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.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
По задаче (1) совместно с китайскими коллегами созданы каталоги наблюдений спутниками MMS различных типов магнитных структур суб-ионных и электронных масштабов (диполизационных фронтов, магнитных островов/жгутов потока, магнитных дыр, интенсивных электронных сверхтонких токовых структур (СТС)) в плазменном слое геомагнитного хвоста. Показано, что практически всегда такие структуры и интенсивные СТС наблюдаются в Быстрых Плазменных Потоках (БПП). Определены пространственные масштабы этих структур вдоль линии их пересечения спутниками MMS. Установлено, что внутри магнитных структур, а также вблизи их границ часто наблюдаются интенсивные СТС с толщиной порядка нескольких электронных гирорадиусов.
Статистический анализ показал, что магнитные структуры наиболее часто наблюдаются вблизи нейтральной плоскости и в центральном плазменном слое во время распространения БПП, которые, в свою очередь, являются признаком наличия активной X-линии на некотором расстоянии от спутников. Напротив, интенсивные СТС, генерируемые ускоренными электронными пучками, наблюдаются практически на любых расстояниях от нейтральной плоскости. При этом, высокой корреляции между частотой наблюдения магнитных структур и СТС и какими-либо условиями в солнечном ветре и в межпланетном магнитном поле выявлено не было. Таким образом, наиболее важным фактором, влияющим на появление магнитных структур и интенсивных СТС, является наличие БПП, движущегося со скоростью более 300 км/с в плазменном слое геомагнитного хвоста. Возможно БПП является необходимым источником энергии для формирования магнитных структур на электронных кинетических масштабах, и этот процесс может быть одним из способов диссипации энергии крупномасштабного БПП на микромасштабах.
Совместно с китайскими коллегами созданы каталоги наблюдений MMS магнитных структур различных типов на суб-ионных и электронных масштабах в магнитослое на ночной стороне магнитосферы и на дневной магнитопаузе. Определена ориентация этих структур, направление и скорость их движения, и оценены их пространственные размеры. Установлено, что пространственные размеры магнитных структур и СТС, нормированные на локальные гирорадиусы ионов и электронов, схожи по порядку величины для областей горячей и разреженной плазмы плазменного слоя хвоста и холодной и плотной плазмы магнитослоя/магнитопаузы. Однако, плотности тока в СТС, наблюдаемых в магнитослое/магнитопаузе в среднем выше, чем в СТС, регистрируемых в плазменном слое хвоста. Возможно, это связано с более высокой плотностью плазмы в магнитослое/магнитопаузе.
Кинетическое моделирование электронного СТС с магнитным широм, выполненное в рамках работ по задаче 2 показало, что с ростом ширового магнитного поля электроны в СТС замагничиваются, а поддерживаемый ими токовый слой становится слабее и толще. В то же время структура ионного токового слоя остаётся практически неизменной, а вся конфигурация приближается к бессиловому равновесию. Нами выявлено ключевое противоречие результатов моделирования квазистационарной конфигурации электронного СТС с магнитным широм и наблюдений СТС с магнитным широм спутниками MMS: в то время как модель предсказывает утолщение и ослабление СТС при сильном шировом поле, наблюдения показывают существование интенсивных СТС с сильным широм. Это указывает на нестационарную и динамическую природу наблюдаемых СТС. Статистическое исследование наблюдаемых в СТС значений нормированного электрического поля E/(Vae*Bo), где Vae – электронная альвеновская скорость и Bo – магнитное поле на краях СТС, показало, что во многих случаях E/(Vae*Bo) ~ 0.1 – 1. Такие значения нормированного электрического поля ранее наблюдались для области магнитного пересоединения на ионных кинетических масштабах, только в нормировке использовалась ионная альвеновская скорость. Тот факт, что мы получили для электронных СТС схожие значения электрических полей, нормированных на электронную альвеновскую скорость, может указывать на то, что данные СТС могут являться областями вторичного электронного пересоединения.
По задаче 3 совместно с китайскими коллегами для отдельных событий определена топология магнитных островов/FR на суб-ионных кинетических масштабах, и СТС – на электронных кинетических масштабах и исследована их эволюция в БПП. Использование FOTE метода позволило выявить наличие магнитных нулей O- и X- типов. Используя метод, основанный на анализе магнитных градиентов, измеряемых на электронных кинетических масштабах, показано, что интенсивные СТС, наблюдаемые вблизи границ магнитных структур, являются 2D токовыми филаментами, генерируемыми электронными пучками. В процессе своей дальнейшей эволюции токовые филаменты сливаются, образуя динамичные 1D электронные токовые слои, и генерируются индукционные электрические поля, которые способны дополнительно ускорять электроны до энергий ~ 1 кэВ. Эти ускоренные электроны, в свою очередь, формируют новые СТС в других областях плазменного слоя. Таким образом, показано, что в турбулентном плазменном слое генерация СТС носит каскадный характер и происходит посредством множественных актов дополнительного ускорения электронов в динамических СТС.
Также по задаче 3 совместно с китайскими коллегами установлено, что в вертикальный баланс давлений, который поддерживает квази-равновесную 1D структуру интенсивного продольного электронного СТС вносит вклад не только магнитное давление за счет увеличения шировой компоненты магнитного поля в центре слоя (как было показано ранее для тонких токовых слоев ионного масштаба), но и вертикальный градиент тензора электронного давления, возрастание которого в центре СТС обусловлено наличием ускоренного электронного пучка, генерирующего ток. Установлено, что сильное амбиполярное электрическое поле (~ 50 мВ/м), возникающее на краях СТС за счет различий в динамике ионов и электронов (аналогично генерации амбиполярного поля в области магнитного пересоединения) способно ускорять электроны до сверхтепловых энергий.
По задаче 4 рассмотрены режимы формирования равновесных тонких токовых слоев в зависимости от величины нормальной магнитной компоненты. Построенная кинетическая модель, описывает утоньшение токового слоя магнитосферного хвоста. Показано, что отношение нормальной и тангенциальной магнитных компонент определяет как структуру токового слоя, так и динамику заряженных частиц в нем.
По задаче 6 в рамках модели турбулентности с перемежаемостью исследовано ускорение электронов в многомасштабном турбулентном поле, идентичном наблюдаемому спутниками MMS во время суббури в хвосте магнитосферы Земли. Показано, что за несколько минут ускорения в таком поле, электроны способны ускориться до энергий порядка десятка кэВ.
Публикации
1. Домрин В.И. , Малова Х.В., Попов В.Ю., Калегаев В.В. , Мингалев О.В. , Григоренко Е.Е. , Зеленый Л.М. ВЛИЯНИЕ НОРМАЛЬНОЙ МАГНИТНОЙ КОМПОНЕНТЫ НА ФОРМИРОВАНИЕ ТОКОВОГО СЛОЯ ГЕОМАГНИТНОГО ХВОСТА Космические исследования, вып.2, т.64 (год публикации - 2026)
2.
Царева О.О., Леоненко М.В., Григоренко Е.Е., Малова Х.В., Попов В.Ю., Зеленый Л.М.
Nonlinear structure of super-thin current sheets with guide field: equilibrium or dynamic
Journal of Geophysical Research, 130, e2025JA034238 (год публикации - 2025)
10.1029/2025JA034238