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 25-42-00028
НазваниеФормирование и диссипация магнитных структур электронных кинетических масштабах в космической плазме
Руководитель Григоренко Елена Евгеньевна, Доктор физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт космических исследований Российской академии наук , г Москва
Конкурс №99 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (NSFC)
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-503 - Ионосферная и космическая плазма
Ключевые слова магнитосфера Земли, преобразование энергии, электронные кинетические масштабы, турбулентность, нагрев и ускорение плазмы
Код ГРНТИ29.27.45
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Ожидаемые результаты
Проблема самосогласованного формирования магнитных структур, их метастабильности и дальнейшей диссипации имеет большое значение для как для физики космической так и для физики лабораторной плазмы. До недавних пор для исследований магнитных структур были доступны только МГД и, в лучшем случае, ионные кинетические масштабы. В настоящее время реализуется активная фаза многоспутникового магнитосферного проекта MMS, позволяющего впервые исследовать плазменные процессы на электронных кинетических масштабах. Наблюдения MMS обнаружили в магнитосферной плазме магнитные структуры, сформированные на суб-ионных и электронных кинетических масштабах. С такими структурами связаны наиболее сильные градиенты магнитного поля, которые обусловливают основную диссипация магнитной энергии на малых кинетических масштабах. Кроме того, топология таких магнитных структур несет информацию о процессах их формирования в источниках, которыми являются магнитное пересоединения или области возбуждения электромагнитных неустойчивостей. Исследования электронной кинетики, ответственной за самосогласованное формирование и эволюцию магнитных структур на суб-ионных и электронных кинетических масштабах, дает импульс к созданию новых моделей, учитывающих существование сверхтонких токовых слоев с толщиной порядка нескольких гирорадиусов тепловых электронов. В таких слоях часть электронной популяции может стать размагниченной и давать вклад в интенсивный ток, сосредоточенный в сверхтонком слое. Изучение устойчивости таких магнитных структур имеет большое значение как для фундаментальной физики плазмы, так и для прикладных задач космической погоды и лабораторной плазмы.
В данном проекте мы объединим богатый опыт многоспутниковых исследований российской и китайской команд, а также опыт коллектива в теоретическом (аналитическом и численном) моделировании формирования многомасштабных токовых конфигураций для исследования ряда нерешенных вопросов, необходимых для более глубокого понимания плазменных процессов происходящих на электронных кинетических масштабах и ответственных за самосогласованное формирование, эволюцию и диссипацию магнитных структур различных типов (плазменных жгутов, диполизационных фронтов, магнитных дыр и т.д.). Располагая уникальными приборными и конфигурационными возможностями миссии MMS, мы ожидаем получить следующие новые результаты:
(1) на большом наблюдательном материале исследовать топологию и определить характеристики различных типов магнитных структур, наблюдаемых на суб-ионных и электронных масштабах миссией MMS в плазменном слое геомагнитного хвоста и в магнитослое/магнитопаузе. Получить количественные зависимости характеристик этих структур и частоты их наблюдения от параметров фоновой плазмы (горячая/разряженная и более холодная/плотная) и от глобальной динамики (наличие быстрых потоков, геомагнитная активность, условия в солнечном ветре);
(2) построить 2D самосогласованную кинетическую модель многомасштабного токового слоя с магнитным широм и вложенным сверхтонким электронным слоем, с учетом наличия в нем популяции размагниченных (квазиадиабатических) электронов. Получить количественные зависимости характеристик (толщины и параметра вложенности) сверхтонкого электронного токового слоя от доли размагниченных электронов и от характеристик фоновой плазмы. Адаптировать модель к условиям на дневной магнитопаузе;
(3) получить информацию о характере процессов преобразования энергии на суб-ионных и электронных масштабах и их локализации в магнитных структурах различных типов, а также об эволюции магнитных структур в горячей/разряженной и более холодной/плотной плазмах плазменного слоя и магнитослоя/магнитопаузы. Сделать выводы о вкладе этих структур в спектры мощности электромагнитных и электростатических флуктуаций, наблюдаемых в этих магнитосферных регионах;
(4) в параметрическом пространстве определить области устойчивости/неустойчивости многомасштабного токового слоя со вложенным сверхтонким электронным слоем по отношению к возбуждению быстрой электронной тиринг-моды в зависимости от доли квазиадиабатических электронов. Исследовать эволюцию наблюдаемых токовых структур в параметрическом пространстве для плазм с различными характеристиками и при наличии магнитного шира Сделать выводы об устойчивости токовых структур электронных кинетических масштабав, наблюдаемых в плазменном слое геомагнитного хвоста и на магнитопаузе;
(5) определить роль электростатических и электромагнитных флуктуаций, наблюдаемых в магнитных структурах электронного масштаба, в динамике электронной функции распределения по скоростям. В частности, определить энергетические и питч-угловые характеристики резонансных электронов и диапазон энергий, в котором происходит эффективный энергообмен локальной электронной популяции с волнами. Получить эти результаты для горячей/разреженной плазмы плазменного слоя хвоста и более холодной и плотной плазмы магнитослоя/магнитопаузы;
(6) с помощью моделирования методом тестовых частиц определить эффективность ускорения электронов при их взаимодействии с электромагнитной турбулентностью, в том числе, сформированной разно-масштабными магнитными структурами. Выполнить исследования для горячей/разреженной плазмы плазменного слоя и для холодной/плотной плазмы магнитослоя; получить энергетические спектры частиц для различных характеристик турбулентности;
Решение поставленных в проекте задач позволит глубже понять физику все еще малоизученных процессов преобразования магнитной энергии на электронных кинетических масштабах в магнитных структурах, которые являются мелкомасштабными аналогиями диссипативных структур, наблюдаемых в солнечном ветре, солнечной короне и в других космических и астрофизических объектах, плазменные процессы в которых недоступны для прямых наблюдений на космических аппаратах.