Многомасштабные электродинамические процессы при трансформации энергии в хвосте магнитосферы Земли

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 23-12-00031

НазваниеМногомасштабные электродинамические процессы при трансформации энергии в хвосте магнитосферы Земли

Руководитель Зеленый Лев Матвеевич, Доктор физико-математических наук

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

Конкурс №80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-503 - Ионосферная и космическая плазма

Ключевые слова магнитосфера Земли, геомагнитный хвост, плазменные неустойчивости, турбулентность, индукционные электрические поля, филаментация токов, разрывная неустойчивость

Код ГРНТИ29.27.45

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект посвящен теоретическим и экспериментальным исследованиям механизмов трансформации магнитной энергии, сопровождаемой генерацией сильных электрических полей в хвосте магнитосферы Земли. Спутниковые наблюдения последних лет показали, что помимо магнитного пересоединения, в Плазменном Слое (ПС) и Токовом Слое (ТС) хвоста всплески электрических полей большой амплитуды (десятки и более мВ/м) часто наблюдаются в окрестностях Сверхтонких Токовых Слоев (СТС) вне диффузионной области пересоединения, а также в окрестности других нестационарных магнитных структур: Диполизационных Фронтов (ДФ), магнитных островов и др. Процессы трансформации магнитной энергии, накопленной в ТС хвоста, могут сопровождаться развитием турбулентности, генерацией волновой активности и сильным ускорением плазменных частиц, которые, достигая Земли, дают вклад в авроральные высыпания и суббуревую активность. Все эти процессы являются частью глобальных возмущений магнитосферы, формирующих космическую погоду в околоземном пространстве. Несмотря на интенсивные спутниковые исследования в хвосте магнитосферы Земли, такие важные вопросы как условия образования тонких токовых структур, их динамика и связь с глобальными магнитосферными процессами до конца не выяснены. Также до сих пор не изучена роль электронных СТС в развитии токовых неустойчивостей, турбулентности, генерации сильных электрических полей и локального нарушения квазинейтральности. В настоящее время особый интерес для физики космической плазмы представляют процессы трансформации магнитной энергии на кинетических масштабах. Такие процессы, происходящие в горячей бесстолкновительной плазме, нельзя воссоздать в лабораторных установках, и, единственной возможностью их изучения являются прямые спутниковые наблюдения. В данном проекте, опираясь на большую статистику четырех-спутниковых наблюдений ММS, планируется исследовать механизмы формирования и эволюции СТС, генерации сильных электрических полей и нарушения вмороженности на электронных кинетических масштабах в ПС и ТС геомагнитного хвоста во время распространения ускоренных плазменных потоков, в области торможения быстрых потоков в ближнем хвосте, в окрестностях магнитоплазменных структур (ДФ, магнитных островов и др.). Кроме этого, используя данные измерений спутниками MMS магнитных и электрических полей с высоким временным разрешением, недоступным на предыдущих миссиях, будут исследованы спектры электромагнитной турбулентности ассоциированной с различными динамическими явлениями в ПС геомагнитного хвоста, и определены характерные временные и пространственные масштабы турбулентности. Теоретические исследования проекта будут сфокусированы на роли электронов в формировании СТС, их энергетике и динамике. Для достижения этих целей будут разработаны теоретические модели СТС на основе которых будет исследована их квазистационарная структура, устойчивость и динамика. Также будут изучены механизмы взаимодействия заряженных частиц с турбулентными электромагнитными полями в хвосте магнитосферы Земли для чего будут использованы современные модельные представления о турбулентности с различными уровнями перемежаемости. Поставленные в проекте задачи актуальны для прогноза космической погоды в окрестности Земли, а также для объяснения динамики магнитоплазменных структур в других космических объектах. Полученные результаты могут оказаться важны и для исследования ключевых физических явлений в высокотемпературной плазме токамаков, где важную роль играют пилообразные колебания тока, способные привести к срыву удержания плазмы. Новизна как теоретических, так и экспериментальных задач проекта определяется новизной самих объектов исследования – СТС, для исследования которых необходимо создание новых теоретических моделей, как аналитических, так и численных. Экспериментальные исследования, планируемые в рамках данного проекта до сих пор систематически не проводились.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. М.В. Леоненко, Е.Е. Григоренко, Л.М. Зелёный РОЛЬ УСКОРЕННЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПОТОКОВ В ГЕНЕРАЦИИ ИНТЕНСИВНЫХ ТОКОВЫХ СТРУКТУР И НЕИДЕАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ ВО ВНЕШНЕЙ ОБЛАСТИ ПЛАЗМЕННОГО СЛОЯ Космические Исследования, том 62, № 6, с. 613–623 (год публикации - 2024)
10.1134/S0010952524600458

2. Н.Н. Левашов, В.Ю. Попов, Х.В. Малова, Л.М. Зеленый ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПЕРЕМЕЖАЕМОСТИ ТУРБУЛЕНТНОГО ПОЛЯ НА УСКОРЕНИЕ ЧАСТИЦ В ПЛАЗМЕННОМ СЛОЕ ХВОСТА МАГНИТОСФЕРЫ ЗЕМЛИ Космические Исследования (год публикации - 2025)

3. Е. Е. Григоренко, М. В. Леоненко, А. Ю. Малыхин, Л. М. Зеленый, Х С. Фу Токовые слои электронных масштабов, наблюдаемые миссией MMS в русле высокоскоростных потоков в плазменном слое геомагнитного хвоста Космические исследования (год публикации - 2024)
doi:10.1134/S001095252460046X

4. Царева О. О., Леоненко М.В., Григоренко Е.Е., Малова Х.В., Попов В.Ю., Зеленый Л.М. Fast tearing mode driven by demagnetized electrons. Geophysical Research Letters, 51, e2023GL106867. https://doi.org/10. 1029/2023GL106867 (год публикации - 2024)
10.1029/2023GL106867

5. Леоненко М.В., Григоренко Е.Е., Зелёный Л.М., Фу Х. Электростатические солитоны в центральном плазменном слое геомагнитного хвоста Земли Письма в ЖЭТФ, 122, вып.1, с.14-24 (год публикации - 2025)
10.31857/S0370274X25070037

6. Петровский И.Д., Леоненко М.В., Григоренко Е.Е., Зелёный Л.М. ХАРАКТЕРИСТИКИ ТОКОВЫХ СТРУКТУР И ПОЛЕЙ, НАБЛЮДАЕМЫХ СПУТНИКАМИ MMS В ПЛАЗМЕННОМ СЛОЕ ГЕОМАГНИТНОГО ХВОСТА ВО ВРЕМЯ СПОКОЙНЫХ И ВОЗМУЩЕННЫХ ПЕРИОДОВ Космические исследования (год публикации - 2026)

7. Мингалев О.В., Сецко П.В., Мельник М.Н., Мингалев И.В., Малова Х.В., Григоренко Е.Е., Зелёный Л.М. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СВЕРХТОНКОГО ЭЛЕКТРОННОГО ТОКОВОГО СЛОЯ В БЛИЖНЕЙ ЧАСТИ МАГНИТОСФЕРНОГО ХВОСТА Физика плазмы, том 51, № 5, с. 461–487 (год публикации - 2025)
10.31857/S0367292125050029

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В течение второго года реализации проекта были получены следующие основные результаты. По Задаче 1 мы провели статистический анализ 20 интервалов пересечений спутниками MMS Плазменного Слоя (ПС) геомагнитного хвоста в спокойные периоды. Мы обнаружили, что в эти периоды интенсивные сверхтонкие токовые слои (СТС) не наблюдаются. Лишь в нескольких случаях плотность электрического тока в токовых структурах достигала 20 нА/м2. Анализ этих СТС показал, что их толщина порядка или немного меньше гирорадиуса тепловых протонов. Также было обнаружено, что в плотность электрического тока, наблюдаемую на суб-ионных и ионных кинетических масштабах, вносят вклад как квазиадиабатические ионы, так и замагниченные электроны. В спокойные периоды параметр преобразования энергии (J*E) в СТС составляет порядка десятков пВт/м3, что значительно меньше соответствующих величин, наблюдаемых в СТС в активные периоды. Таким образом, установлено, что СТС формируются в ПС только при распространении высокоскоростных потоков, т.е. в горячей турбулентной плазме. По задаче 2 работы были направлены на совершенствование модели СТС, построенной в предыдущем году. Было учтено наличие в СТС как нормальной, так и шировой компонент магнитного поля. Показано, что наличие магнитного шира изменяет характеристики СТС, а именно его положение относительно нейтральной плоскости, форму профиля плотности тока и ее толщину. Разработаны схема и алгоритмы самосогласованной численной модели нестационарного симметричного ТС с размерностью 1D3V на основе метода крупных частиц. Для оценки электростатических, индукционных и радиационных эффектов разработаны три варианта модели: на основе системы Власова-Пуассона-Ампера, системы Власова-Дарвина и системы Власова-Максвелла, соответственно. Эти результаты будут использованы в следующем году для отладки программ для нестационарной модели. Для задачи 3 мы применили метод анализа эпох к интервалам изолированных фронтов диполизаций и к интервалам длительных диполизаций, наблюдаемых MMS в области торможения быстрых потоков в ближнем хвосте. Статистически установлено, что нарушение вмороженности для электронной популяции происходит в основном на переднем крае изолированных ДФ и на фазе роста длительных диполизаций. Неидеальное электрическое поле E' может иметь как потенциальное, так и индукционное происхождение. Высокочастотные флуктуации электрического поля (в диапазоне частот, близком к электронной гирочастоте) обычно являются электростатическими и наблюдаются в течение довольно коротких интервалов. Напротив, индукционные электрические поля наблюдаются в течение более длительных временных интервалов и имеют меньшие амплитуды. Мы также обнаружили, что потенциальные электрические поля в основном формируются за счет Холловского члена в обобщенном законе Ома и, в некоторых случаях - за счет градиента тензора электронного давления. По задаче 4 была исследована возможность развития разрывной неустойчивости в новом классе СТС, содержащих как замагниченные, так и размагниченные электроны. Разрывная мода рассматривалась как плоская электромагнитная волна, распространяющаяся вдоль хвоста магнитосферы. Для анализа устойчивости СТС в режиме разрывной моды был применен энергетический принцип в рамках линейной теории возмущений. В результате были определены волновые числа и скорости роста возмущений для различных свободных параметров модели СТС, таких как относительная доля размагниченных электронов, скорость их входящего потока и анизотропия давления, создаваемая замагниченными электронами. Было показано, что увеличение этих параметров приводит к накоплению свободной энергии за счет утончения СТС и подавления стабилизирующего эффекта от замагниченных электронов за счёт снижения их концентрации. По Задаче 5 была разработана модель мультифрактального турбулентного поля для численного исследования ускорения частиц в ПС хвоста магнитосферы. Для сравнения использовались наблюдения космического аппарата CLUSTER в ПС 17 июля 2001 г., когда в ПС распространялся высокоскоростной поток со скоростью ~ 400 км/с. В течение этого 10-минутного интервала амплитуда турбулентного магнитного поля была порядка нескольких нТл. Моделирование электромагнитного поля осуществляется с использованием суперпозиции вейвлетов, однородно распределенных по всей расчетной области. Свойство мультифрактальности проявляется в локально нерегулярном поведении турбулентности. Используя специальное распределение амплитуд в модели, было получено результирующее мультифрактальное и перемежаемое поле. Проведено исследование ускорения ионов разных масс при отсутствии, и при наличии перемежаемости. Показано, что наличие перемежаемости вдет к более эффективному ускорению ионов разных масс. По задаче 6 построены мультифрактальные спектры вариаций различных параметров, наблюдаемых ММС в ПС в интервалы распространения высокоскоростных потоков с хвостовой стороны от ближней X-линии. В частности, с проанализированы спектры параллельной и перпендикулярной компонент электрического поля (Epar и Eper), плотности электрического тока (Jpar и Jper) и параметра преобразования энергии (J*E). Установлено, что в невозмущенном ПС мультифрактальные спектры всех перечисленных параметров имеют малую ширину, что свидетельствует об отсутствии перемежаемости. Напротив, на фазе роста высокоскоростного потока наблюдается существенное увеличение ширины мультифрактальных спектров всех параметров. Наиболее существенное увеличение наблюдается в ширине мультифрактальных спектров Epar, Eper и J*E. Большая ширина мультифрактальных спектров означает наличие сильной перемежаемости и когерентных структур разных масштабов. В интервалах релаксации высокоскоростных потоков ширина мультифрактальных спектров Epar, Eper и J*E уменьшалась, однако она все еще была существенно больше, чем во время невозмущенных интервалов.

Публикации