2.2. Фундаментальные и прикладные научные исследования в области Физики космической плазмы, энергичных частиц, Солнца и солнечно- земных связей

 

Тема ПЛАЗМА. Проведение фундаментальных исследований в области физики космической плазмы, солнечно-земных связей и физики магнитосферы.

Гос. регистрация ? 0120.0 602992

 

Научный руководитель чл.-корр. РАН Л.М. Зеленый

 

I. Солнце и солнечная корона

 

1. Разработка сценария механизма слабой солнечной вспышки

 

По данным проекта 'Интербол-Хвостовой зонд' проведен анализ вспышечных возрастаний мягкой компоненты рентгеновского излучения Солнца за период с сентября 1995г. по декабрь 1999г. Зарегистрированы солнечные события с мощностью потока рентгеновского излучения не более 10^-8 Вт/м², изучены особенности их энергетического спектра. Полученные данные позволяют предложить сценарий механизма солнечной вспышки на основе суперпозиции отдельных элементарных актов энерговыделения.

 

- Н.Ф.Писаренко, И.К.Мирзоева, Рентгеновские всплески и возможный сценарий слабых солнечных вспышек, Космические иссл., в печати

- Мирзоева И.К., Ликин О.Б. 'Механизм солнечной активности и микровспышки', 'Известия Крымской Астрофизической Обсерватории', (принята к печати).

- Мирзоева И.К. 'Микровспышки и тепловой фон солнечной короны', 'Письма в Астрономический журнал' т.32, ?1, с.72, 2006.

 

Писаренко Новомир Федорович, д.ф.м.н. 333-41-88 mira@iki.rssi.ru

Мирзоева Ирина Константиновна к.ф.м.н. 333-41-88, 333-14-67 colombo2006@mail.ru

 

II. Солнечный ветер

 

2. Определение глобальной трехмерной структуры солнечного ветра в дальнем ультрафиолете

 

Была развита, предложенная М. Грунтманом (JGR 106, 8205-8216, 2001), новая концепция определения трехмерной глобальной структуры солнечного ветра посредством измерения излучения в длине волны 30.4 нм с высоким спектральным разрешением. Эмиссия в линии 30.4 нм возникает вследствие перезарядки между альфа-частицами солнечного ветра и межзвездными атомами водорода. Были рассчитаны спектры в линии 30.4 нм для всевозможных направлений луча зрения наблюдателя. Для проведения расчетов использовалась наиболее реалистичная модель солнечного ветра, а также горячая модель для межзвездных нейтралов. В результате работы были выработаны минимальные требования к аппаратуре, которые необходимы для определения глобальной трехмерной структуры солнечного ветра.

 

Gruntman, M., Izmodenov, V.V., Pizzo, V., Imaging the global solar wind flow in EUV, J. Geophys. Res., Volume 111, Issue A4, CiteID A04216, 2006.

 

к.ф.м.н. Измоденов В.В., лаб. 534, 3333012, izmod@iki.rssi.ru

 

3. Изучение средне- и мелкомасштабных структур плотности солнечного ветра

 

1. На основе сопоставления измерений потока солнечного ветра с очень высоким временным разрешением на аппаратах Интербол-1 и WIND установлено, что резкие границы мелкомасштабных структур плотности солнечного ветра не только выживают (т.е., сохраняют свою форму и длительность) при распространении солнечного ветра на пути в миллион км, но во многих случаях заметно укручаются на этом пути.

2. 'Перемежаемость' вариаций плотности солнечного ветра в области сравнительно высоких частот 0.01 - 1 Гц заметно увеличивается, если на рассматриваемом интервале имеют место резкие границы мелкомасштабных структур.

Проводилось исследование турбулентных свойств солнечного ветра, а именно 'перемежаемости', и сравнения ее степени для интервалов солнечного ветра содержащих резкие границы плазменных структур со спокойными интервалами.

Вариации параметров солнечного ветра являются самоподобными для больших масштабов (Гаусова функция распределения амплитуд флуктуаций) и перемежаемыми на малых масштабах. Перемежаемостью называют свойство среды, при котором участки с высокой вариабильностью параметров сменяются спокойными участками, и, как следствие, функция распределения амплитуд флуктуаций того или иного параметра имеет не Гаусовую форму (более ярко выражены хвосты распределения).

Были получены функции распределения амплитуд флуктуаций для различных временных масштабов (от малых масштабов ~ 1 Гц и до больших масштабов ~ 10^-5 Гц) на базе измерений потока ионов солнечного ветра в 1996-1999 гг. на приборе ВДП (спутник ИНТЕРБОЛ-1) с рекордным разрешением (1 сек). Детально исследовались статистические свойства этих функций распределения, такие как асимметрия (момент 3-его порядка) и эксцесс (момент 4-го порядка), отражающие соответственно степень асимметрии, а также степень выраженности хвостов функции распределения (т.е. степень 'перемежаемости' среды).

Показано, что на малых масштабах для временных рядов потока ионов солнечного ветра наблюдается сильная степень 'перемежаемости', и она растет с уменьшением масштабов рассматриваемых вариаций. Впервые показано (рис. 1), что 'перемежаемость' вариаций потока ионов солнечного ветра в области сравнительно высоких частот ~ 0.01 - 1 Гц заметно выше для интервалов солнечного ветра содержащих резкие границы плазменных мелкомасштабных структур, чем для интервалов не содержащих их, что говорит о фундаментальных различиях турбулентных свойств потоков солнечного ветра для которого характерно наблюдение резких границ плазменных структур.

1.               Обнаружено, что резкие границы мелкомасштабных структур плотности солнечного ветра ('скачки' потока ионов) регистрируются раз в несколько дней и преимущественно группируются в области с длительностью в несколько часов, обладающие следующими свойствами (Рис.2):

- резко повышенная плотность

- пониженная скорость

- увеличенное межпланетное магнитное поле.

Работа поддержана грантами РФФИ ? 04-02-16152, МПНТ - нш 1739.2003.2.

 

- Бородкова Н.Л., Застенкер Г.Н., Рязанцева М.О., Ричардсон Дж. Большие и быстрые вариации динамического давления солнечного ветра и вызванные ими возмущения магнитосферного магнитного поля на геосинхронной орбите, Космич. Исслед., т.44, ? 1, 3-11, 2006

- Г.Н. Застенкер, М.О. Рязанцева, П.Е. Эйгес, Многоточечные наблюдения резких границ структур плотности солнечного ветра, Космич. Исслед., т.44, ? 6, 2006 (в печати)

- И.М. Алешин, Г.Н. Застенкер, М.О. Рязанцева, О.О. Трубачев, О возможной роли электростатического потенциала в формировании резких границ мелкомасштабных и среднемасштабных структур солнечного ветра, Космич. Исслед, отправлено в печать

- M.O. Riazantseva, O.V. Khabarova, G.N. Zastenker, J.D. Richardson Sharp boundaries of the solar wind plasma structures and their relationship to the solar wind turbulence, Adv. Space. Res., 2006, отправлено в печать.

- G.N. Zastenker, M.O. Riazantseva Multipoint observations of the dynamics of the sharp solar wind structures boundaries, Pl. Space Sci., отправлено в печать.

- M.O. Riazantseva, O.V. Khabarova, G.N. Zastenker,Sharp Solar Wind Ion Flux Changes as an Indication of Dense Middle Scale Solar Wind Structures, J. Atm. Sol.-Ter. Phys., 2006 отправлено в печать.

 

Застенкер Георгий Наумович, д.ф.м.н. (gzastenk@iki.rssi.ru , 333-13-88)

Рязанцева Мария Олеговна, к.ф.м.н. (orearm@gmail.com , 8(903)-7115819)

Бородкова Наталья Львовна, к.ф.-м.н. (nlbor@mail.ru, 333-13-88)

Хабарова Ольга Валерьевна, к.ф.-м.н. (olik3110@mail.ru, 333-13-88)

 

По данным измерений на спутнике Интербол-1 изучены отдельные случаи наблюдения зеркальных волн в магнитослое Земли. Определены некоторые их закономерности.

Эта работа докладывалась на конференции в ИЗМИРАНе и уже опубликована:

- Н.Н. Шевырев, Г.Н. Застенкер, Нелинейные колебания магнитного поля в магнитослое Земли за квазиперпендикулярной ударной волной, Известия РАН, Серия физическая, т.70, ? 10, стр. 1537-1540, 2006.

На большом материале долговременных наблюдений на спутнике Интербол-1 и КА Cluster рассмотрены основные свойства вариаций плазмы и магнитного поля в магнитослое Земли. Установлены основные статистические закономерности этих вариаций в диапазоне сравнительно высоких частот.

Эта работа, сделанная совместно с китайскими коллегами, уже принята к печати:

- N.N. Shevyrev, J. Du, G.N. Zastenker, C. Wang, P.E. Eiges, Small-Scale Ion Flux and Magnetic Field Fluctuations in Solar Wind, Foreshock and Magnetosheath, Chinese Physics (in press), 2007.

 

Часть этой работы докладывалась на конференции в Израиле и тоже послана в печать:

- N. N. Shevyrev, G. N. Zastenker, J. Du, C. Wang, Small-Scale Ion Flux and Magnetic Field Variations in Solar Wind, Foreshock and Magnetosheath, Planet. Space Sci.(in press), 2007.

 

Проведено детальное сравнение свойств турбулентности плазмы и магнитного поля в магнитослое, измеренных на аппаратах Интербол и Cluster.

Эта работа докладывалась на конференции в Варне и подготовлена к печати:

- N.N. Shevyrev, G.N. Zastenker, J. Du, C. Wang, Analysis of plasma and magnetic field turbulence in solar wind, foreshock and magnetosheath by data of several spacecraft. JASTP, 2007.

 

Проведено детальное сопоставление результатов наблюдений параметров плазмы в магнитослое с развитой болгарскими коллегами новой магнитослойно-магнитосферной гидродинамической моделью обтекания магнитосферы солнечным ветром. Получено хорошее соответствие теории и эксперимента для отдельных прохождений магнитослоя спутником Интербол-1.

Эта работа принята к печати:

-Dobreva P., Shevyrev N., A. Koval, M. Kartalev, G. Zastenker, Interpretation of satellite magnetosheath plasma measurements by use of magnetosheath-magnetosphere numerical model, Journ. Theor. Appl. Mechanics (in press), 2006.

 

 

III. Внешняя магнитосфера Земли, каспы

 

4. Исследование распределения давления в низкоширотном погранслое магнитосферы Земли (low latitude boundary layer - LLBL) и толщины этого слоя по данным наблюдений на спутнике Интербол/Хвостовой зонд; характерные особенности ближнего плазменного слоя

1. Разработана теоретическая концепция формирования LLBL, основанная на анализе баланса давления на магнитопаузе в условиях турбулентного магнитослоя. Учтено существование регулярного и квазидиффузионного переноса внутри магнитосферы в Y направлении. Теория позволила объяснить возникновение тонкого LLBL при южной ориентации ММП и толстого LLBL при северной ориентации ММП, существование асимметрии толщины LLBL утро-вечер.

2. Комплексный анализ данных экспериментальных наблюдений на спутнике Интербол/Хвостовой зонд для ряда событий с использованием данных приборов КОРАЛЛ, Электрон, ДОК-2 и МИФ показал, что при пересечении магнитопаузы модифицированные струи плазмы магнитослоя могут наблюдаться внутри магнитосферы при сравнительно постоянных параметрах межпланетного магнитного поля (ММП). Подробное изучение события 15-16 февраля 1996 года позволило выявить возможность возникновения режима, при котором магнитосфера с развитым LLBL переходит в состояние, при котором LLBL исчезает. Картина, типичная для LLBL, с перемешиванием плазмы магнитослоя и плазменного слоя в данном событии после скачка динамического давления солнечного ветра была заменена на плазменное распределение, при котором плазменный слой примыкал непосредственно к магнитопаузе и не наблюдался LLBL. Впервые проведен анализ распределения компоненты анизотропного давления в LLBL перпендикулярно направлению течения плазмы. Проведены оценки толщины LLBL для ряда событий, сравнение данных экспериментальных наблюдений с предсказаниями теории.

3. Для изучения вопроса о механизме генерации продольных токов Ииджимы и Потемры проводилась оценка интегрального вклада области LLBL в общую плотность тока. Для этого осуществлялась проекция рассмотренных токовых слоев в экваториальную плоскость с использованием глобальных моделей магнитного поля Цыганенко-96 и 2001 гг. Было получено, что процессы в LLBL могут дать только 20% вклад в величину тока. Основной источник должен находиться внутри магнитосферы.

4. При анализе непрерывных радиальных профилей ионного давления в области ближнего плазменного слоя было показано, что давление монотонно возрастает при приближении к Земле без каких-либо провалов. При всех пролетах не удалось обнаружить кромку плазменного слоя ни по профилю давления ни по временному ходу плотности поперечных токов в хвосте магнитосферы, предсказываемую теоретической моделью Wang at al., 2004. Полученные результаты свидетельствуют в пользу гипотезы о единстве популяции плазменного слоя и кольцевого тока.

 

-Rossolenko S.S., E.E.Antonova, Yu.I. Yermolaev , I.P. Kirpichev, V.N. Lutsenko , N.L. Borodkova , Plasma sheet and magnetosheath plasma mixing in LLBL: Case study, Advances in Space Research, 38(8), 1744-1749, 2006.

- Rossolenko S.S., E.E.Antonova, Yu.I. Yermolaev, I.P. Kirpichev , V.N. Lutsenko , N.L. Borodkova, E.Yu. Budnik, Interball/Tail probe observations of characteristics of low latitude boundary layer and the problem of the magnetosheath plasma penetration inside the magnetosphere, Proseedings of 6-th International Conference Problem of Geocosmos, St. Peterburg, Russia, 23-27 May, 2006, p. 167-170, 2006.

- Rossolenko C.C., E.E. Antonova, Yu.I. Yermolaev, I.P. Kirpichev, N.L. Borodkova, E.Yu. Budnik, Formation and characteristics of Low Latitude Boundary Layer, 36th COSPAR Scientific Assembly, Beijing, China, 16-23 July 2006, D3.1-0057-06, 2006; Advances in Space Research, in press.

 

Писаренко Новомир Федорович, д.ф.м.н. 333-41-88 mira@iki.rssi.ru

Кирпичев Игорь Петрович, н.с.(ikir@iki.rsssi.ru)

Антонова Елизавета Евгеньевна, д.ф.м.н. (antonova@orearm.msk.ru)

Ермолаев Юрий Иванович, д.ф.м.н. (yermolaev@iki.rsssi.ru)

5. Статистический анализ характеристик ускоренных ионных пучков (бимлетов) движущихся вдоль магнитного поля в пограничной области плазменного слоя геомагнитного хвоста магнитосферы Земли.

Статистический анализ характеристик ускоренных ионных пучков (бимлетов) движущихся вдоль магнитного поля в пограничной области плазменного слоя геомагнитного хвоста магнитосферы Земли, выполненный на основе многоспутниковых измерений Cluster показал, что

-        бимлеты представляют собой локализованные в пространстве плазменные филаменты (их размер в направлении перпендикулярном локальному магнитному полю не превышает 1Re),

-        время их наблюдения, в среднем, составляет ~10мин.

Таким образом, ускорение бимлетов в токовом слое хвоста происходит в пространственно локализованных источниках, и время их генерации составляет, как минимум, несколько минут.

Выполнен анализ 75 пересечений пограничной области плазменного слоя спутниками Cluster. В каждом пересечении анализировались характеристики функций распределения внешнего бимлета (наблюдаемого на границе пограничной области плазменного слоя с высокоширотной областью хвоста) при периодическом наблюдении этого бимлета (благодаря флэппингу) спутниками Cluster. Минимальным временем наблюдения внешнего бимлета считалось время в течение которого положение максимума функции распределения соответствующего данной величине параллельной скорости оставалось неизменным.

Установлено, что

-        для всех рассмотренных пересечений внешний бимлет последовательно наблюдался тремя спутниками Cluster в течение t>3мин,

-        в некоторых случаях время наблюдения внешнего бимлета достигало 18мин. Результаты полученные ранее по наблюдениям на одном спутнике давали заниженные оценки длительности бимлета (1-2мин) из-за невозможности разделения временного и пространственного эффекта (связанного с флэппингом).

Одновременно с определением минимальной длительности бимлетов производилась оценка их пространственных размеров в направлении перпендикулярном локальному магнитному полю. Для этих целей использовалось явление ускорения холодной плазмы, вытягиваемой в высокоширотные области хвоста из ионосферы и обычно недетектируемой спутником. Однако во время прохождения пучка ускоренных ионов по внешней границе пограничной области плазменного слоя холодная плазма может приобретать значительную дрейфовую скорость (до нескольких сот км/с) за счет электрического поля альвеновского возмущения связанного с бимлетом. В этом случае ионосферная плазма становится детектируемой.

Используя компонент скорости этой плазмы (в частности, ионов O⁺) вдоль нормали N к границе пограничной области (V_N) вдоль которой распространяется внешний бимлет, можно определить соответствующую координату границы и оценить размер внешнего бимлета вдоль N: , где T₁ - момент входа спутника в пограничную область плазменного слоя из высокоширотной области (начало наблюдения внешнего бимлета), и T₂ - момент начала наблюдения бимлета движущегося с другой (меньшей) скоростью (определяется из функции распределения), который начинает наблюдаться, когда спутник, движущийся по направлению к нейтральному слою, проникает во внутреннюю часть пограничной области.

Статистически установлено, что размер бимлетов в направлении перпендикулярном локальному магнитному полю не превышает 1Re.

Выполнено при поддержке грантов: РФФИ ?04-02-17371, Грант поддержки ведущих научных школ HIII-5359.2006.2; INTAS Nr.03-51-3738; INTAS YS Fellowship Nr. 03-55-1880.

 

- Grigorenko E.E., J.-A. Sauvaud, L.M. Zelenyi, Spatial-temporal characteristics of ion beamlets in the PSBL of magnetotail.// submitted in Journal Geophysical Research on 26.07.2006.

- Grigorenko E.E., L.M.Zelenyi, A.O.Fedorov, J.-A.Sauvaud, Imprints of non-adiabatic ion acceleration in the earth's magnetotail: Interball observations and statistical analysis.//Advances in Space Res., 38, Nr.1, 37-46, 2006.

- Zelenyi L.M., E.E. Grigorenko, J.-A. Sauvaud, R. Maggiolo, Multiplet structure of acceleration processes in the distant magnetotail.// Geophys. Res. Lett., 33, L06105, doi:10.1029/2005GL024901.

- Maggiolo R, J.A. Sauvaud, D. Fontaine, A. Teste, E. Grigorenko, A. Balogh, A. Fazakerley, G. Paschmann, D. Delcourt, H. Rème, A Multi-satellite Study of Accelerated Ionospheric Ion Beams Above The Polar Cap.//Annales Geophysica, 24, 6, 1665-1684, 2006.

 

Григоренко Елена Евгеньевна, к.ф.-м.н. ( elenagrigorenko2003@yahoo.com, 333-14-67)

 

6. Утоньшение и вытягивание плазменного слоя хвоста магнитосферы Земли перед суббурями.

 

Реализация многоспутникового проекта Кластер впервые позволила на регулярной основе определять конфигурацию токового слоя хвоста магнитосферы Земли прямыми, а не косвенными методами. Проанализированы достаточно часто наблюдавшиеся в течение 2001-2004 гг длительные пересечения утоньшающегося токового слоя во время предварительной фазы суббури. Установлены характерные сценарии утоньшения и вытягивания плазменного слоя.

Показано, что утоньшение слоя (увеличение плотности тока) обратно пропорционально величине нормальной компоненты магнитного поля (т.е. вытягиванию) и прямо пропорционально температуре ионов. Слои с доминирующей шировой компонентой магнитного поля (параллельной току) составляют около трети наблюдений и характеризуются выраженным нехаррисовским профилем с узким и более высоким по амплитуде максимумом тока в центре слоя, что указывает на важность рассмотрения задач с трехмерной конфигурацией магнитного поля в теории и моделировании.

Рис. 1 Сценарии утоньшения-вытягивания. Соединены только первая и последняя точки каждого интервала. По оси X утоньшение: плотность тока Jo (слева) и толщина слоя H (справа). По оси Y вытягивание: величина нормальной компоненты магнитного поля Bn.

 

- A.A. Petrukovich, T.-L. Zhang, W. Baumjohann, R. Nakamura, A. Runov, A. Balogh, Slipping deformation of the plasma sheet magnetic structure, Physics of Auroral Phenomena, Proceedings of the 29th annual seminar, Apatity, 108-112, 2006.

- A.A. Petrukovich and A.G. Yahnin, The substorm onset location controversy, Space Sci. Rev., 122, 81-87, 2006.

- Petrukovich, A.A.,Zhang, T.L., Baumjohann, W., Nakamura, R., Runov, A., Balogh, A., and Carr, C., Oscillatory magnetic flux tube slippage in the plasma sheet, Ann. Geophys., 24, 1695--1704, 2006.

- A. A. Petrukovich, T.-L.Zhang, W. Baumjohann, R. Nakamura, A. Runov, A. Balogh, thinning and stretching of plasma sheet J. Geophys. Res., отправлено в печать в 2006

 

Петрукович А.А. , зав. лаб. 542 (apetruko@iki.rssi.ru, 333-3267)

 

7. Моделирование плазменных систем в хвосте магнитосферы.

 

1) Представлена аналитическая самосогласованная модель многокомпонентых токовых слоев, в которых плазма состоит из ионов солнечного ветра и ионосферных ионов. Влияние электронной популяции учтено в предположении, что электроны имеют квазиравновесное больцмановское распределение в электростатическом поле, в котором электроны поддерживают ток с резким пиком в центре токового слоя. Вклад тяжелых ионов O⁺ учитывается в виде одного из слагаемых в системе уравнений типа Грэда-Шафранова, описывающих квазиравновесную конфигурацию. Показано, что вклад ионов кислорода в общий ток поперек хвоста в реальных условиях не может превышать 30%, но положительные "крылья" плотности тока, поддерживаеиые, в основном, ионами O⁺, приводят к значительному уширению профиля тока. Продемонстрированы основные механизмы формирования тонкой структуры токового слоя, за что данная модель получила название "модель матрешки". Так, очень узкий электронный слой толщиной порядка L ~ 0.05 - 0.1 r_L (где r_L - гирорадиус протона) вложен в тонкий протонный слой с L~r_L, который, в свою очередь, вложен внутрь относительно толстого кислородного токового слоя (L~ 5-10 r_L). Более того, весь токовый слой как бы вложен внутрь еще более толстого плазменного слоя (толщина которого в модели равна бесконечности, а в реальной магнитосфере может достигать от нескольких до десятка R_E, т.е. много больше толщины токового слоя). Таким образом, представленная в данной главе модель позволяет рассмотреть 4 уровня вложенных друг в друга плазменных структур, за что она получила название "модель матрешки". В модели отражено иерархическое строение плазменных структур и процессов в магнитосфере Земли, где микро-, мезо-, макро- и другие масштабы тесно взаимосвязаны друг с другом.

- Zelenyi L. M., H. V. Malova, V.Yu. Popov, D. C. Delcourt, N. Yu. Ganushkina, A. S. Sharma, 'Matreshka' model of multilayered current sheet, Geophys. Res. Lett., v. 33, L05105, doi:10.1029/2005GL025117, 2006.

 

2) В глобальной модели магнитосферы Земли исследована нелинейная динамика заряженных частиц в хвостовом токовом слое с двугорбым профилем плотности тока. Такие структуры, как правило, наблюдаются в фазе подготовки суббури. Рассмотрены частицы умеренно высоких энергий с параметром адиабатичности (отношение минимального радиуса кривизны магнитной силовой линии к максимальному ларморовскому радиусу) k~1. Показано, что в случае "обычного" токового слоя с одним максимумом плотности тока в центре рассеяние частиц обусловлено скачками магнитного момента, которые происходят под воздействием на частицу в экваториальной плоскости импульсной центробежной силы. Однако, в двойных слоях частица испытывает два импульса силы вне экваториальной плоскости, что существенным образом меняет характер ее движения. Гирофаза частицы в области рассеяния играет определяющую роль для величин скачков магнитных моментов. При некоторых значениях гирофазы скачок магнитного момента при вхождении в токовый слой может компенсироваться скачком на выходе. Таким образом, вместо сильного динамического хаоса, движение частиц может стать почти полностью квазиадиабатическим. Таким образом, взаимодействие потоков плазмы с двойными расщепленными токовыми слоями в хвосте магнитсферы может приводить к появлению узких пучков частиц плазмы - бимлетов, летящих от слоя к Земле почти вдоль силовых линий.

- Delcourt D.C., Malova H.V., Zelenyi L.M., Quasi-adiabaticity in bifurcated current sheets, Geophys. Res. Lett., v. 33, L06106, doi:10.1029/2005GL025463, 2006.

3) Методом трассирования ионов и сечений Пуанкаре исследована нелинейная динамика заряженных частиц в расщепленных (бифурцированных) и нерасщепленных токовых слоях, которые обнаруживаются на ближнем к Земле крае токового слоя во время суббурь. Показано, что общая структура фазового пространства, включающая в себя области пролетных (спейсеровских), захваченных и квазизахваченных частиц, слабо зависит от самого факта бифуркации токового слоя, особенно в случае симметричного относительно нейтральной плоскости профиля. Однако, фазовое пространство может быть существенно другим в случае, когда бифурцированный слой несимметричный, т.е. ширины и амплитуды двух максимумов его различны. В несимметричных слоях фазовая область квазизахваченной плазмы как бы "вытесняет" область пролетных частиц, которые являются носителями тока. Поскольку квазизахваченные частицы имеют почти замкнутые орбиты, и полный ток их близок к нулю, сокращение доли пролетных частиц может приводить к полному разрушению самосогласованной структуры токового слоя. Таким образом, степень асимметрии токового слоя может являться одним из ключевых параметров, определяющих динамику слоя в целом. Поскольку несимметричные токовые слои в природе встречаются достаточно часто, механизм разрушения слоя под влиянием накопления в нем квазизахваченной плазмы может играть существенную роль в суббуревой динамике.

- Delcourt D. C., D. A. Ovodkov, and V. Yu. Popov, H. V. Malova, L. M. Zelenyi, Do phase portraits resist current sheet bifurcation? Advances in Space research, v.37, 547-551, 2006.

 

4) Численно исследован процесс эволюции токового слоя Харриса в присутствии электрического поля. Для решения данной задачи использованы коды Власова с явной схемой пересчета функции распределения частиц по скоростям. При помощи теоремы о сохранения фазового объема проанализирован механизм возникновения электрических полей. Получены эффекты сжатия одномерного слоя и ускорения электронов и ионов вблизи нулевой линии магнитного поля. Рассматривается вопрос о совместном использовании кодов Власова и МГД приближения.

- Artemyev A.V., V.Yu. Popov, H.V. Malova, L.M. Zelenyi, Evolution of the Harris sheet in the presence of electric field}, WDS'06 Proceedings of Contributed Papers: Part II - Physics of Plasmas and Ionized Media (ed. J. Safrankova and J. Pavlu), Prague, Matfyzpress, pp. 28-32, 2006 (направлено в журнал 'Физика плазмы')

- Артемьев А.В. Эволюция токового слоя Харриса под действием электрического поля, Физика плазмы, в печати, 2006.

5) Предложена существенно усовершенствованная версия численной модели бесстолкновительного тонкого токового слоя в хвосте магнитосферы с заданной постоянной компонентой магнитного поля B_z поперек слоя. Слой образован встречными потоками плазмы, которые движутся к нейтральной плоскости из долей хвоста вдоль силовых линий магнитного поля. Модель представляет собой 1D3V версию дискретной модели Власова--Дарвина в методе крупных частиц. Модель является открытой, то есть число модельных частиц в ней может изменяться и поддерживается примерно постоянным в результате соответствующего выбора модельных параметров. Используется новый высокоэффективный алгоритм расчета траекторий частиц, а также новая неявная итерационная схема численного решения уравнений дискретной модели Власова--Дарвина. Это позволило даже на персональном компьютере рассматривать порядка 10⁷ модельных макрочастиц. В результате численного моделирования получены квазистационарные конфигурации для нескольких вариантов параметров плазмы в долях хвоста. Для контроля силового баланса в слое вычислялось продольное и поперечное давление, а также тензор напряжений. Установлено, что тензор напряжений в токовом слое недиагонален и существенно отличается от гиротропного тензора напряжений в модели Чу--Гольдбергера--Лоу, вычисленного по найденным магнитному полю, а также продольному и поперечному давлению плазмы. При этом оказалось, что в слое относительно точно выполнено уравнение магнитостатики, то есть сила Ампера уравновешивается дивергенцией тензора напряжений.

- Мингалев О.В., И.В.Мингалев, Х.В.Малова и Л.М.Зеленый, Численное моделирование силового баланса в бесстолкновительном одномерном тонком токовом слое с постоянной нормальной компонентой магнитного поля, Физика плазмы, в печати (2006).

 

6) Проведено аналитическое и численное исследование рассеяния заряженных частиц в ''колоколообразных'' и ''двугорбых'' токовых слоях с обращенным магнитным полем. Построены аналитическая и численная модели скачков магнитных моментов частиц при пересечении токовых слоев со сложными профилями плотности тока. Аналитические оценки скачков магнитных моментов сравнивались с результатами трассирования частиц и численного интегрирования уравнений движения. Проанализированы характеристики движения частиц в широкой области изменения параметров системы. Показано, что процессы рассеяния частиц, которые в целом определяются соотношением между радиусом кривизны силовой линии и ларморовским радиусом, существенным образом зависят от профилей плотности тока и магнитного поля. Так, в ''двугорбых'' токовых слоях, в отличие от ''колоколообразных'', могут существовать две рассеивающие области, вместо одной, а компенсация двух последовательных скачков магнитных моментов частиц может приводить к квазирегулярному типу движения вместо хаотического. Обсуждаются физические механизмы рассеяния магнитных моментов ионов, определяющие хаотический и квазиадиабатический режимы движения частиц.

- Оводков Д.А., В.Ю.Попов, Х.В.Малова, Динамика заряженных частиц в расщепленных тонких токовых слоях, Вестник Московского Университета, серия 3, Физика . Астрономия, N 2, стр. 10-14, 2006.

 

лаб. 541: Л.М. Зеленый, Х.В. Малова, В.Ю. Попов, А.В. Артемьев, А.Г. Коржов, Д.А. Оводков, к. 415, тел. 333-25-00, mlv@dec1.sinp.msu.ru

 

8. Теоретические и экспериментальные исследования волновых процессов в космической плазме

 

Разработан и применен оригинальный метод нахождения параметров поляризации КНЧ волн в космической плазме по данным измерений магнитного поля. Этот метод опирается на исследования по корреляционному анализу векторных величин, в которых были определены два типа корреляции: векторный и скалярный, и соответствующие типы спектральных матриц. На этом основании получена простая формула для вычисления эллиптичности волны, в которой эллиптичность выражается исключительно через скалярные и векторные спектральные плотности.

 

Разработан и применен новый метод анализа низкочастотных волновых процессов в межпланетной плазме по результатам многоспутниковых измерений, позволяющий находить состав сложных волновых суперпозиций в горячих турбулентных космических плазмах. Новый метод отличается тем, что позволяет находить и анализировать дисперсионные зависимости действующих волновых мод в широком диапазоне волновых векторов, для длин волн во много раз более коротких, чем минимальное расстояние между космическими аппаратами, ведущими измерения.

 

На основании полученных выводов построен алгоритм обработки волновых измерений, позволяющий определять значения фазовых сдвигов в высокочастотной части спектра, многократно превышающих один период.

 

Рис.1. Пример дисперсионных зависимостей, полученных непосредственно перед каспом и в каспе.

Обработаны магнитные данные, полученные на спутниках миссии Кластер 13 февраля 2001 г. в области внешнего высокоширотного каспа в течение времени от 19:54:00 до 20:16:00 UT. Впервые получена информация о дисперсии КНЧ волн в диапазоне волновых чисел от ~0.002 до ~0.15 рад/км (длин волн от 3000 км до 40 км, при том, что среднее расстояние между спутниками было ~ 550 км, а минимальное ~ 375 км). Определены характеристики пространственного поглощения волн.

 

- Романов С.А., К вопросу о нахождении параметров поляризации низкочастотных плазменных волн, Космические исследования, отправлено в печать 2006 г.

- Романов С.А., Нахождение дисперсии низкочастотных волн в космической плазме по результатам многоспутниковых измерений, Космические исследования, отправлено в печать 2006 г.

 

Романов С.А. , к.ф.-м.н. т. 333-11-00 sroman@mx.iki.rssu.ru

 

9. Модель трансформации бегущих быстрых магнитозвуковых (БМЗ) волн в альфвеновские в продольно-неоднородной гиротропной плазме в магнитном поле с незамкнутыми силовыми линиями.

Построена модель трансформации бегущих БМЗ волн в альфвеновские в продольно-неоднородной гиротропной плазме в магнитном поле с незамкнутыми силовыми линиями. В области синхронизации, где волновые векторы двух мод сближаются, происходит существенная перекачка энергии БМЗ колебаний в альфвеновские волны. Трансформация имеет резонансный характер, что может объяснить появление квазимонохроматических сигналов в магнитосферах Земли и планет-гигантов в области открытых силовых линий. Разработанный сценарий подтвержден наблюдениями монохроматических волн Рс3 диапазона одновременно на спутнике Cluster и на антарктических станциях в полярной шапке.

Работа поддержана грантом INTAS 05-1000008-7978.

 

- Pilipenko V., Chugunova О., Mazur N., Fedorov E., and Glassmeier K.-H., Pc3 waves in the polar cap: Observations and model, Proc. of 'Problems of Geocosmos', 2006.

- Мазур Н.Г., Федоров Е.Н., Пилипенко В.А., Трансформация БМЗ волн в альфвеновские в гиротропной продольно-неоднородной плазме, Физика Плазмы, 32, 2006.

 

Пилипенко Вячеслав Анатольевич, к.ф.-м.н., (pilipenko_va@mail.ru, 8-903-6184666,)

 

IV. Внутренняя магнитосфера Земли

 

10. Исследование механизма вспышек высыпаний релятивистских электронов из внешней области радиационного пояса

Наблюдение высыпаний частиц в атмосферу Земли, выполненные на низколетящих спутниках, вызвали большой интерес к вспышкам высыпаний релятивистских электронов из внешней области радиационного пояса. В качестве механизма, приводящего к таким вспышкам, предлагается резонансное рассеяние (на высоких циклотронных резонансах) частиц в конус потерь в результате взаимодействия релятивистских электронов с интенсивными верхнегибридными волнами, которые часто наблюдаются вне плазмосферы.

Рассмотрены два случая: квази-монохроматической волны и широкого спектра, для которых рассчитаны коэффициенты диффузии частиц в фазовом пространстве с учетом неоднородности среды. Показано, что релятивистские электроны имеют преимущество над низко-энергичными электронами с точки зрения количества циклотронных резонансов, которые частица проходит за один баунс-период.

Благодаря квази-продольному распространению верхнегибридных волн, резонансное взаимодействие волн и частиц может происходить на многих баунс-периодах, что облегчает процесс рассеяния частиц в конус потерь.

Развитая теория объясняет две основные особенности вспышек высыпаний релятивистских электронов, а именно, сильную зависимость потока высыпания от энергии частиц и мелкомасштабную структуру вспышек высыпаний, связанную главным образом с сильной локализацией и неоднородностью области возбуждения верхнегибридных волн, ответственных за рассеяние.

Наличие тонкой временной структуры высыпаний с временами, сравнимыми с баунс- периодом частиц, также согласуется с теорией в силу высокой эффективности процесса рассеяния.

 

- Shklyar, D. R., and B. Kliem, Relativistic electron scattering by electrostatic upper hybrid waves in the radiation belt, J. Geophys. Res., 111, A06204, doi:10.1029/2005JA011345, 2006.

 

Давид Рувимович Шкляр, в.н.с отдела 54 (shklyar@caravan.ru)

11. Волноводный механизм генерации аврорального километрового излучения

 

Авроральное километровое излучение (АКР) является самым мощным естественным нетепловым радиоизлучением, распространяющимся от Земли. Анализ экспериментальных данных, полученных на спутниках VIKING и FAST, однозначно показал, что источниками АКР являются пространственно ограниченные области, горячая и разреженная плазма в которых резко отличается от более плотной и холодной окружающей плазмы. Один из размеров области генерации АКР в плоскости перпендикулярной магнитному полю лежит в диапазоне 5 - 70 км, в то время как другой, вытянутый в широтном направлении, имеет протяженность более 1000 км, также как и размер источника вдоль магнитного поля. Ширина границ, разделяющих плазму источника и фоновую плазму, меньше или порядка характерной длины радиоизлучения. Энергия электронов в области источника порядка нескольких Кэв, при этом энергия поперечного движения существенно превышает энергию, обусловленную движением электронов вдоль магнитного поля.

На основе экспериментальных данных, полученных за последнее десятилетие, развита волноводная модель генерации АКР, позволяющая впервые адекватно объяснить ряд характерных особенностей присущих наблюдаемому излучению. Исследовано

развитие электронной циклотронной мазерной неустойчивости в областях плазмы конечной протяженности. Получено общее дисперсионное уравнение для волн, распространяющихся в произвольном направлении. Показано, что волны, распространяющиеся по касательной к границе источника в плоскости перпендикулярной к магнитному полю, имеют максимальные инкременты и, следовательно, вносят определяющий вклад в формирование спектра АКР. Действительно, данные наблюдений на космических аппаратах VIKING и FAST показывают, что АКР излучается, преимущественно, по касательной к широтной границе источника. Построены собственные волноводные моды и обнаружено, что, в общем случае, структура электромагнитного поля внутри источника имеет асимметричный вид, а отношение компонент электрического поля является координатно-зависимой величиной, причем компонента электрического поля, направленная перпендикулярно к границе источника, может значительно превосходить компоненту, направленную вдоль границы. Эти результаты дают объяснение данным поляризационных наблюдений на спутнике FAST.

 

-Т.М. Буринская, Ж.Л. Рош, Волноводный режим циклотронной мазерной неустойчивости в областях плазмы с пониженной плотностью, Физика плазмы, т. 33(1), стр. 28-37, 2007

- Burinskaya T.M., and J. L. Rauch, Thin plasma cavities as a source of the auroral kilometric radiation, Planetary Radio Emissions VI, editors: Rucker H.O., Kurth W.S. and G. Mann, VERLAG DER, p. 241-248, 2006

 

Т. М. Буринская, к.ф.-м.н., (tburinsk@iki.rssi.ru, тел. 333-45-34)

 

12. Тепловая структура плазмосферы при 0 - 24 MLT и ее динамика во время геомагнитных бурь по данным эксперимента Альфа-3/Авроральный зонд

 

Исследована тепловая структура плазмосферы и ее динамика, связанная с магнитными бурями, в различных секторах местного времени.

Дневной сектор - (~16 - ~06)MLT. Типичный пример распределения температуры ионов в этом секторе плазмосферы представлен на рис.1. Величины температур ионов в этом секторе на 2<L~ 4 составляют ~4500K <T<~6000K, практически не зависят от L-параметра и весьма устойчивы к изменению уровня геомагнитной возмущенности.

Ночной сектор -(~18- ~05)MLT. Распределение температуры в этом секторе соответствует T~L^α , где α может принимать значения от 0.5 до 2. Распределения T(L) в рассматриваемом секторе (за исключением узкого полуночного сектора (22 -02) MLT) также, как и распределения T(L) в дневном секторе слабо зависят от уровня геомагнитной активности.

 

Рис.1. Слева - Ионная температура в дневном секторе плазмосферы до (синие точки) и во время 2-х магнитных бурь (красные точки). Справа - геомагнитная обстановка во время измерения температуры. Синяя полоса отмечает спокойный период, в течение которого были измерены 'синие' температуры, 'красные' температуры измерены в течение возмущенного периода, отмеченного красной полосой.

 

Полуночный сектор (22 - 02)MLT. В узком ночном секторе 23 - 02 MLT, также как и в более широком ночном секторе наблюдается рост температура ионов с ростом L-параметра. Полуночный сектор отличается от дневного и ночного секторов плазмосферы тем, что, как было впервые обнаружено на Авроральном зонде, температура ионов в этом секторе резко понижается в процессе развития геомагнитных бурь (см. рис. 2).

 

Рис.2. Ионные температуры в полуночном секторе плазмосферы, измеренные 9 - 11.09.1996 до (синие точки) и после магнитной бури (красные точки). Хорошо видно, что после начала бури величины температур существенно падают.

 

Резкое падение температуры во время геомагнитных бурь, по-видимому, является результатом развития цепочки процессов, происходящих в магнитосфере во время магнитной бури:

ћ                 рост крупномасштабного электрического поля "утро-вечер" после начала магнитной бури;

ћ                 выход холодной плазмы из ночного сектора плазмосферы в хвост магнитосферы в результате ЕхВ дрейфа после увеличения электрического поля и связанное с этим частичное опустошение силовых трубок в полуночном секторе;

ћ                 заполнение опустошенных силовых трубок низкотемпературной плазмой из ионосферы.

Обнаруженное по данным Аврорального зонда во время магнитной бури падение температуры свидетельствует о том, что в ночные часы, во время магнитной бури происходит перестройка системы обменных потоков плазмы между плазмосферой и ионосферой: поток холодной плазмы, который в спокойных условиях ночью направлен из плазмосферы в ионосферу, во время магнитной бури меняет направление на обратное, в результате чего силовые трубки полуночного сектора заполняются более холодной ионосферной плазмой.

 

- Безруких В.В., Котова Г.А., Веригин М.И., Шмилауер Я., Тепловая структура дневной плазмосферы по данным Хвостового и Аврорального зондов и спутника Магион-5. Космич. исслед., 44, 428-437, 2006.

- В.В. Безруких, Г.А. Котова, М.И. Веригин, Я. Шмилауер Ю.И. Венедиктов, Н.А.Барабанов. Температура холодных ионов в ночном секторе плазмосферы Земли, Труды 6-ой украинской конференции по космическим следованиям (в печати), 2006.

 

Безруких В.В., к.ф.-м.н. (vbez@romance.iki.rssi.ru, 333-20-11)

 

13. Сопоставление температуры ионов в плазмосфере Земли с температурой электронов в верхней ионосфере.

 

Данные измерений холодной плазмы в 1996 г. на спутнике ИНТЕРБОЛ-2 Авроральный с помощью эксперимента Альфа-3 и в 1999-2001 гг. на спутнике МАГИОН-5 (субспутник космического аппарата ИНТЕРБОЛ-2) с помощью российско-чешского эксперимента КМ-7С сопоставлялись с данными прибора SSIES спутников серии DMSP (DMSP - 12,13,15), работавших в верхней ионосфере на высоте ~ 830 км.

Сравнение проводилось для спокойных геомагнитных условий (K_p < 2) вдоль силовых линий магнитного поля Земли. При сравнении выбирались данные спутников DMSP, полученные на той же инвариантной широте, что и данные спутника МАГИОН-5; разница по магнитному локальному времени (MLT) в измерениях, выполненных на МАГИОНе-5 и спутнике DMSP, не превышала 2-х часов (в основном была меньше 1 часа); максимальная разница по времени UT между измерениями составляла 50 мин.; не делалось различия между южным и северным полушариями.

Обнаружены следующие особенности тепловой структуры плазмосферы при спокойных геомагнитных условиях:

Во внутренней плазмосфере при L = 2.5 ÷ 2.8 температура протонов близка к температуре электронов в верхней ионосфере во всех секторах местного времени, кроме вечернего. Только в этом временном секторе температура ионов в плазмосфере превышает температуру электронов в ионосфере более чем на 20% (рис.1). При L = 3 температура ионов в плазмосфере при любом местном времени превышает температуру электронов верхней ионосферы (в среднем на ~ 50%).

Рис.1 На левой и правой панелях черные и синие точки, соответственно, показывают отношение температуры ионов в плазмосфере (L = 2.5 ÷ 2.8) к температуре электронов в ионосфере, усредненное за час местного времени. Фиолетовые точки показывают число рассмотренных измерений в данном диапазоне местного времени (правая шкала). Учитылось одно измерение ионной температуры за один пролет спутника через плазмосферу.

 

Выявленные особенности тепловой структуры плазмосферы не вполне соответствуют имеющимся теоретическим моделям и требуют анализа.

 

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ - 04-02-16666а.

 

- Kotova G., Bezrukikh V., Verigin M., Smilauer J., Ion temperature dynamics in the plasmasphere from Interball measurements during minimum and maximum phases of solar cycle, International Symposium on Recent Observations and Simulations of the Sun-Earth System (ISROSES), Varna, September 17-22, 2006, Programme & Abstracts, p. 62.

- Kotova, G.; Bezrukikh, V.; Verigin, M.; Smilauer, J. Temperature dynamics in the night-time plasmasphere from INTERBALL measurements, talk D3.4-0010-06 in: COSPAR Scientific Assembly 2006 Abstracts: The 36-th COSPAR Scientific Assembly, Beijing, China, July 16-26, 2006, ISSN 1815-2619.

- Г.А. Котова, Плазмосфера Земли. Современное состояние исследований, принято в журнал 'Геомагнетизм и Аэрономия', 2006.

 

Котова Галина Аврамовна, к.ф.-м.н., (kotova@iki.rssi.ru, 333-32-89)

 

V. Ионосфера и атмосфера Земли

 

14. Исследования верхней ионосферы Земли

 

На примере данных, полученных на спутнике ИНТЕРКОСМОС - Болгария-1300, предложен и обоснован механизм возникновения в вечерней низкоширотной ионосфере на высотах ~ 800 - 1000 км неоднородностей плотности плазмы в широком диапазоне размеров - от нескольких десятков метров до нескольких сотен километров. Отсутствие вариаций горизонтального электрического поля (Ex, Ey) при одновременном наличии вариаций вертикального поля Ez (рис.1) свидетельствует о роли вертикальных потоков ионов в возникновении таких неоднородностей. Эти неоднородности могут оказывать влияние на проводимость плазмы и токовые системы Sq, Lq. Благодаря этим явлениям, на высотах ~ 800 - 1000 км в вечерней низкоширотной ионосфере возникают неоднородности плотности плазмы в широком диапазоне размеров - от нескольких десятков или сотен метров до нескольких сотен километров.

 

- Гдалевич Г.Л., Озеров В.Д., Банков Н., Чапканов С., Тодориева Л., Источники возмущений плазмы послезакатной низкоширотной внешней ионосферы по данным спутника ИНТЕРКОСМОС - Болгария-1300, Геомагнетизм и аэрономия, Т. 46, ? 4, C. 514 - 520, 2006.

- Гдалевич Г.Л., Ижовкина Н.И., Озеров В.Д., Банков Н., Чапканов С., Тодориева Л. Плазменные неоднородности в неустойчивой внешней ионосфере по данным спутника ИНТЕРКОСМОС - Болгария-1300, Космические исследования, Т. 44, ? 5, C. 438 - 443, 2006.

- Озеров В.Д. Цепной процесс автогенерации неустойчивости композиционного равновесия плазмы в плазмосфере. Направлена в журнал 'Космические исследования' 2006.

 

Гдалевич Геннадий Лазаревич, д.ф.-м.н.( тел. 333-52-55, e-mail: ggdalevi@iki.rssi.ru )

Озеров Владимир Дмитриевич, к.ф.-м.н., (тел. 333-52-55, e-mail: vozerov@iki.rssi.ru )

 

15. Распространение нелинейных волн в неравновесно излучающей космической плазме.

 

Исследовано распространение акустических волн конечной амплитуды в газопылевой среде, находящейся в поле внешнего излучения. В достаточно общей постановке сформулированы критерии роста (усиления) возмущений, определен закон изменения амплитуды волны от источника возмущения.

Показано, что присутствие в земной атмосфере пылевой компоненты, поглощающей ультрафиолетовое излучение Солнца в диапазоне длин волн 1000-3000 Å может приводить к развитию тепловой неустойчивости. Механизм неустойчивости обусловлен эффектом термостатирования вещества пылинок, то есть слабой зависимостью температуры пыли от свойств движения среды. Для пылинок с характерным размером порядка 10^-5 см среда становится термически неустойчивой на высотах ~ 120 км. Путем численного моделирования определена эволюция начальных возмущений и обнаружено явление самопроизвольного возникновения последовательности волн конечной амплитуды.

Результаты численного моделирования показывают, что присутствие в верхней атмосфере термически неустойчивой области способно уменьшать затухание возмущений, генерируемых в нижних слоях атмосферы, создавая тем самым более благоприятные условия для исследования метеорологических и сейсмических явлений, проблем загрязнения атмосферы.

 

- Краснобаев К.В. - Генерация последовательности ударных волн в термически неустойчивой газо-пылевой среде. Тезисы докладов Шестой Международной школы-семинара 'Модели и методы аэродинамики'. 2006. Евпатория.

- Краснобаев К.В. - Моделирование распространения нелинейных акустических волн в нагреваемой солнечным излучением атмосфере. Тезисы докладов Всероссийской конференции 'Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса'. 2006. Москва.

 

д.ф.м.н. Краснобаев К.В., лаб. 534, 3333012, kvk-kras@list.ru

 

VI. Планеты и гелиосфера

 

16. Анализ результатов магнитных и плазменных измерений на спутнике Марс 3

 

В результате заново проведенного анализа результатов магнитных и плазменных измерений на спутнике Марс 3 в солнечном ветре, магнитошите и магнитосфере планеты показано, что магнитное поле неоднородно намагниченной коры впервые наблюдалось в 1972 г., за 25 лет до того как оно было детально исследовано с помощью спутника MGS.

21 января 1972 г. Марс 3 обнаружил область с регулярным и сильным магнитным полем на высоте ~ 1500 км над планетой. Эти измерения первоначально интерпретировались как свидетельство собственного дипольного поля Марса (Долгинов и др. 1972). Позже Рассел (1978) пришел к выводу, что наблюдавшееся поле является ММП, сжатым в магнитошите и обволакивающим планету. Анализ этих же и последующих (Марс 5) наблюдений околопланетной плазмы и магнитного поля не позволил Славину и Холцеру (1982) согласиться с таким выводом; по их мнению 'Марс обладает небольшой магнитосферой, созданной внутренними источниками поля'. Последующие измерения на спутниках Фобос 2, MGS, MEX обнаружили много уникальных особенностей магнитосферы этой планеты, и выявили значительную роль в ее образовании сильно и неоднородно намагниченной коры (Акунья и др., 1998).

Сопоставление полученной на MGS карты намагниченности марсианской коры с результатами измерений магнитного поля на Марсе 3 показало, что сильное и регулярное поле было измерено этим спутником точно над расположенной в южном полушарии наиболее сильно намагниченной областью марсианской коры (см. рисунок 1).

Кроме того, измеренное на Марсе 3 давление магнитного поля в марсианской магнитосфере оказалось вполне достаточным, чтобы сбалансировать динамическое давление солнечного ветра, а направление магнитного поля, измеренного Марсом 3 на высоте ~ 1500 км, вполне соответствовало направлению усредненного, более мелкомасштабного поля, наблюдавшегося MGS на высоте ~ 400 км.

 

- M. Verigin, J. Slavin, Mission MARS 3, January 1972: The first observation of Martian crustal magnetization?, in EPSC #1, Europlanetary Science Congress 2006, Abstracts, EPSC2006-A-00385, Berlin, Germany, 18-22 September 2006.

- Verigin M.I., M. Tátrallyay, G. Erdős, and G.A. Kotova, Magnetosheath - Interplanetary Medium Reference Frame: Application for a Statistical Study of Mirror Type Waves in the Terrestrial Plasma Environment, Adv. Space Res., 37, 515-521, 2006.

 

Веригин Михаил Иванович, д.ф.-м.н., тел. 333-32-33, e-mail: verigin@iki.rssi.ru.

 

17. Многокомпонентная кинетико-континуальная модель взаимодействия солнечного ветра с межзвездной средой с учетом 'неравновесности' захваченных протонов

 

Впервые создана уникальная многокомпонентная модель взаимодействия солнечного ветра со сверхзвуковым потоком частично ионизованной водородной плазмы локальной межзвездной среды. Эта модель учитывает неравновесность 'захваченных' протонов солнечного ветра, образованных ионизацией атомов Н, проникающих из межзвездной среды. При этом 'захваченные' протоны имеют температуру, существенно превосходящую температуру первичных солнечных протонов. Новая модель является естественным обобщением известной кинетико-континуальной модели Баранова и Маламы (1993), в которой предполагалась мгновенная релаксация 'захваченных' протонов и первичных протонов солнечного ветра. В новой модели не только атомы водорода, но и 'захваченные' протоны описываются в рамках кинетической теории.

В рамках новой модели показано: (1) в головной области течения термодинамическая неравновесность приводит к уменьшению толщины внутреннего интерфейса (за счет увеличения гелиоцентрического расстояния до гелиосферной ударной волны на 5 а.е. и уменьшения расстояния до гелиопаузы на 12 а.е.); (2) в хвостовой части расстояние до гелиосферной ударной волны существенно увеличивается (на 70 а.е.); (3) неравновесность приводит к меньшим потокам атомов Н с энергией < 1кэв и к большим потокам этих атомов с энергией > 1кэв.

Построение многокомпонентной модели позволяет более точно интерпретировать результаты измерений, получаемых при помощи космических аппаратов, и имеют важное значение при планировании американского проекта IBEX и российского проекта 'Нейтрал' по измерению потоков энергичных атомов водорода из внутреннего интерфейса при помощи специализированных спутников.

 

- Malama Yu. G., Izmodenov V.V., Chalov S.V., Modeling of the heliospheric interface: multi-component nature of the heliospheric plasma, Astron. Astrophys., v. 445, p. 693, 2006.

 

к.ф.м.н. Измоденов В.В., к.ф.м.н. Малама Ю.Г., 333-30-12, izmod@iki.rssi.ru

 

18. Исследование влияния межзвездного магнитного поля на структуру границы гелиосферы

 

Одним из мало известных параметров локальной межзвездной среды в окрестности Солнца является межзвездное магнитное поле. Недавние измерения рассеянного солнечного Лайман-альфа излучения на космическом аппарате SOHO (прибор SWAN) показали, что внутри гелиосферы (на расстояниях ~5-10 а.е.) направление движения межзвездных атомов водорода отклоняется от направления движения локальной межзвездной среды примерно на 4 градуса (Lallement et al., Science, 307, 1447, 2005). Наиболее вероятно, что природа этого отклонения связана с влиянием межзвездного магнитного поля на структуру гелиосферного интерфейса - области взаимодействия солнечного ветра с локальной межзвездной средой (Izmodenov et al., 37, L35-L38, 2005). В этом случае определение величины и направления магнитного поля возможно с помощью 3D кинетико-МГД модели гелиосферного интерфейса. Такая модель была создана (Izmodenov et al., 37, L35-L38, 2005) и на основе этой модели проводились параметрические расчеты для разных направлений и величин межзвездного магнитного поля. Показано, что магнитное поле влияет на положение и асимметрию гелиосферной ударной волны в направлениях движения космических аппаратов Вояджер 1 и Вояджер 2. Учитывая, что Вояджер 1 пересек гелиосферную ударную волну на расстоянии 94 а.е. в декабре 2004 г., при пересечении гелиосферной ударной волны космическим аппаратом Вояджер 2 можно будет судить о величине и направлении межзвездного магнитного поля.

 

Было также проведено исследование возможного влияния трехмерных эффектов, связанных с неоднородностью солнечного ветра и с межпланетным магнитным полем, на степень отклонения межзвездных атомов в гелиосферном интерфейсе. Для этого были проведены специальные расчеты с фиксированной, но сильно искаженной поверхностью гелиопаузы. Показано, что даже при нереалистично сильном искажении гелиосферной ударной волны (см. рис.) отклонение направления движения нейтральных атомов внутри гелиосферы существенно меньше, чем отклонение, обусловленное межзвездным магнитным полем. Это связано с тем, что при МГД обтекании гелиопаузы линии тока межзвездной плазмы искажаются больше, чем в случае гидродинамического обтекания (см. рис).

 

- Izmodenov, V.V., and D.B. Alexashov, Multi-component 3D modeling of the heliospheric interface: effects of interstellar magnetic field, AIP Conf. Proc., Vol. 858, pp.14-19, 2006.

 

к.ф.м.н. Измоденов В.В., к.ф.м.н. Алексашов Д. Б., лаб. 534, 3333012, izmod@iki.rssi.ru

 

19. Интерпретация данных по рассеянному солнечному Лайман-альфа излучению полученных на космических аппаратах Вояджер 1, Вояджер 2 и Пионер 10 на основе кинетико-континуальной модели гелиосферного интерфейса

 

Данные по рассеянному (на межзвездных атомах водорода) солнечному излучению во внешней гелиосфере, полученные на космических аппаратах Вояджер 1, Вояджер 2 и Пионер 10 позволяют получить уникальную информацию о структуре гелиосферного интерфейса, а также информацию о параметрах невозмущенной локальной межзвездной среды. В настоящем исследовании интерпретация экспериментальных данных проводилась на основе двумерной кинетико-континуальной модели гелиосферного интерфейса, а также модели переноса излучения с учетом многократного рассеяния. В результате исследования было показано, что известная проблема разницы в 4.4 раза в калибровке приборов на космических аппаратах Вояджер 2 и Пионер 10 может быть разрешена при использовании теоретической модели. При этом данные с обоих космических аппаратов должны быть скорректированы примерно в 2 раза. Полученные результаты показывают, что предыдущий анализ данных Вояджера 2 в окрестности Юпитера должны быть пересмотрены.

Данные, полученные космическим аппаратом Вояджер 1, полученные на расстоянии 39.1 а.е. (в середине 1989) в направлении к набегающему потоку межзвездной среды сравнивались с данными космического аппарата Вояджер 2, полученными на расстоянии 32 а.е. (в середине 1990), а также с данными Пионера 10, полученными на расстояниях от 23.39 до 23.87 а.е в 1981 году в хвостовой части гелиосферы. В результате анализа было получено, что данные экспериментов на космических аппаратах Вояджер 1 и 2 лучше всего соответствуют модели с концентрациями плазмы и атомов в межзвездной среде равными 0.06 см^-3 и 0.18 см^-3, соответственно. Данные космического аппарата Пионер 10 наилучшим образом соответствуют результатам модели с концентрациями 0.05 см^-3 и 0.15 см^-3, соответственно. Возможные расхождения в параметрах связаны с влиянием 11-летнего солнечного цикла, а также с трехмерными эффектами, связанными с межзвездным магнитным полем.

 

Gangopadhyay, P., V. V. Izmodenov, M. Gruntman , and D. L. Judge, Voyager 1, Voyager 2 and Pioneer 10 Lyman-alpha data and their interpretation, The Astrophysical Journal, V. 637, Issue 2, pp. 786-790, 2006.

 

к.ф.м.н. Измоденов В.В., лаб. 534, 3333012, izmod@iki.rssi.ru

 

20. Поглощение звездного лайман-альфа излучения на границе гелиосферы

 

Исследовался вопрос об определении свойств энергичных нейтральных атомов водорода, рождающихся в области между гелиосферной ударной волной и гелиопаузой, посредством анализа спектров поглощения в линии лайман-альфа в направлении ближних звезд. На основе многокомпонентной модели взаимодействия солнечного ветра с локальной межзвездной средой (Malama et al., Astron. Astrophys., v. 445, p. 693, 2006) рассчитывались спектры поглощения как в области водородной стенки, так и в области внутреннего гелиошиса (между гелиосферной ударной волной и гелиопаузой) . Полученные таким образом спектры сравнивались со спектрами, измеренными на Hubble Space Telescope (HST) в направлении 20 ближних звезд. С целью обнаружения поглощения в области внутреннего гелиошиса нами был проведен анализ звездных спектров в линии лайман-альфа, реконструированных после учета межзвездного поглощения. Как и ожидалось, большинство спектров хорошо центрировано относительно радиальной скорости звезды. Однако, в трех направлениях луча зрения (в направлениях звезд χ1 Ori, HD 28205, and HD 28568) наблюдается синее смещение. Все три направления, для которых наблюдается смещение, проходят через хвостовую часть гелиосферного интерфейса. Впервые было показано, что наблюдаемое синее смещение в спектрах поглощения обусловлено поглощением в области внутреннего гелиошиса, которое максимально именно в хвостовой области. Было показано, что спектры поглощения, полученные в рамках многокомпонентной модели, лучше соответствуют наблюдаемым спектрам, чем спектры, вычисленные в рамках модели Баранова-Маламы. Нами также были проанализированы результаты измерений потоков энергичных атомов (непланетного происхождения) на космическом аппарате Марс Экспресс (прибор ASPERA-3). Показано, что измеряемые потоки слишком высоки, чтобы быть согласованными с измеряемыми (на HST) спектрами поглощения. Таким образом, скорее всего наблюдаемые на Марс Экспресс энергичные атомы не являются атомами, рожденными в области между гелиосферной ударной волной и гелиопаузой.

 

Wood, B.E., Izmodenov V.V., Linsky J.-L., Malama, Y.G., Lyman-alpha absorption from heliosheath neutrals, Ap.J., 2006, принята в печать.

Wood, В.Е., V.V. Izmodenov, and N. V. Pogorelov, Absorption signatures of the heliosphere, AIP Conf. Proc., Vol. 858, pp. 335-340, 2006.

 

к.ф.м.н. Измоденов В.В., лаб. 534, 3333012, izmod@iki.rssi.ru

 

21. Рентгеновское и ультрафиолетовое излучение гелиосферного происхождения: сравнение результатов теоретической модели с данными экспериментов.

 

Разработана (совместно с французскими и польскими коллегами) модель и проведен детальный численный расчет излучения (в рентгеновском и ультрафиолетовом (УФ) диапазонах), которое образуется в гелиосфере и гелиосферном интерфейсе вследствие процессов перезарядки ионов тяжелых элементов солнечного ветра на межзвездных нейтральных атомах, проникающих внутрь гелиосферы через область гелиосферного интерфейса. (Расчеты интенсивности излучения проводились для следующих ионов C6+ (0.37, 0.44, 0.46), C5+ (0.3, 0.35, 0.37), N7+ (0.25, 0.5, 0.6, 0.62, 0.64), N6+ (0.42, 0.43, 0.5), N5+ (0.05, 0.059, 0.065) O8+ (0.33, 0.65, 0.77, 0.82, 0.84), O7+ (0.561, 0.569, 0.574), O6+ (0.072, 0.083, 0.094, 0.107) Ne9+ (0.905, 0.915, 0.922), Ne8+ (0.126, 0.141, 0.187), Mg11+(1.33, 1.34, 1.35, 1.37), Mg10+ (0.28, 0.29, 0.3, 0.31). В скобках указаны спектральные линии (в кэВ), которые получаются при перезарядке соответствующего иона, участвующего в процессе перезарядки. Расчет интенсивности излучения в гелиосфере и в гелиосферном интерфейсе состоит из четырех этапов (все из этапов были реализованы в ходе работы над проектом):

1. Вычисление распределения атомов водорода и гелия внутри гелиосферы, а также в области гелиосферного интерфейса;

2. Расчет распределений ионов солнечного ветра внутри гелиосферы и в области интерфейса;

3. Расчет распределения объемного излучения выделяемого в гелиосфере и гелиосферном интерфейсе за счет процессов перезарядки;

4. Расчет интенсивности излучения вдоль луча зрения и получения глобальных карт гелиосферного излучения.

 

Вычисленные интенсивности и их временные изменения сравнивались с данными XMM. Было показано, что модель достаточно хорошо воспроизводит данные XMM как по интенсивности рентгеновского излучения, так и по их временным изменениям.
Также было проведено сравнение интенсивностей рентгеновского излучения, вычисленных внутри гелиосферы (до гелиосферной ударной волны) и в области внутреннего гелиошиса. Вклад гелиосферного интерфейса достаточно мал: ~1-3 % для направления к набегающему потоку межзвездной среды (UW), и ~2-7 % для направления перпендикулярного к набегающему потоку межзвездной среды (CW). Однако, как и ожидалось, вклад гелиосферного интерфейса является существенным в хвостовой области (DW). Вклад гелиосферного интерфейса обратно пропорционален величине сечения перезарядки. Действительно, чем меньше сечение перезарядки, тем больше ионов достигают интерфейса не будучи перезаряженными в области сверхзвукового солнечного ветра.

Наибольший относительный вклад гелиосферный интерфейс вносит в излучения для иона С5+ по перезарядке с атомом водорода и составляет ~38 % в хвостовой области интерфейса. Если учесть перезарядку на атомах гелия, то вклад гелиошиса составляет ~5%.

 

- Grzedzielski, S., M. Wachowicz, M. Bzowski, and V. Izmodenov, Solar ions in the heliosheath: A possible new source of heavy neutral atoms, AIP Conf. Proc., Vol. 858, pp. 257-262, 2006.

- Koutroumpa, D., R. Lallement, V. Kharchenko, A. Dalgarno, R. Pepino, V. Izmodenov, and E. Quémerais, Charge-transfer induced EUV and soft X-ray emissions in the heliosphere, A&A 460, 289-300, 2006

 

к.ф.м.н. Измоденов В.В., лаб. 534, 3333012, izmod@iki.rssi.ru

 

22. Взаимодействие ударных и ионизационных фронтов с неоднородной межзвездной средой.

 

Аналитически и численно исследовано распространение ионизационно-ударного фронта в неоднородной межзвездной среде. Установлены эффекты резонансного усиления возмущений комплекса разрывов под влиянием акустических волн, вариаций потока внешнего излучения и поглощения квантов полностью ионизованной плазмой. Приняты во внимание разность скоростей фронтов и процессы высвечивания газа за ударным фронтом.

Найдено, что максимальный коэффициент усиления отвечает акустическим возмущениям, распространяющимся с наибольшей фазовой скоростью. Отставание фронта ионизации от ударной волны ослабляет эффект акустического резонанса. Однако радиационное охлаждение дестабилизирует ударный фронт и тем самым компенсирует уменьшение коэффициента усиления, приводя к существенному периодическому по времени возрастанию амплитуды колебаний положения разрывов. Учет поглощения, стабилизируя фронт ионизации и тем самым создавая более благоприятные условия для отражения волн, приводит к еще большему смещению фронтов, чем в оптически прозрачной среде.

Полученные результаты согласуются с наблюдательными данными и свидетельствуют о существенном вкладе исследовавшихся явлений в возникновение нерегулярной структуры межзвездной среды.

 

- Котова Г.Ю., Краснобаев К.В., Тагирова Р.Р., Сравнительный анализ механизмов резонансного усиления возмущений ионизационно-ударного фронта. Тезисы докладов научной конференции 'Ломоносовские чтения'. Секция механики. 2006. Москва.

- Краснобаев К.В., Неустойчивые движения газа в поле внешнего излучения. Тезисы докладов Международной конференции 'НЕЗАТЕГИУС- 2006'. Москва.2006.

 

д.ф.м.н. Краснобаев К.В., лаб. 534, 3333012, kvk-kras@list.ru

 

23. Обтекание источников излучения потоками космической плазмы.

 

Выполнено численное моделирование осесимметричного неустановившегося обтекания рентгеновского источника неоднородным звездным ветром. Неоднородность параметров потока считалась обусловленной присутствием в нем звуковых иэнтропийных возмущений. В расчетах амплитуда и характерный масштаб неоднородностей варьировались в достаточно широких пределах. В результате определены вызываемые возмущениями изменения со временем темпа аккреции и светимости рентгеновского источника, а также связь этих изменений с характеристиками звездного ветра.

 

Krasnobaev K.V. - Luminosity response of an X-ray source on variations of the stellar wind parameters. The 6^th INTEGRAL Workshop 'The Obscured Universe'.

2006. Moscow.

 

д.ф.м.н. Краснобаев К.В., лаб. 534, 3333012, kvk-kras@list.ru

 

VII. Теоретические исследования

 

24. Разработка методов расчета самосогласованных электромагнитных полей и параметров бесстолкновительной плазмы при локальных и волновых возмущениях

 

1А. Разработан метод описания динамики заряженных частиц в суперпозиции локализованного электрического и однородного магнитного полей. С помощью теории адиабатических инвариантов неинтегрируемые уравнения движения сведены к приближенным интегрируемым.

1Б. Решена самосогласованная задача о серфинге электронов в поле электростатической волн распространяющихся поперек слабого магнитного поля в бесстолкновительной плазме.

2А. Развитая техника решения уравнений движения заряженных частиц применима к широкому классу азимутально симметричных задач о локализованных возмущениях в бесстолкновительной плазме таких, как электростатические уединенные волны или возмущениях возникающих около поглощающего частицы тела.

2Б. В рамках кинетической теории исследованы плазменные волны конечной амплитуды, распространяющиеся перпендикулярно слабому магнитному полю. В частности, рассмотрен процесс затухания волны 'нагруженной' захваченными электронами в результате (серфинга) ускорения электронов вдоль волнового фронта. Показано, что для самосогласованного описания взаимодействия волна-частица наряду с законами сохранения необходимо использовать нелинейное дисперсионное соотношение учитывающее вклад захваченных частиц и соответствующий нелинейный сдвиг частоты волны.

 

- V. L. Krasovsky, H. Matsumoto and Y. Omura, Condition for charged particle trapping in a three-dimensional electrostatic potential well in the presence of a magnetic field, Physica Scripta, 74, 227-231 (2006).

- V. L. Krasovsky, R. Z. Sagdeev and L. M. Zeleniy, Plasma wave frequency shift in a weak magnetic field due to trapped particle acceleration, Physics Letters A, 355, 129-133 (2006).

- V. L. Krasovsky, R. Z. Sagdeev and L. M. Zeleniy, Wave-trapped particle interaction in a weak transverse magnetic field, Physics Letters A, (in press, online Sept. 7, 2006).

- V. L. Krasovsky, Steady nonlinear electrostatic plasma wave in a weak transverse magnetic field, Journal of Plasma Physics (in press, online May 5, 2006).

 

Красовский Виктор Львович, к.ф.-м.н. (vkrasov@mx.iki.rssi.ru, 333-41-67)

 

25. Исследование островов устойчивости в области переходов через сепаратрису в гамильтоновых системах с быстрыми и медленными движениями.

 

Рассмотрена натуральная гамильтонова система с двумя степенями свободы, одна из которых соответствует быстрым движениям, а другая - медленным. При замороженных значениях медленных переменных на фазовом портрете быстрых переменных имеются сепаратрисы. В ходе эволюции медленных переменных сепаратрисы медленно (со скоростью порядка ε) движутся и фазовые траектории могут их пересекать. Многократные переходы через сепаратрису приводят к возникновению хаотической динамики в соответствующей области фазового пространства системы. При дополнительных условиях симметрии доказано, что в этой области на каждом уровне энергии существует много, порядка 1/ε, устойчивых периодических траекторий системы, каждая из которых окружена островом устойчивости меры порядка ε. Таким образом, суммарная мера областей устойчивости есть величина порядка 1. Получены асимптотические выражения для числа и расположения устойчивых периодических траекторий. Результаты использованы для описания устойчивых периодических и квазипериодических траекторий заряженных частиц в параболической модели хвоста магнитосферы Земли. Проведено обширное численное исследование, результаты которого подтверждают теорию.

 

- V.I.Arnold, V.V.Kozlov, А. I. Neishtadt, Mathematical Aspects of Classical and Celestial Mechanics, Encyclopaedia of Mathematical Sciences 3, 3rd edition, Springer-Verlag, 2006.

- А. I. Neishtadt, А. A.Vasiliev, Destruction of adiabatic invariance at resonances in slow-fast Hamiltonian systems. Nuclear Instruments & Methods in Physics Research, v. A 561, 158-165, 2006.

 

А.И.Нейштадт (руководитель), д.ф.-м.н., т. 333-51-45, e-mail: aneishta@iki.rssi.ru

А.А.Васильев, к.ф.-м.н., т. 333-53-46, e-mail: valex@iki.rssi.ru

 

26. Точно решаемые модели параметрического взаимодействия волн в космической плазме.

 

На модели линейного осциллятора с модулированной частотой рассмотрена динамика развития параметрической неустойчивости на основном резонансе в зависимости от типа функции, описывающей модуляцию частоты осциллятора. Точное решение для колебаний осциллятора представлено в аналитической форме (с некоторой произвольной функцией) и далее путем численных расчетов данного решения получены временной профиль инкремента неустойчивости, коэффициент усиления амплитуды колебаний, порог насыщения неустойчивости при переменной глубине модуляции и другие характеристики в зависимости от типа спектра функции модуляции, фазовых соотношений между гармониками этой функции. Принципиально то, что в решение входит произвольная функция, позволяющая существенно менять сценарий генерации колебаний.

Показана возможность управления временной динамикой развития параметрической неустой-чивости путем соответствующего выбора функции модуляции частоты осциллятора. Рассмотрена динамика линейной стадии развития параметрической неустойчивости при включении в функцию модуляции квадрата частоты осциллятора помимо регулярной части также и случайной компоненты. Полученные результаты могут представлять интерес для радиофизики, исследований по управляемому термоядерному синтезу, в анализе нелинейных волновых процессов в космической плазме, астрофизике и в биофизике, а также в планетных исследованиях и при изучении стохастических резонансов.

Выполнено в рамках программы П-13 Президиума РАН 'Математические методы в нелинейной динамике', проект 5.11. ²Генерация потоков быстрых заряженных частиц когерентными волновыми структурами, нелинейная нестационарная динамика вихревых когерентных структур в пограничных слоях атмосферы²

 

- Ерохин Н.С., Михайловская Л.А., Ерохин Н.Н. Точные решения для параметрического взаимо-действия волн в космической плазме. - Сборник научных трудов ²Научная сессия МИФИ-2006², Москва, МИФИ, т.7, с. 38-39, 2006.

- Erokhin N.N., Erokhin N.S., Damgov V.N. The paramertic instability of oscillator in the case of complex modulation. The exact solution model. - SENS'2006 (Space, Ecology, Nanotechnology, Safety). Book of Abstracts, Space Research Institute - Bulgarian Academy of Sciences, Sofia, p.26, 2006.

 

Н.С.Ерохин, д.ф.-м.н., тел.333-41-00, e-mail: nerokhin@mx.iki.rssi.ru

 

27. Генерация потоков быстрых частиц электромагнитными волнами в космической плазме.

 

Выполнен анализ механизмов генерации потоков быстрых (сверхтепловых) частиц при взаимодействии зарядов с волнами конечной амплитуды в космической плазме при существенной роли нелинейной динамики частиц в эффективных потенциальных ямах волн. Аналитически и численно рассмотрена динамика захвата и серфотронного ускорения заряженных частиц электромагнитной волной конечной амплитуды, распространяющейся в плазме поперек внешнего магнитного поля, с учетом поперечной компоненты волнового поля. Для фиксированных значений фазовой скорости расчетами определены области параметров задачи (начальные данные частицы, величина внешнего магнитного поля, фаза волны на траектории заряда), в которых происходит захват заряда в режим ультрарелятивистского ускорения. Получена сложная, многосвязная структура этих областей, в частности, может существовать несколько островов захвата частиц в режим сильного ускорения. Данная структура обусловлена сложным профилем эффективного потенциала в нелинейном нестационарном уравнении для фазы волны на траектории ускоряемого заряда. Исследована временная динамика компонент импульса и скорости ускоряемой частицы, получены асимптотики параметров ускорения.

В случае плазмы без внешнего магнитного поля изучено ускорение зарядов пакетом электростатических волн малой, но конечной амплитуды. Определен оптимальный набор параметров волнового пакета, необходимый для реализации каскадного процесса ускорения частиц при выполнении условий основного параметрического резонанса во взаимодействии волна-частица. Процесс ускорения связан с последовательными перескоками частиц из одной потенциальной ямы в другую, движущуюся с большей фазовой скоростью. Рассмотрена зависимость ускорения от распределения фаз мод в волновом пакете. Рассмотренная задача относится к числу актуальных задач физики космической плазмы, в частности, она представляет большой интерес для проблемы генерации космических лучей в астрофизике и для обьяснения возникновения потоков сверхтепловых частиц, наблюдаемых в околоземном пространстве.

 

- N.S.Erokhin, N.N.Zolnikova, P.P.Grinevich, L.A.Mikhailovskaya. Generation of fast particle fluxes by finite amplitude electromagnetic waves in space plasma. // Problems of Atomic Science and Technology, серия ²Плазменная электроника², 2006, No 5, P.152-156.

- Н.С.Ерохин, Е.В.Филонова, Н.Н.Ерохин. Об условиях захвата заряженных частиц в режим неограниченого серфотронного ускорения. - Сборник научных трудов ²Научная сессия МИФИ-2006², Москва, МИФИ, 2006, т.7, с. 36-37.

 

Н.С.Ерохин, д.ф.-м.н., тел.333-41-00, e-mail: nerokhin@mx.iki.rssi.ru

 

28. Исследование применимости метода усреднения и теории адиабатических инвариантов для описания динамики в системах с отражениями.

 

Дано описание динамики в модельной задаче об одномерном движении тяжелой и легкой частиц на бесконечном интервале времени. При исследовании применена адиабатическая теория возмущений для систем с ударами. Получена оценка изменения адиабатического инварианта при переходе от режима движения в гладком потенциале к режиму с соударениями (переход через сепаратрису). По результатам работы подготовлены две статьи, одна из которых опубликована в журнале Regular & Chaotic Dynamics.

 

- I.V. Gorelyshev, On the full number of collisions in certain one-dimensional billiard problems. Regular & Chaotic Dynamics, v.11, no. 1, pp. 61-66, 2006.

 

А.И.Нейштадт (руководитель), д.ф.-м.н., т. 333-51-45, e-mail: aneishta@iki.rssi.ru

И.В.Горелышев, т. 333-53-46, e-mail: igor_gor@iki.rssi.ru

 

29. Исследование резонансных явлений в сохраняющих объем системах.

 

Получены асимптотические формулы, описывающие прохождение через резонансы и захват в резонанс в сохраняющих объем системах. В качестве примера рассмотрен класс кинематических моделей, связанных с течением Тейлора-Куэтта между двумя вращающимися цилиндрами. Работа представлена в журнал Chaos.

 

А.И.Нейштадт (руководитель), д.ф.-м.н., т. 333-51-45, e-mail: aneishta@iki.rssi.ru

Д.Л.Вайнштейн, к.ф.-м.н., т. 333-53-46, e-mail: dvaish@iki.rssi.ru

 

30. Исследование адиабатической динамики Бозе-Энштейновских конденсатов.

 

Рассмотрена динамическая стабилизация Бозе-Эйнштейновских конденсатов посредством модулирования константы рассеяния. Проведен критический анализ всех теоретических методов, примененных ранее в этой задаче. Использован вариационный анализ с применением различных пробных функций для получения улучшенных оценок свойств стабилизированного решения. Исследованы несколько механизмов возникновения вихрей во время разделения спинорных Возе-Эйнштейновских конденсатов в магнитной ловушке. Работа мотивирована недавним экспери-ментом группы W.Ketterle в МТИ [Y. Shin et al., Phys. Rev. A 72, 021604(2005)], где были обнаружены неожиданные структуры в интерференционной картине, сигнализирующие о наличии вихря с зарядом 1 в одном из конденсатов. Группа Кеттерле исключила топологический механизм создания вихря из рассмотрения и сконцент-рировалась на механических возмущениях. Мы, однако, показали что в данной ситуации можно создать вихрь заряда 1 топологически. По результатам работы опубликованы две статьи.

 

- A.P. Itin, T. Morishita, S. Watanabe, Reexamination of dynamical stabilization of matter-wave solitons, Phys. Rev. A 74, 033613, 2006.

- A. P. Itin, T. Morishita, M. Satoh, O.I. Tolstikhin, S. Watanabe, Vortex creation during magnetic trap manipulations of spinor Bose-Einstein condensates, Phys. Rev. A 73, 063615 2006.

 

А.П.Итин, к.ф.-м.н., т. 333-53-46, e-mail: alx_it@yahoo.com 

 

31. Взаимодействие электромагнитных волн с неоднородной киральной плазмой.

 

В рамках линейной теории исследовано взаимодействие электромагнитных волн с неоднородной плазмоподобной киральной средой с учетом возможности плазменного резонанса. За счет киральности среды происходит расщепление спектра электромагнитных волн на медленную и быструю гибридные моды. Рассмотрено взаимное расположение слоев отражения, трансформации и резонанса гибридных мод в зависимости от угла падения волны из вакуума на неоднородную среду и коэффициента киральности. Показано, что вследствие киральности фазовая скорость медленной гибридной моды может стать меньше скорости света в вакууме. При слабой неоднородности получены соотношения между компонентами волновых полей вдоль трассы распространения гибридных мод колебаний. Исследован характер особенности волновых полей в слое плазменного резонанса. Показано, что медленная мода при малых углах падения может распространяться в закритическую плазму. Точка трансформации мод всегда расположена в закритической плазме. Получены асимптотики полей в резонансном слое. Показано, что в области плазменного резонанса поле медленной моды вполне регулярно. Эта мода распространяется через слой резонанса киральной плазмы без отражения, поглощения и трансформации в быструю моду. Для быстрой гибридной моды характер особенности не зависит от коэффициента киральности, но компоненты магнитного поля H_z(x) , H_x(x) в точке резонанса имеют особенность.

 

- Gakh G.V. and Erokhin N.S. The Features of Electromagnetic Waves Propagation and Absorption in the Inhomogeneous Chiral Plasma. - Proceedings 2-nd International Symposium on Unconventional Plasmas (ISUP-06), Eds. by D.K.Callebaut, G.C.Dijkhuis & H.Kikuchi, Eindhoven University of Technology, Eindhoven, the Netherlands, pp.61-68, 2006.

 

Н.С.Ерохин, д.ф.-м.н., тел.333-41-00, e-mail: nerokhin@mx.iki.rssi.ru

 

VIII. Ведущиеся неопубликованные работы и экспериментальные разработки

 

32. Статистика наблюдений тонких дисперсионных структур: их природа и происхождение. Связь со спонтанными разрывами волокон токового слоя хвоста магнитосферы.

 

Тонкие дисперсионные структуры (ТДС) в спектрах энергичных ионов и электронов в авроральных областях были открыты в эксперименте ДОК-2 (Интербол-1 и 2), благодаря высокому энергетическому и временному разрешению нашей аппаратуры. Первые результаты, основанные на детальном изучении нескольких десятков таких структур, были опубликованы в 2000-2005 гг. Т.к. общее число зарегистрированных событий с ТДС составляет около 1000, в 2006 г. была начата работа по статистическому изучению места и времени их наблюдений, зависимости наличия ТДС от состояния магнитосферы Земли и характеристик солнечного ветра.

Особое внимание уделялось неизученным ранее кратким ТДС (<3 мин) на ночной стороне, которые, как оказалось, соответствуют прямому приходу частиц из места ускорения в хвосте. Эта работа позволит проверить наши предположения о том, что ТДС являются результатом инжекции энергичных частиц из хвоста магнитосферы, где в плазменном слое происходит их импульсное ускорение при спонтанных разрывах волокон токового слоя. Частицы ответственные за ТДС могут быть важным источником пополнения популяции энергичных частиц во внешней магнитосфере.

Наиболее важные из полученных результатов:

1. Показано, что ТДС наблюдаются при спокойном состоянии магнитосферы и солнечного ветра (низкие значения DST, Kp, Psw, Bysw, Bzsw).

2. Для длительных ТДС (>3 мин) продолжительность структур для ионов падает, а для электронов растет при изменении MLT спутника утро-день-вечер. Для производной dE/dt при фиксированном значении энергии наблюдается обратная картина. Это подтверждает на гораздо большем статистическом материале утверждение о том, что место ускорения частиц - плазменный слой хвоста.

3. Показано, что наблюдались 2 типа дисперсий: время-пролетная (в кратких ТДС) и градиентно-дрейфовая (в длительных ТДС). Обратная по времени симуляция траектории движения протонов для нескольких кратких ТДС приводила частицы в плазменный слой (см. рис.1).

 

Луценко Вольт Николаевич, к.ф.-м.н. (vlutsenk@iki.rssi.ru, 333-20-00)

 

33. Зависимость эффекта экранировки электрического поля во внутренней магнитосфере от концентрации и температуры протонов на внешней границе.

 

С помощью самомогласованной модели электрического поля внутренней магнитосферы Земли проведены расчеты для потенциала электрического поля и продольных токов. Для разных значений температуры протонов на внешней границе моделирования (в интервале от 1.5 кэВ до 15 кэВ) и разных значений концентраций (от 0.2 см^-3 до 1 см^-3) получены квазистационарные картины распределения потенциала электрического поля, для которых характерен эффект экранировки - уменьшения 'внешнего' электрического поля 'внутренним' полем, обусловленным движением плазмы.

Получено, что экранировка значительно зависит от МЛТ: на дневной стороне вследствие высокой проводимости экранировка слабее, чем на ночной. Получено, что вариации концентрации протонов на границе значительно более сильно влияют на экранировку, чем вариации температуры. Получено, что уменьшение (увеличение) ионосферной проводимости, обусловленной авроральными высыпаниями, увеличивает (уменьшает) эффект экранировки. Из сравнения с моделью электрического поля Волланда-Стерна следует, что во внутренней магнитосфере электрические поля и эффект экранировки имеют гораздо более сложную структуру, чем в простых аналитических моделях.

 

Материал готовится к печати.

к.ф.м.-н. Бузулукова Н.Ю., 333-11-22, nat@aster.iki.rssi.ru;

м.н.с. Вовченко В.В., a1246@rambler.ru

а) б) в)

 

Рис. 1. Эквипотенциали (через 1кВ) электрического поля в экваториальной плоскости (без коротации) в квазистационарном случае (15 часов заполнения частицами) для разных значений температур и концентраций протонов на полярной границе. По осям - расстояние в R_E. Перепад потенциала - 20кВ. а) kT(H⁺) = 7.5 кэВ; n(H⁺) = 1 см^{-3 ;} б) kT(H⁺) = 7.5 кэВ; n(H⁺) = 0.5 см^-3 в) kT(H⁺) = 3.0 кэВ; n(H⁺) = 1 см^-3.

 

34. Моделирование влияния изменения концентрации протонов на полярной границе на электрические поля во внутренней магнитосфере.

 

С использованием самосогласованной модели электрического поля проведены расчеты для случаев с уменьшением и увеличением концентрации протонов на полярной границе. Получено, что если перепад потенциала достаточно большой (100 кэВ), то при уменьшении концентрации на границе (с 1см^-3 до 0.5см^-3) в вечернем секторе за ~40 мин. образуется узкая область с усиленным в несколько раз (по сравнению с начальным состоянием) область электрического поля, направленного к полюсу.

 

Рис.1. Влияние увеличения концентрации а) эквипотенциали эл. поля на геомагнитном экваторе (через 5 кВ); б) продольные токи; в) модуль электрического поля для трех радиальных срезов.

 

 

 

 

 

 

Рис.2. То же что и на Рис.1, но для уменьшения концентрации

 

 

Материал готовится к печати.

 

Вовченко В.В., м.н.с.( a1246@rambler.ru, 333-11-22);

Бузулукова Н.Ю., к.ф.м.-н., nat@aster.iki.rssi.ru;

 

35. Проект совместных (с группой из ИКИ БАН) научных исследований 'Пространственно-временные характеристики поляризационного джета в субавроральной области по одновременным наблюдениям на спутниках' Интеркосмос-Болгария-1300', 'Ореол-3', 'DE-2' и Якутской наземной цепочкой ионозондов.

 

Создан банк данных наблюдений поляризационного джета по имеющимся измерениям в 1981-1982 гг. (концентрации ионосферной плазмы, направления и величины дрейфа ионов и электрического поля) на указанных спутниках и станции вертикального наземного зондирования в Якутске (концентрации электронов на высоте отражения). Якутская наземная цепочка ионозондов представлена станциями измерений: Якутск (географическая долгота LONGgr =129.6, инвариантная широта ILAT=56.0), Жиганск-(LONGgr=130.0, ILAT=60.4), Тикси- (LONGgr=129.0, ILAT=65.6).

 

Информация по имеющейся базе данных спутниковых измерений

Наименование	интервал измерений	обработка/банк измерений	к-во используемых сеансов
ИКВ-1300	1981.08.12-1983.07.14	ИКИ РАН-ИКИ БАН	157 из 580
Ореол-3	1981.09.30-1986.03.26	CDPP, France	305
DE-2	1981.08.03-1983.02.19	NASA	1981-82гг.- почти ежедневно

 

На Рис.1 приведен пример измерений на спутнике DE-2 25 марта 1982 г. в южном полушарии концентрации, температуры электронов и скорости горизонтального дрейфа ионов в западном направлении (Vx <0), указывающего на наличие поляризационного джета.

В 2006 г. проводилась (не закончена) также работа на основе данных измерений спутника ИКБ-1300 по определению влияния магнитного поля Земли на измерения цилиндрическим зондом Ленгмюра концентрации и температуры электронов в ионосферной плазме. При зондовых измерениях в районе магнитных полюсов Земли при напряжениях на зонде немного выше потенциала плазмы наблюдались искажения вольтамперных характеристик зонда, что проявлялось в появлении на зондовых характеристиках падающего участка (уменьшение собираемого зондом тока электронов при увеличении подаваемого на зонд напряжения). Установлено, что степень влияния магнитного поля на зондовые измерения зависит не только от величины напряженности магнитного поля, но также от величины концентрации и температуры электронов в ионосфере и величины подаваемого на зонд напряжения.

 

Материал готовится к печати.

 

Губский Вячеслав Федорович, н.с. лаб.547 (vgubsky@iki.rssi.ru, 333-3289.)

Халипов Виктор Лаврентьевич, к.ф.-м.н. (khalipov@iki.rssi.ru, 333-32-89)

 

36. Подготовка эксперимента 'Обстановка 1-й этап' для Российского сегмента Международной космической станции (РС МКС).

1. Целью эксперимента 'Обстановка 1-й этап' является проведение с использованием плазменно-волнового комплекса (ПВК) исследований в приповерхностной зоне плазменно-волновых процессов взаимодействия сверхбольшого КА с ионосферой. Проведено:

-  изготовление технологического образца ПВК;

-  калибровка датчиков электрических и магнитных полей;

-  комплексные испытания в ИКИ РАН с участием представителей международной кооперации.

 

- Дудкин, Ф.Л., С.И. Климов, В.Е. Корепанов, А.А. Марусенков, А.Е. Сухинюк. Современные тенденции развития космического научного приборостроения. Вопросы миниатюризации в современном космическом приборостроении, Сборник докладов выездного семинара под редакцией Р.Р.Назирова, Россия, г. Таруса, 2 - 4 июня 2004, ИКИ РАН, Москва, с. 112-125, 2005.

- Дынин, А.М., С.И. Климов, В.А. Масленников, В.Д. Мягких, В.С. Трошин. Конструкция плазменно-волнового комплекса (ПВК) эксперимента 'Обстановка' на Международной космической станции (МКС). Вопросы миниатюризации в современном космическом приборостроении, Сборник докладов выездного семинара под редакцией Р.Р.Назирова, Россия, г. Таруса, 2 - 4 июня 2004, ИКИ РАН, Москва, с. 180-196, 2005.

- Klimov, S.I., Current State of Experiment for Monitoring of Electromagnetic and Plasma Parameters of Space Weather on the Russian Segment of the ISS. The Second European Space Weather Week, 14-18 November 2005, Noordwijk, The Netherlands, Programme & Abstracts, p. 152.

- Климов, С.И., Б.Киров, Г.Станев. Электромагнитные параметры космической погоды. SENS'2006 Second Scientific Conference with International Participation SPACE, ECOLOGY, NANOTECHNOLOGY, SAFETY, 14-16 June 2006, Varna, Bulgaria, Book of Abstracts, p.185-187, 2006.

- Климов, С.И., В.Е.Корепанов. Комплексный эксперимент 'Обстановка'. Шестая Украинская конференция по космическим исследованиям, 3-10 сентября 2006 г. НЦУИКС, Евпатория. Сборник тезисов, с. 52, 2006.

 

37. Создание бортовой специальной аппаратуры для микроспутниковой платформы нового поколения.

1. В рамках гранта РФФИ 06-02-08244 'Исследование распределения парниковых газов в атмосфере Земли и плазменно-волновых эффектов в атмосфере и ионосфере Земли, связанных с катастрофическими явлениями, с использованием микроспутниковой платформы нового поколения и создание бортовой специальной аппаратуры для изучения этих эффектов' (научный руководитель д.ф.-м.н. Кораблев О.И.) разработаны технические требования к модельному составу научной аппаратуры микроспутниковой платформы 'Чибис'.

2. В рамках гранта РФФИ 06-02-08076 'Новые физические механизмы электрических разрядов в атмосфере' (научный руководитель академик Гуревич А.В. - ФИАН) проведена разработка аван-проекта космической платформы с комплексом научной аппаратуры, разработаны и определены оптимальные орбиты КА, выработаны предложения по обеспечению слежения за аппаратом и сбросу научной информации с его борта.

- Zelenyi, L.M., V.G.Rodin, V.N.Angarov, T.K.Breus, M.B.Dobriyan, S.I.Klimov, O.I.Korablev, V.E.Korepanov, V.M. Linkin, E.A. Loupian, N.N.Ivanov, L.E.Lopatento, O.Yu.Sedykh. Micro-satellite 'Chibis' - universal platform for development of methods of space monitoring of potentially dangerous and catastrophic phenomena. Selected Proceedings of the 5^th International Symposium of the International Academy of Astronautics, Berlin, April 4-8, 2005. Edited by Hans-Peter Roeser, Rainer Sandau, Arnoldo Valenzuela. Walter de Gruter, Berlin, New York, p. 443-451, 2005.

- Klimov, S.I., L.M.Zelenyi, V.G.Rodin Project of the Russian Academy of Sciences -"Chibis". Micro-satellite platform for applied-scientific studies. UNIVERSAT-2006. University Satellites and Space Science Education. The First International Symposium on Space Education, June 26-30, 2006, Lomonosov Moscow State University, Russia. Abstracts, Moscow 2006, p. 77.

- Климов, С.И., В.Г.Родин. Разработка основ создания микроспутниковых (~50 кг) платформ для фундаментальных и прикладных исследований Земли и околоземного космического пространства. Институт космических исследований РАН. Космическое приборостроение. Темы: Координатно-временные системы с использованием космических технологий. Приборы для космических исследований планет и Земли. Выездной семинар, Таруса 7-9 июня 2006. Тезисы, с. 12-13.

- Ангаров, В.Н., М.Б.Добриян, Л.М.Зеленый, В.Г.Родин, С.И.Климов, В.Е.Корепанов, В.М.Линкин, Е.А.Лупян, О.И.Кораблев, В.М.Готлиб, Д.И.Новиков, Н.А.Эйсмонт, В.Г.Лякишев, А.В.Калюжный, В.М.Козлов, В.В.Летуновский, А.П.Папков, Н.Н.Иванов, О.Ю.Седых, А.А.Лизунов, Г.Ф.Реш. Базовая микроспутниковая платформа для фундаментальных и прикладных исследований Земли и околоземного космического пространства. 5-я международная конференция 'Авиация и космонавтика - 2006' 23-26 октября 2006 г., Москва, Тезисы докладов с.229-230.

 

38. Анализ работы в полете плазменного эксперимента ROMAP и адаптация аппаратуры для проектов Фобос-Грунт и Cosmic DUNE. Разработка транспортировочного узла ионов для масс-спектрометра МОМА европейского проекта Exo Marc.

 

1) Продолжалась работа по анализу и обработке материалов наземной калибровки и летных измерений плазменной аппаратуры SPM эксперимента ROMAP проекта ROSETTA. Изучалась также возможность применения разработанного прибора для новых проектов, в частности, для российского проекта Фобос-Грунт и европейского проекта Cosmic DUNE.

Анализ полученных материалов калибровки на Земле и в полете показал, что разработанный блок ионных и электронного спектрометров весьма целесообразно использовать на российском проекте Фобос-Грунт. При этом имеется возможность, не изменяя конструкцию датчиков, повысить как минимум вдвое энергетический диапазон измерений вплоть до ~ 16 кэВ и ~ 6 кэВ для ионов и электронов, соответственно. Существенным преимуществом использования разработанной аппаратуры является снижение стоимости разработки и снижение веса аппаратуры.

2) Проводилось компьютерное моделирование прохождения потоков ионов от мишени до масс-спектрометра для эксперимента МОМА европейского проекта Exo Marc. В качестве транспортировочного узла была выбрана система из последовательно расположенных электростатических квадрупольных электронных линз. Результаты расчетов показали высокую эффективность такой системы с точки зрения ее большой прозрачности, незначительного веса и простоты изготовления.

 

- H.U. Auster, I. Apathy, G. Berghofer, A. Remizov, R. Roll, K.H. Fornacon, K.H. Glassmeier, G. Haerendel, I. Hejja, E. Kührt, W. Magnes, D. Moehlmann, U. Motschmann, I. Richter, H. Rosenbauer, C.T. Russell, J. Rustenbach, K. Sauer, K. Schwingenschuh, I. Szemerey & R. Waesch, ROMAP: Rosetta Magnetometer and Plasma Monitor, статья, направленная в журнал 2006.

- M.Hilchenbach, A.Remizov, H.Kruger, H.Boehnhardt, H.Rosenbauer, I. Szemerey, H.U.Auster, K.H. Glassmeier, K.H. Fornacon, I.Apathy, G.Berghofer, W.Baumjohann, K.Schwingenschuh, W. Magnes, Plasma and Magnetic Field Monitor for Cosmic DUNE (PMFM), доклад на сессии по проекту Cosmic DUNE, February 2006, Nordwaike, Holland

- A.Remizov, I.Apathy, H.U.Auster, M.Hilchenbach, H.Rosenbauer, G.Berghofer, Capabilities of the Plasma Monitor onboard the ROSETTA Lander, EGU General Assembly, Vienna 2006, April.

 

А.П.Ремизов, к.ф.м.н., с.н.с. отд. 54, к. 628, т. 333-32-89, aremizov@iki.rssi.ru