1.3. Теоретическое и экспериментальное исследование токовых слоев в магнитосфере

руководитель  -  Малова Х.В., ИКИ РАН

 

1.  Фундаментальная научная проблема, на решение которой направлен проект:   

Исследование структуры токовых слоев в бесстолкновительной космической плазме. Изучение динамики токовых слоёв и процессов трансформации энергии магнитного поля в кинетическую и тепловую энергию плазмы. 

 

2.  Конкретная фундаментальная задача (задачи) в рамках проблемы, на решение которой направлен проект:

    В рамках работы над поставленной задачей предполагается:

  •  Построить двумерную гибридную модель тонкого токового слоя, основанную на решении уравнений Власова-Максвелла с учетом пространственной неоднородности плазмы; провести детальное исследование структуры.
  •  Исследовать влияние сдвиговой компоненты магнитного поля на токовое равновесие.
  •  Изучить структуру и провести сопоставление спутниковых наблюдений токовых слоёв вблизи областей пересоединения с моделями.
  •  Изучить пространственное распределение температуры и плотности ионов и электронов в токовом слое по данным спутниковых измерений; разработать метод дистанционного зондирования хвоста земной магнитосферы, в рамках которого продольное распределение магнитного поля восстанавливается по поперечным распределениям параметров плазмы.
  •  Исследовать нелинейную динамику заряженных частиц в токовых слоях со сложной внутренней структурой

 

3.  Предлагаемые методы и подходы:

  •  Аналитическая модель тонких токовых слоев в магнитосферной плазме будет обобщена на двумерный случай, с учетом продольной неоднородности плазмы.
  •  Исследование динамики заряженных частиц в токовых слоях разных конфигураций будут осуществлены на основе методов трассирования частиц в заданных полях и с использованием методов теории возмущений и адиабатических инвариантов в гамильтоновых системах.
  •  Для анализа спутниковых измерений будут использованы данные четырёхспутниковой миссии Кластер и соответствующие методы обработки данных многоспутниковых миссий.

 

4.  Ожидаемые в конце 2012 года научные результаты:

  •   Будут отлажены коды для расчета двухмерной гибридной модели тонкого токового слоя, с учетом его пространственной неоднородности; проведено исследование структуры слоя, построены функции распределения плазмы.
  •   Будет исследовано влияние сдвиговой компоненты магнитного поля на токовое равновесие.
  •   Будут исследованы функции распределения плазмы в токовом слое в присутствии магнитного шира и в сложных токовых конфигурациях.
  •   Будет проведено сопоставление наблюдений сверхтонких электронных токовых слоев с результатами теоретических моделей.
  •   По данным наблюдений будет проведено исследование пространственного распределения температуры и плотности ионов и электронов в тонких токовых слоях; оценены поперечный и продольный масштабы слоя.
  •   Будет предложена  аналитическая модель, описывающая динамику заряженных частиц в токовых слоях со сложной внутренней структурой.

 

5. Современное состояние исследований в данной области науки, сравнение ожидаемых результатов с мировым уровнем:

   Спутниковые миссии Cluster, Themis, Geotail, Interball и др. позволили получить беспрецедентно подробную информацию о внутренней структуре и динамике токового слоя хвоста земной магнитосферы. Выявлены основные механизмы формирования околоземной «космической погоды», проявлениями которой являются магнитные бури и суббури. Ключевыми плазменными структурами являются тонкие токовые слои, где спонтанно происходит разрыв и образование Х-линий. Показано, что эти слои являются резервуарами для накопления и высвобождения магнитной энергии в магнитосфере Земли. Вблизи Х-линий обнаруживаются также и сверхтонкие электронные слои с характерным масштабом в несколько электронных гирорадиусов (десятки км), роль которых до конца не ясна. Большинство известных моделей токовых слоев основывается на представлении об изотропии плазменного давления и не может адекватно описывать свойства анизотропных структур. Последовательное развитие самосогласованной модели тонких слоев осуществлялось в течение ряда лет участниками данного проекта.

 

6.  Имеющийся у коллектива научный задел по предлагаемому проекту; полученные ранее результаты, разработанные методы и системы:

  Участники проекта в течение многих лет занимаются разработкой гибридной аналитической модели анизотропных токовых слоев (Zelenyi et al., NPG 2004). Получены решения уравнений Власова-Максвелла для случая произвольной анизотропии источников плазмы, асимметрии источников плазмы, наличия тяжелых ионов. Проведен анализ устойчивости слоя и показано, что он может быть неустойчивым по отношению к разрывной моде, т.е. может быть триггером суббури. Сравнение с данными спутников Cluster показало хорошее согласование теории и наблюдений. В настоящее время идут работы по учету двухмерности токового слоя, что является новым словом в теории. В области моделирования анизотропных токовых слоев наши исследования заняли ведущее положение и активно развиваются в настоящее время.

 

7.  Список основных публикаций научного коллектива, наиболее близко относящихся к предлагаемому проекту:

  • Petrukovich A.A., Artemyev A.V., Malova H.V., Nakamura R., Popov V.Yu., Zelenyi L.M., Place of embedded thin current sheet in the Earth's magnetotail, J. Geophys. Res., V. 116, CiteID A00I25, doi:10.1029/2010JA015749, 2011.
  • Зелёный 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, 2011, том 37, № 2, с. 137–182, 2011.
  • Artemyev, A. V.; Zelenyi, L. M.; Petrukovich, A. A.; Nakamura, R., Hot electrons as tracers of large-scale structure of magnetotail current sheets, Geophysical Research Letters, Volume 38, Issue 14, CiteID L14102, 2011.    
  • 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.
  • Zelenyi L. M., H. V. Malova, V. Yu. Popov, D. Delcourt, and A.S. Sharma, Nonlinear equilibrium structure of thin currents sheets: influence of electron pressure  anisotropy, Nonlinear Processes in Geophysics, v.11, pp. 579-587, 2004.

 

8.  Список основных публикаций руководителя проекта в рецензируемых журналах:

  • Malova, H. V.; Zelenyi, L. M.; Popov, V. Y.; Delcourt, D. C.; Petrukovich, A. A.; Runov, A. V.,   Asymmetric thin current sheets in the Earth's magnetotail,         Geophysical Research Letters, Volume 34, Issue 16, CiteID L16108, 2007.
  • Малова Х.В.,  Л.М. Зелёный, 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, Физ. Плаз., Т.36, N9, c. 897-915, 2010.