Цикл работ Л.М. Зеленого, Х.В. Маловой, А.В. Артемьева, В.Ю. Попова, А.А. Петруковича 'Структурные и динамические свойства метастабильных токовых слоев в космической плазме':

Аннотация:

Цикл работ Л.М. Зеленого с соавторами, представляемый на конкурс ИКИ в 2010г., посвящен теоретическому исследованию плазменных равновесий и волновой динамики токовых структур малой толщины в космической плазме.

Одной из актуальных и до конца нерешенных проблем космофизики является проблема инициации и нелинейной взрывной динамики плазменных процессов, происходящих в околопланетном пространстве во время глобальных магнитосферных возмущений. Спутниковые наблюдения последних десятилетий показали, что в этих процессах важную роль играют тонкие токовые слои (с характерным масштабом магнитной неоднородности порядка ионного гирорадиуса), образующиеся вблизи Х-линий, а также на границах и в хвостах планетных магнитосфер в результате сложных динамических процессов. В этих токовых слоях происходит трансформация свободной энергии, необходимой для начала процессов пересоединения. Такие токовые структуры активно исследуются в магнитосферах Земли и Меркурия, в солнечном ветре. Вспышки в солнечной короне, возможно, также являются результатом пересоединения магнитных силовых линий в токовых слоях. Магнитные конфигурации "Х"- типа, включающие тонкие токовые слои, успешно изучаются в лабораторных экспериментах. Таким образом, познание механизмов, управляющих структурой и динамикой тонких токовых слоев очень важно для решения фундаментальных задач космической физики, равно как и для планирования будущих спутниковых исследовательских миссий и предсказания космической погоды.

В процессе работы были детально изучены свойства равновесия с тонким токовым слоем, где динамика ионов и электронов различна: в то время как электроны являются замагниченными, ионы размагничиваются в нейтральном слое и движутся вдоль особых петляющих орбит. Исследовано влияние многомосштабности токовых слоев на их устойчивость по отношению к разрывной и кинк -модам. Было показано, что экспериментальные наблюдения эволюции токовых слоев в хвосте земной магнитосферы приводят к концепции метастабильности, заложенной в работах СИ. Сыроватского и А.А. Галеева. Экспериментальные дан-ные подтверждают, что большинство наблюдаемых в хвосте земной магнитосферы ТТС подпадает под опре-деление метастабильных: их положение на параметриче-ской карте определяет ограниченность во времени их устойчивости к разрывной моде. Кроме того, экспери-ментальные данные по эволюции токовых слоев на предварительной фазе суббури указывают на перемеще-ние последних на параметрической карте по направле-нию к области неустойчивости. Показано, что концепция метастабильности, объясняю-щая чередование длительных подготовительных фаз с быстрым высвобождением запасенной энергии, находит применение в современной теории магнитосферных суббурь. Исследована возможность развития тиринг- и кинк- неустойчивостей (симметричные и асимметричные моды) в анизотропных токовых структурах. Расчитаны профили возмущенных вектор-потенциалов и инкрементов роста неустойчивостей для уравнений Власова в линейном приближении теории возмущений. Исследовано влияние плазменной анизотропии на развитие плазменных неустойчивостей в токовом слое.

Построена самосогласованная теория анизотропных токовых равновесий, поддерживаемых в плазме с немаксвелловским распределением частиц по скоростям в случае, когда плазма состоит из холодных электронов и двух горячих ионных компонент с разными температурами. Ионные популяции плазмы описываются в рамках квазиадиабатического приближения, в то время как электроны - в МГД приближении. Получены приближенные стационарные решения системы уравнений Власова-Максвелла и проведено их параметрическое исследование. Показано, что эти решения могут описывать разнообразные профили токовых слоев: от тонких токовых структур с максимумом плотности тока в нейтральном слое до сравнительно 'толстых' токовых слоев с двумя или тремя максимумами плотности тока. Также показано, что электронная компонента с анизотропным распределением доминирует в центре токового слоя и может поддерживать узкий центральный пик плотности тока. Ионная компонента доминирует на периферии токового слоя, определяя его характерную толщину. Проведено сравнение с результатами численного моделирования в двухтемпературной плазме (метод крупных частиц) и с экспериментальными данными, полученными на спутниках Cluster. Это сравнение выявило хорошее соответствие между результатами теоретического анализа, численного моделирования и экспериментальными данными, и позволяет сделать вывод о том, что разрабатываемая теория достаточно адекватно описывает бесстолкновительные токовые слои в космической плазме.

Интерес к магнитосфере Меркурия, начавшийся с полетом Маринера в 1974 г. возобновился в связи с миссией Messenger к Меркурию и его пролетами вблизи планеты в январе и октябре 2008 г. Одновременные наблюдения усилений энергичных потоков электронов и ионов (E>35 keV) вызвали много вопросов. Вопрос о механизмах ускорения частиц плазмы в магнитосфере Меркурия находится и сейчас в центре интенсивных дискуссий. Проведен сравнительный анализ нескольких возможных механизмов ускорения частиц в магнитосфере Меркурия: 1) множественные диполизации магнитосферы, 2) рассеяние частиц на электромагнитных и электростатических полях в хвосте магнитосферы, 3) конвективное ускорение (неадиабатические эффекты), 4) ускорение индуктивным электрическим полем вблизи Х-линий и другие. Показано, что относительные размеры Меркурианской магнитосферы обусловливают ее вариабельность и возмущенность, таким образом, роль энергизации частиц в ней гораздо более высокая, чем для Земли. Трассированием частиц исследованы процессы ускорения частиц в глобальной модели магнитосферы, имитирующей процессы диполизации и турбулентности в хвосте. Оценен выигрыш энергии в течение плазменной конвекции и спорадического пересоединения вблизи Х-линии. Показано, что эти механизмы ускорения не такие эффективные, как другие, вследствие малых размеров хвоста магнитосферы Меркурия. Модель позволяет предсказать форму энергетических спектров заряженных частиц при наблюдении спутниками Messenger и BEPI Colombo вблизи Меркурия.

Результаты многолетних исследований авторов представлены в обзоре, посвященном тонким токовым слоям, открытым и исследованным в процессе спутниковых наблюдений, проводившихся в хвосте магнитосферы Земли в последние десятилетия. В статье приведен обзор моделей, описывающих тонкие токовые структуры в хвосте магнитосферы Земли. В основе этих моделей лежат представления о квазиадиабатической динамике ионов в относительно слабом магнитном поле нейтрального слоя хвоста магнитосферы, где ионы могут размагничиваться. Показано, что функция распределения ионов может быть представлена в виде функции интегралов движения частиц: полной энергии и квазиадиабатического инварианта. Рассмотрены различные модификации исходного равновесия, включающие в себя учет токов замагниченных электронов, вклад ионов кислорода, асимметрию источников плазмы и эффекты, связанные с 'немаксвелловским' видом функций распределения частиц. Проведено сопоставление теоретических результатов и данных наблюдений, полученных спутниковой миссий Сluster. Исследованы различные плазменные неустойчивости, развивающиеся в тонких токовых слоях. Проведен анализ эволюции разрывной моды и найдены параметрические области, в которых возможен рост данной моды. Таким образом, на основе квазиадиабатической модели токового слоя решен парадокс полной стабилизации разрывной моды в токовых слоях с нормальной компонентой магнитного поля. Показано, что в широком диапазоне значений параметров токового слоя и направлений распространения крупномасштабных неустойчивых волн в системе могут развиваться различные модификации дрейфовых неустойчивостей (изгибная и перетяжечная моды). На основе концепции турбулентного электромагнитного поля, образующегося в результате развития и насыщения неустойчивых волн, предложен механизм ускорения заряженных частиц в турбулентных токовых слоях и получены степенные энергетические спектры ускоренных частиц.

 

Цикл из 9 работ 2009-2010 г.г.:

1. Зеленый Л.М., Артемьев А.В., Малова Х.В., Петрукович А.А., Накамура Р., Метастабильность токовых слоев, Успехи Физических Наук, Т. 180, N 9, , С. 973-982, DOI:10.3367/UFNr.0180.201009f.0973, 2010.

2. Lev M. Zelenyi, Alexey G. Korgov, Helmi V. Malova, Victor Yu. Popov, Anton V. Artemyev and Dominique C. Delcourt, Charged particle acceleration in the Hermean magnetosphere: the role of dipolarizations, plasma turbulence and induction electric fields, in book: ADVANCES IN GEOSCIENCES (A 6-Volume Set) - Volume 19: Planetary Science (PS) ї World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., http://www.worldscibooks.com/etextbook/ 7158/7158_v19_toc.pdf, p.p. 9-28, 2010.

3. Artemyev, A. V.; Zeleny, L. M.; Popov, V. Yu.; Malova, Kh. V., Asymmetry effect on the development of instabilities in current sheets, Geomagnetism and Aeronomy, Volume 49, Issue 8, pp.1170-1171, DOI: 10.1134/S001679320908026X, 2009.

 

4. Малова Х.В., Л.М. Зеленый, О.В. Мингалев, И.В. Мингалев, В.Ю. Попов, А.В. Артемьев, А.А. Петрукович, Токовый слой в бесстолкновительной немаксвелловской плазме: самосогласованная теория, моделирование и сравнение со спутниковыми экспериментами, Физика плазмы, Т.36, N9, c. 897-915, 2010.

5.     Зеленый Л.М., Х.В. Малова, А.В. Артемьев, В.Ю. Попов, А.А. Петрукович, Тонкие токовые слои в бесстолкновительной плазме: равновесная структура, плазменные неустойчивости и ускорение частиц, Физика плазмы, 2010, принято к печати.

6. L.M. Zelenyi, A.V. Artemyev, A.A. Petrukovich, Earthward electric field in the magnetotail: Cluster observation and theoretical estimates, Geophys. Res. Lett., v.37, L06105, doi: 1029/2009GL042099, 2010.

7. Zelenyi L. M., A. V. Artemyev, A. A. Petrukovich, R. Nakamura, H. V. Malova, and V. Y. Popov, Low frequency eigenmodes of thin anisotropic current sheets and Cluster observations, Annales Geophysicae, 27, 861-868, 2009, www.ann-geophys.net/27/861/2009/ї Author(s) 2009.

8. Зеленый Л.М., А.П. Кропоткин, В.И. Домрин, А.В. Артемьев, Х.В. Малова, В.Ю. Попов, Разрывная мода в тонких токовых слоях магнитосферы Земли: сценарий перехода в неустойчивое состояние, Космические исследования, 2009, Т.47, ?5, с.388-396.

9. Lev Zelenyi, Helmi Malova, Anton Artemyev, Victor Popov, Anatoly Petrukovich, Dominique Delcourt, and Alexey Bykov, Magnetotail after Geotail, Interball and Cluster: Thin current sheets, fine structure, force balance and stability, Climate and Weather of the Sun-Earth System (CAWSES): Selected Papers from the 2007 Kyoto Symposium, Edited by T. Tsuda, R. Fujii, K. Shibata, and M. A. Geller, pp. 121-170. TERRAPUB, Tokyo, 2009.