контакт с геомагнитным полем. Поэтому для изучения магнитного пересоединения на дневной магнитопаузе (в том числе лабораторного) крайне важно знать распределение магнитного поля в области между отошедшей ударной волной и магнитопаузой, в, так называемом, переходном магнитослое. Долгое время эмпирическое моделирование магнитного поля в этой области казалось невозможным из-за высокого уровня турбулентности. Тем не менее используя богатый опыт эмпирического моделирования внутри магнитосферы (где, правда, поле гораздо менее хаотично) в 2023 году удалось создать модель магнитного поля в переходной области по многолетней базе спутниковых измерений. Для модельного описания магнитной структуры в этой области был разработан модифицированный вариант представления магнитного поля в виде суммы тороидальной и полоидальной компонент, которые гарантируют соленоидальность магнитного поля. Новизна здесь в том, что градиенты производящих функций множатся не на радиус-вектор r, как в стандартном варианте, а на градиент некоторой функции S(r), постоянной на поверхностях, подобных модельной магнитопаузе и ударной волне, что обеспечивает удобное описание поля в естественных координатах, связанных с границами магнитослоя. В этих координатах производящие функции тороидальной и полоидальной компонент описываются разложениями по степеням S(r) и сферическим функциям угловых координат. Набор данных по магнитному полю составлялся на основе измерений спутников Cluster, Themis, Geotail и MMS-1 за период с 1995 по 2022г. Фильтрация данных из магнитослоя проводилась с помощью двумерных диаграмм магнитного поля и протонной плотности, нормированных на их значения в солнечном ветре для четырёх вышеперечисленных спутниковых миссий. Показано, что на всех диаграммах чётко выделяются три области с увеличенной плотностью данных, соответствующих солнечному ветру, магнитослою и магнитосфере. Общий объём подвыборки данных составил более 2 млн 1-минутных записей, которые затем делились на основной и валидационный наборы. Входными параметрами модели служат три компоненты межпланетного магнитного поля (ММП), давление солнечного ветра и угол наклона земного диполя к плоскости терминатора. По этим входным параметрам модель позволяет рассчитывать распределение магнитного поля в магнитослое. Кинетическое моделирование процесса магнитного пересоединения в токовых слоях В земной магнитосфере присутствует тепловая компонента (протоны) солнечного ветра, а также плазма земного происхождения (ионы кислорода и холодные протоны). Исследование их влияния на магнитосферные процессы является актуальной численной и экспериментальной задачей. В эксперименте DREX предусмотрен источник плазмы для лабораторного моделирования в установке дополнительных популяций (холодных или тяжёлых). В асимметричном магнитном пересоединении на магнитопазе холодные ионы формируют функции распределения типа полумесяцев, что объясняется неполным замагничиванием частиц при пересечении сепаратрис. В настоящей работе похожие функции распределения были впервые обнаружены в численном моделировании симметричного пересоединения, типичного для хвоста магнитосферы Земли. Был использован вычислительный код iPIC3D. Численное моделирование методом "Частица-в-ячейке" воспроизводит все характерные структуры магнитного пересоединения, а именно: образуется диффузионная область в окрестности нейтральной линии, электронные пучки, квадроупольная структура параллельной Х линии компоненты магнитного поля, а также образование плазмоидов, характеризующихся биполярной вариацией нормальной компоненты. Особое внимание в 2023 году уделялось изучению зависимости динамики магнитного пересоединения от температуры втекающей плазмы. Подробно рассмотрены 2 крайних режима: c преобладающей тепловой магнитосферной плазмой (вариант 1), а также с преобладающей холодной компонентой (вариант 2). В варианте 1 эволюция магнитного пересоединения определяется в основном динамикой горячей компоненты, при этом холодные ионы ускоряются холловским электрическим полем на сепаратрисах. Вариант 2 показывает более турбулентную динамику, поскольку пучки холодных ионов подвержены плазменным неустойчивостям. В варианте 1 ускорение холодных ионов электрическим полем Холла на сепаратрисах особенно хорошо заметно в функции распределения холодных ионов. После ускорения их траектории представляют собой ларморовские вращения с одновременным ExB дрейфом, что проявляется в виде зигзагов в функции распределения. В точках перегиба данных траекторий возникают повторяющиеся структуры, которые были названы "эхо-полумесяцы". Создана простая модель, которая хорошо проявляется в данных кинетического моделирования Зависимость процесса пересоединения и его эффектов в геомагнитосфере от каждой из компонент ММП с учетом угла наклона диполя По данным более чем 40-летних наблюдений из базы OMNI c 1981 по 2022 гг.была проанализирована зависимость процесса пересоединения и его эффектов в магнитосфере от экваториальных компонент ММП с учетом угла наклона диполя. Эффект пересоединения на оценивался по индексу авроральной активности AL. Влияние солнечного ветра рассчитывалось по драйверу Ньюэлла (скорости изменения пересоединившегося магнитного потока на дневной стороне):Анализ наблюдений позволил сделать следующие выводы. Отклик магнитосферной активности на драйвер солнечного ветра существенно зависит от угла наклона диполя. Этот факт можно объяснить, если допустить, что для срыва суббури в периоды с большим углом наклона диполя, когда токовый слой хвоста изогнут, требуется меньшая накачка энергии (меньший накопленный магнитный поток, или меньшая плотность тока в токовом слое). В этом случае и суббуря будет менее интенсивной, а следовательно, авроральная активность и AL-индекс также будут меньше, чем в периоды нулевого наклона диполя (прямого токового слоя хвоста). При больших углах наклона диполя отклик магнитосферной активности на драйвер солнечного ветра существенно зависит от знака горизонтальных компонент ММП - By и Bx. Присутствие компоненты Bx приводит к смещению линии пересоединения на дневной стороне к югу или северу, а затем к смещению токового слоя хвоста в северное или южное полушарие в зависимости от знака Bx. Этот эффект аналогичен увеличению или уменьшению эффективного угла наклона диполя, и поэтому увеличивает или уменьшает AL при разных знаках Bx. Влияние положения токового слоя на порог срыва неустойчивости суббури был убедительно проде монстрирован в работе [Sergeev et al., 2023]. Еще один важный эффект экваториальных компонент – это изменение величины Bz за счет существующего наклона плоскости солнечного экватора по отношению к плоскости эклиптики на 7.25 градуса. Если линии магнитного поля лежат в среднем в плоскости солнечного экватора, то в системе GSE в зависимости от их направления и сезона будет возникать положительная или отрицательная добавка Bz GSE, которая будет уменьшать или увеличивать драйвер солнечного ветра. Максимальное значение BzGSE близко к ± 1 nT, что составляет примерно четверть среднего значения Bz. По результатам выполнения проекта опубликовано 5 статей. Сведения о проекте можно найти на сайте geo.phys.spbu.ru/~sem

 

Публикации

1. Дивин А., Зайцев И., Парамоник И., Семенов В., Коровинский Д., Мао А., Дарджент Дж.П., Толедо-Редондо С., Дека Дж. Cold ion crescent echoes in the exhaust of symmetric magnetic reconnection Physics of Plasmas, Том 30, 062901 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1063/5.0155958

2. Кубышкина М.В., Семенов В.С., Цыганенко Н.А., Ванг С.-Г., Кубышкин И.В. Unraveling the Role of IMF Bx in Driving Geomagnetic Activity Journal of Geophysical Research, Volume 128, e2022JA031275 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1029/2022JA031275

3. Кубышкина М.В., Семенов В.С., Цыганенко Н.А., Ванг С.-Г., Кубышкин И.В. Reply to “Comment on ‘‘Unraveling the Role of IMF Bx in Driving Geomagnetic Activity’’” by Lauri Holappa et al. Journal of Geophysical Research, Volume 128, e2023JA031894 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1029/2023JA031894

4. Сергеев В.А., Кубышкина М.В., Семенов В.С., Артемьев А., Анджелопулос В., Рунов А. Unusual Magnetospheric Dynamics During Intense Substorm Initiated by Strong Magnetospheric Compression Journal of Geophysical Research, Том 128, e2023JA031536 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1029/2023JA031536

5. Цыганенко Н.А., Семенов В.С., Еркаев Н.В. Data-Based Modeling of the Magnetosheath Magnetic Field Journal of Geophysical Research, Том 128, e2023JA031665 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1029/2023JA031665