Исследование солнечного ветра на масштабах от долей секунды до десятилетий: происхождение, свойства и роль в явлениях космической погоды

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 проекта 22-12-00227

НазваниеИсследование солнечного ветра на масштабах от долей секунды до десятилетий: происхождение, свойства и роль в явлениях космической погоды

Руководитель Ермолаев Юрий Иванович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт космических исследований Российской академии наук , г Москва

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-703 - Солнце и Солнечная система

Ключевые слова Солнце, солнечный ветер, межпланетное магнитное поле, ударная волна, магнитослой, магнитосфера, магнитосферные возмущения, турбулентность, космическая погода

Код ГРНТИ41.21.33

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Настоящий проект посвящен исследованию солнечного ветра в широком диапазоне масштабов (от долей секунды до нескольких солнечных циклов) и представляется на конкурс научным коллективом «Лаборатории Солнечного Ветра» Института космических исследований РАН, имеющим обширный опыт в экспериментальных исследованиях процессов в солнечном ветре и в областях его взаимодействия с планетами и телами Солнечной системы. В течение нескольких десятилетий сотрудники научного коллектива участвовали в разработке приборов для исследования плазмы солнечного ветра на спутниках серии «Прогноз», «Марс», «Венера», в проектах «Интершок», «Интербол», в том числе, в разработке прибора БМСВ на космическом аппарате Спектр-Р (проект «Радиоастрон»). Уникальность и важность систематических измерений параметров плазмы с высоким временным разрешением, полученных прибором БМСВ, признаны научным сообществом. В настоящее время авторы проекта участвуют в подготовке эксперимента для лунной миссии в рамках Федеральной космической программы, которая запланирована на ближайшие годы. При участии членов научного коллектива создается новый спектрометр БМСВ-ЛГ для непрерывных измерений полного набора параметров плазмы с высоким временным разрешением. Среди прочих научных задач в данном проекте предлагается разработка алгоритмов вторичной (физической) обработки данных прибора БМСВ-ЛГ на основе численного моделирования регистрации заряженных частиц датчиками прибора и отработка этих алгоритмов по результатам лабораторных и летных испытаний. Кроме того, коллектив планирует продолжать активную работу с уникальными данными прибора БМСВ на КА Спектр-Р, систематическая обработка которых была проведена в рамках предыдущего проекта РНФ 16-12-10062. В частности, в данном проекте планируется модернизация базы данных быстрых измерений прибора БМСВ на КА Спектр-Р с учетом немаксвелловских распределений частиц, необходимая для решения новых задач проекта. С 2016 по 2020гг лаборатория проводила научные исследования по проекту РНФ 16-12-10062 и его продолжению, и был получен ряд новых и значимых для физики межпланетной среды и геофизики результатов мирового уровня. Основная особенность предлагаемого нового проекта состоит в том, что солнечный ветер рассматривается как открытая многомасштабная система со свободной передачей энергии от больших масштабов к малым, от крупномасштабных явлений, свойства которых определяются структурой и физическими процессами на Солнце, до мелкомасштабных явлений, которые в основном определяются локальными плазменными процессами, а также учитывается взаимодействие явлений разных масштабов при движении солнечного ветра от Солнца до Земли и их влияние на геомагнитную активность. В том числе в проекте впервые ставится актуальная задача изучения влияния текущего спада солнечной активности в 23-25 солнечных циклах на свойства солнечного ветра, а также на космическую погоду и космический климат. В проекте планируется, в частности, рассмотреть следующие актуальные вопросы: (1) Связь явлений и процессов в плазме на различных масштабах (от кинетических до 1 а.е.) в межпланетном пространстве со структурами и быстрыми явлениями на Солнце. (2) Динамика параметров межпланетной среды, ассоциированная с явлениями различной природы и масштабов в солнечном ветре, при их распространении от Солнца к Земле, в том числе на межпланетной и головной ударных волнах, в магнитослое (magnetosheath), на магнитопаузе и внутри магнитосферы. (3) Эффективность передачи возмущений от Солнца к Земле и генерации отклика в системе магнитосферно-ионосферных токов с учетом разномасштабных свойств межпланетной среды и изменений солнечной активности на масштабах солнечных циклов. Научная новизна поставленной задачи заключается в следующем: 1. Будут впервые учитываться влияние значительного снижения параметров солнечного ветра во время и после минимума 22/23 солнечных циклов по сравнению с предыдущими солнечными циклами на свойства солнечного ветра и его геоэффективность. 2. Будет уделяться внимание взаимодействию и обмену энергией между структурами различных масштабов в межпланетном космическом пространстве. 3. Будет впервые анализироваться эволюция характеристик турбулентности при движении плазмы от Солнца до границ магнитосферы Земли с учетом влияния крупно- и средне- масштабных структур в солнечном ветре. 4. Будет впервые рассматриваться связь характеристик мелкомасштабных плазменных флуктуаций с геоэффективностью крупномасштабных возмущений в солнечном ветре. 5. Будет проведен многоточечный сравнительный анализ амплитудно-частотных характеристик плазменных и магнитных колебаний перед рампом межпланетной ударной волны. 6. Будет впервые экспериментально исследована связь динамики относительного содержания альфа-частиц на фронтах межпланетной и околоземной ударных волн с их структурой. 7. Будут разработаны новые актуальные модели для предсказания космической погоды с учетом многофакторности и многомасштабности связей солнечного ветра с магнитосферой Земли. Результаты выполнения задач проекта внесут существенный вклад в развитие таких наук, как физика Солнца, физика гелиосферы, геофизика, физика плазмы и солнечно-земная физика (включая эффекты космической погоды и космического климата).

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Ермолаев Ю.И., Лодкина И.Г., Хохлачев А.А., Ермолаев М.Ю., Рязанцева М.О., Рахманова Л.С., Бородкова Н.Л., Сапунова О.В., Мокалева А.В. Dynamics of Large‐Scale Solar‐Wind Streams Obtained by the Double Superposed Epoch Analysis: 5. Influence of the Solar Activity Decrease Universe, том 8, выпуск 9, страницы 472 (год публикации - 2022)
10.3390/universe8090472

2. Сапунова О.В., Бородкова Н.Л., Застенкер Г.Н., Ермолаев Ю.И. Dynamics of He++ Ions at Interplanetary and Earth’s Bow Shocks Universe, 8, 10, 516 (год публикации - 2022)
10.3390/universe8100516

3. Рахманова Л.С., Рязанцева М.О., Застенкер Г.Н., Ермолаев Ю.И., Large-Scale Solar Wind Phenomena Affecting the Turbulent Cascade Evolution behind the Quasi-Perpendicular Bow Shock Universe, 8, 12, 611 (год публикации - 2022)
10.3390/universe8120611

4. Ермолаев Ю.И., Лодкина И.Г., Хохлачев А.А., Ермолаев М.Ю. Peculiarities of the Heliospheric State and the Solar-Wind/Magnetosphere Coupling in the Era of Weakened Solar Activity Universe, том 8, номер 10, страницы 495 (год публикации - 2022)
10.3390/universe8100495

5. Хохлачев А.А., Ермолаев Ю.И., Лодкина И.Г., Рязанцева М.О., Рахманова Л.С. Helium Abundance Decrease in ICMEs in 23–24 Solar Cycles Universe, 8, 11, 557 (год публикации - 2022)
10.3390/universe8110557

6. Ермолаев Ю.И., Лодкина И.Г., Хохлачев А.А., Ермолаев М.Ю., Рязанцева М.О., Рахманова Л.С., Бородкова Н.Л., Сапунова О.В., Москалева А.В. Параметры солнечного ветра в восходящей фазе 25-го солнечного цикла: Сходства и различия с 23-м и 24-м солнечными циклами Солнечно-земная физика, Т. 9, № 4. С. 63-70 (год публикации - 2023)
10.12737/szf-94202307

7. Сапунова О.В., Бородкова Н.Л., Ермолаев Ю.И., Г.Н. Застенкер Г.Н. Спектры флуктуаций параметров плазмы солнечного ветра вблизи фронта ударной волны Космические исследования (год публикации - 2024)

8. Рязанцева М.О., Тревес Т.В., Хабарова О., Рахманова Л.С., Ермолаев Ю.И. Linking Turbulent Interplanetary Magnetic Field Fluctuations and Current Sheets Universe, V. 10, № 11, p. 417 (год публикации - 2024)
10.3390

9. Рахманова Л.С., Рязанцева М.О., Хохлачев А.А., Ермолаев Ю.И., Застенкер Г.Н. Роль среднемасштабных структур солнечного ветра в развитии турбулентности за головной ударной волной Геомагнетизм и аэрономия/Geomagnetism and Aeronomy, № 6, Т. 64, сс. 814-823 (год публикации - 2024)
10.1134/S0016793224600838

10. Володин И.Д., Рязанцева М.О., Рахманова Л.С., Хохлачев А.А., Ермолаев Ю.И. The Changes in Multiscale Solar Wind Fluctuations on the Path from the Sun to Earth Universe, V. 10, №4, P. 186. (год публикации - 2024)
10.3390

11. Сапунова О.В., Бородкова Н.Л., Застенкер Г.Н. Анализ спектров флуктуаций величины потока плазмы и модуля магнитного поля на обратных ударных волнах Солнечно-земная физика , №3. Т. 10. стр. 62-69 (год публикации - 2024)
DOI: 10.12737/szf-103202407

12. Бородкова Н.Л., Сапунова О.В., Ермолаев Ю.И., Застенкер Г.Н. АНАЛИЗ ДИНАМИКИ ЦУГОВ КОЛЕБАНИЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ И ПОТОКА ИОНОВ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА ПЕРЕД РАМПОМ МЕЖПЛАНЕТНОЙ УДАРНОЙ ВОЛНЫ Космические исследования, № 6, том 62, с. 592–605 (год публикации - 2024)
10.1134/S0010952524600951

13. Лодкина И. Г., Ермолаев Ю. И., Хохлачев А.А. Каталоги типов солнечного ветра и их роль в солнечно-земной физике Космические Исследования/Cosmic Research, В.2, Т. 63 (год публикации - 2025)

14. Рахманова Л.С., Рязанцева М.О., Ермолаев Ю.И., Хохлачев А.А., Застенкер Г.Н. Turbulence Evolution Between 0.5 and 1 AU for the Solar Wind of Various Origins Solar Physics, 300:44 (год публикации - 2025)
10.1007/s11207-025-02458-4

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1. Проведено исследование особенностей внутренней структуры межпланетных выбросов корональной массы (магнитных облаков и событий Ejecta) по данным спутника WIND с временным разрешением 3 сек. Исследование выполнялось на основе сопоставления поведения относительного содержания ионов гелия с расстоянием от точки наблюдения на космическом аппарате до токового слоя, определенного при помощи метода минимума вариаций межпланетного магнитного поля. Анализ показал, что существуют структуры масштабов порядка 10^6 км вблизи токовых слоев, которые характеризуются повышенным содержанием гелия. Такие структуры наблюдаются в магнитных облаках и отсутствуют в событиях Ejecta. Существование подобных структур подтверждает выдвинутую ранее гипотезу о существовании обогащённого ионами гелия электрического тока внутри магнитных облаков и показывает, что при регистрации событий Ejecta космический аппарат пересекает выброс корональной массы дальше от центральной части магнитного жгута, чем в случае магнитного облака. 2. Проведён анализ спектров флуктуаций параметров плазмы солнечного ветра и межпланетного магнитного поля для случаев быстрой обратной и быстрой прямой межпланетных ударных волн. Выявлено, что на МГД масштабах, в возмущённой области, наклон спектров колебаний потока плазмы близок к наклону спектра флуктуаций модуля межпланетного магнитного поля. Однако, на кинетических масштабах может иметь место значительное различие наклонов спектров. Для невозмущённой области разница наклона спектров может быть достаточно велика как в МГД, так и в кинетической области. По модулю магнитного поля укручение спектра значительнее проявляется на кинетических масштабах - как для прямой, так и для обратной ударной волны. По потоку плазмы для МГД области наблюдается уменьшение степени наклона спектра. 3. Продемонстрирована взаимосвязь между изменением характеристик турбулентности в магнитослое и степенью геоэффективности солнечного ветра при спокойных условиях, а также в периоды наблюдения на орбите Земли компрессионных областей (таких, как области Sheath перед ICME или области взаимодействия разноскоростных потоков CIR). При этом, для взаимодействия ICME с магнитосферой подобной связи не выявлено. На основе статистического сравнения свойств турбулентности солнечного ветра, наблюдающихся в одном и том же объеме плазмы на разных расстояниях от Солнца, показано, что скейлинг инерционной области турбулентного каскада формируется на расстояниях в пределах 0.45 au от Солнца и не изменяется при дальнейшем распространении плазмы вплоть до орбиты Земли. Одновременно наблюдается существенное изменение скейлинга на кинетических масштабах: на расстояниях 0.45-0.55 au спектры существенно более крутые, чем предсказывается теориями и наблюдается на орбите Земли, что свидетельствует о постепенном снижении темпов диссипации энергии при удалении плазмы от Солнца. 4. Проведен анализ характеристик спектров турбулентных флуктуаций межпланетного магнитного поля в различных крупномасштабных структурах солнечного ветра, характеризующихся разной вероятностью появления структур средних и малых масштабов. В том числе рассмотрена роль мелкомасштабных токовых слоев солнечного ветра в формировании спектра турбулентных флуктуаций и управлении процессами диссипации в космической плазме. Показано, что высокая концентрация мелкомасштабных токовых слоев приводит к переконфигурации турбулентного каскада в целом, что может привести к локальным нарушениям в передаче энергии вдоль каскада турбулентных флуктуаций. На основе статистического анализа выявлена корреляция между частотой излома спектра флуктуаций и количеством наблюдаемых мелкомасштабных токовых слоев. Статистический анализ также показал, что области увеличения вероятности возникновения токовых слоев связаны с более высокой температурой потока. 5. Был выполнен анализ влияния солнечной активности на эффективность генерации магнитных бурь и суббурь. Для этого данные измерений параметров солнечного ветра и магнитосферных индексов были разделены на эпоху высокой (1976- 1996 гг) и низкой (1997-2019 гг) солнечной активности по базе OMNI и на 4 геоэффективных типа солнечного ветра CIR, Sheath, MC и Ejecta по нашей базе типов солнечного ветра (по каталогу http://www.iki.rssi.ru/pub/omni). Было показано, что падение солнечной активности в 23-24 солнечных циклах привело к небольшому изменению геоэффективности возбуждения магнитных бурь для разных типов солнечного ветра и практически не сказалось на эффективности генерации суббурь. Сравнение поведения параметров солнечного ветра в начале 25 солнечного цикла показало, что этот цикл развивается по сценарию двух предыдущих циклов. 6. Было проведено моделирование энергетических спектров ионов плазмы солнечного ветра и результатов его регистрации датчиком прибора БМСВ-ЛГ. Работа выполнялась в программе SIMION, результаты сравнивались с экспериментальными данными, ранее полученными аналогичными датчиками прибора БМСВ на космическом аппарате Спектр-Р. Получены распределения для высокоскоростного (более 600 км/с) и высокотемпературного (более 20 эВ) солнечного ветра, а также для различных направлений потока ионов – как по азимутальному, так и по полярному углу. Были смоделированы спектры с немаксвелловским энергетическим распределением – каппа-распределением как для протонов, так и для альфа-частиц. Результаты представлены на сервере данных http://catalog-sw-msh.plasma-f.cosmos.ru/SpectraSimulationBMSW-LG/. Была разработана и апробирована методика расчёта параметров плазмы солнечного ветра. Отработка производилась по данным прибора БМСВ на космическом аппарате Спектр-Р. Показана хорошая точность воиспроизведения величин.

Публикации

Возможность практического использования результатов
не прорабатывалась