2.1. Лабораторное моделирование линейных и нелинейных эффектов при распространении волн в космической плазме

руководитель  -  Костров А. В., ИПФ РАН

 

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

Генерация и взаимодействия электромагнитного излучения с энергичными электронами в магнитосфере Земли. 

 

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

      Проект посвящен лабораторному моделированию физических процессов, развивающихся при взаимодействии электромагнитного излучения различных частотных диапазонов с плотной слабостолкновительной замагниченной плазмой и энергичными электронами в условиях, имитирующих физические условия в магнитосфере Земли. Цель проекта – совершенствование существующих моделей взаимодействия энергичных электронов радиационных поясов Земли с электромагнитным излучением различных частотных диапазонов по результатам лабораторного моделирования, проводимого на крупномасштабном плазменном стенде «Крот», включенном в Реестр экспериментальных установок национальной значимости РФ (регистрационный номер 01-18). Задачи проекта – это (1) экспериментальное изучение процессов генерации естественных излучений энергичными электронными потоками, и (2) лабораторная отработка различных методов активного волнового воздействия на энергичные электроны, захваченные магнитной ловушкой пробочной конфигурации, заполненной плотной холодной плазмой, с целью организации их контролируемых высыпаний.

      В ходе проекта будут выполнены следующие работы:

  •    Исследование отклика холодной слабостолкновительной замагниченной плазмы на импульсные токи и напряжения, импульсные потоки энергичных заряженных частиц, инжектируемые в плазму с помощью стороннего источника (электронной пушки), либо формируемые в результате активного радиочастотного воздействия на плазму мощным радиоимпульсом. Будут изучены частотно-временные характеристики и пространственная структура электромагнитных волн различных частотных диапазонов, возбуждаемых импульсными источниками – антеннами и электронными потоками, инжектируемыми в плазму. Безразмерные параметры модельных экспериментов будут выбраны соответствующими физическим условиям, реализуемым во внутренней магнитосфере Земли.
  •    Исследование взаимодействия интенсивного электромагнитного излучения, вводимого в плотную замагниченную плазму, с популяцией энергичных электронов, захваченных магнитной ловушкой, поиск режимов, в которых возможен стимулированный уход энергичных электронов из ловушки при воздействии электромагнитного излучения. В ходе выполнения проекта будут разработаны методы заполнения большой лабораторной магнитной ловушки энергичными электронами, имитирующими популяцию заряженных частиц радиационного пояса Земли, и исследованы эффекты взаимодействия энергичных электронов с электромагнитным излучением, вводимым в плазму в форме волновых пучков, либо возбуждаемым с помощью антенн различных типов и конструкций. Особое внимание будут уделено высыпаниям энергичных электронов из магнитной ловушки, организуемым при активном радиочастотном воздействии.

     По результатам выполнения проекта будут разработаны модели взаимодействия интенсивного электромагнитного излучения с энергичными электронами, удерживаемыми в магнитной ловушке пробочной конфигурации, и сформулированы предложения по организации контролируемых высыпаний энергичных частиц из геомагнитной ловушки при активном радиочастотном воздействии на околоземную плазму, локальном (производимом, например, антенной на борту космического аппарата) или распределенном (при модификации крупномасштабной области плазмы лучом КВ нагревного стенда, либо сигналом мощной СДВ станции). По итогам выполнения проекта будут доработаны модели генерации шумовых и дискретных низкочастотных (хоровых) излучений во внутренней магнитосфере Земли, а также модели генерации аврорального километрового излучения (АКР).

 

3.  Предлагаемые методы и подходы:

     Для моделирования физических явлений в космической плазме в ИПФРАН созданы крупномасштабные плазменные стенды «Крот» и «Ионосфера». Лабораторное моделирование имеет ряд преимуществ перед натурными экспериментами, касающихся стоимости проведения исследований, их постановки, и интерпретации экспериментальных данных. В частности, рекордно большой размер плазменного столба установки «Крот» (до 80 куб.м.) позволяет проводить экспериментальные исследования в режиме «безграничной» плазмы, имитирующем условия возбуждения и распространения электромагнитного излучения в ионосфере и магнитосфере. Диагностический комплекс стендов «Крот» и «Ионосфера» позволяет в полной мере исследовать процессы возбуждения и распространения волн различных частотных диапазонов. Используя имеющуюся в распоряжении коллектива аппаратуру, можно детально исследовать пространственную структуру электромагнитных полей, изучать их динамику с высоким временным разрешением.

     Широкий диапазон изменения параметров плазмы, создаваемой в камерах стендов «Крот» и «Ионосфера», позволяет выполнять как качественное, так и количественное (масштабное) моделирование волновых процессов в космической плазме с использованием специально вводимых параметров подобия. Такой подход позволяет, с учетом правил пересчета пространственных масштабов, параметров плазмы, величин электромагнитных полей и рабочих частот, сопоставлять результаты, получаемые в лабораторных экспериментах, с данными магнитосферных исследований.

 

4.  Ожидаемые в конце 2012 года научные результаты:

     К концу 2012 года планируется получение следующих результатов:

  1. Дооснастка плазменных стендов «Крот» и «Ионосфера» для проведения заявленной программы научных исследований, включая размещение на установках мощных источников электромагнитного излучения и источников энергичных заряженных частиц.
  2. Экспериментальные данные о волновом отклике замагниченной плазмы на импульсные сигналы, подводимые к антеннам, и импульсные потоки заряженных частиц, инжектируемые в плазму.

    Экспериментальные данные о параметрах потоков энергичных электронов, формируемых при воздействии на замагниченную плазму интенсивным электромагнитным излучением в условиях электронно-циклотронного резонанса.

 

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

     Адекватное лабораторное моделирование процессов возбуждения и распространения излучения в околоземной плазме возможно лишь на ограниченном числе установок, реализующих приближение «безграничной» плазмы. В России стенд «Крот» является единственной действующей установкой подобного класса, на которой в настоящее время активно проводятся исследования волн свистового диапазона частот. Ближайший полноценно используемый зарубежный аналог стенда «Крот» – установка «LAPD», недавно построенная в Калифорнийском университете (Лос-Анджелес), на которой моделируются, главным образом, процессы возбуждения и распространения МГД (альфвеновских) волн. Кроме того, недавно в США был запущен еще один крупномасштабный плазменный стенд – «SPSC» (Naval Research Laboratory, Вашингтон), создателями которого запланирована программа модельных лабораторных исследований взаимодействия низкочастотных волн с замагниченной плазмой и энергичными электронами, которая будет выполняться в интересах геофизического научного сообщества. В то же время, стенд «SPSC» характеризуется более скромными параметрами плазмы, чем стенд «Крот», включая недостаточно высокую концентрацию плазмы, с одной стороны, и низкое магнитное поле, недостаточное для замагничивания ионов, с другой стороны.

     В результате, предлагаемая на стендах «Крот» и «Ионосфера» программа плазменно-волновых исследований должна обеспечить конкурентоспособность РФ в части лабораторного моделирования физических явлений в ближнем космосе по отношению к работам, выполняемым зарубежными коллегами. Публикация получаемых на стенде «Крот» результатов в ведущих научных журналах и опыт работы коллектива позволяют утверждать, что проводимая исследовательская работа полностью соответствуют современному мировому уровню плазменных исследований.

 

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

     Коллектив Лаборатории моделирования космической плазмы ИПФ РАН, который будет проводить экспериментальные исследования в рамках Программы, имеет 30-летний опыт в моделировании волновых процессов в околоземной плазме. В распоряжении коллектива имеются плазменные установки, специально созданные для моделирования космических явлений – стенды «Крот» и «Ионосфера». В круг задач, решаемых коллективом в разные годы, входили:

  • исследование процессов распространения волн свистового диапазона в плазме с неоднородностями концентрации и внешнего магнитного поля;
  • волновые поля и импедансные характеристики антенн в плазме;
  • исследование плазменной турбулентности, возбуждаемой в нижнегибридном диапазоне частот;
  • лабораторное исследование динамики плазмы в условиях, имитирующих эксперименты по высокочастотному нагреву ионосферы;
  • генерация квазистационарных токов и магнитных полей высокочастотными волновыми пучками в магнитоактивной плазме;
  • диагностика плазмы, включая разработку оригинальных радиочастотных и СВЧ методов диагностики.

Коллективом получены пионерские результаты в части возбуждения электромагнитного излучения модулированными электронными пучками, инжектируемыми в лабораторную плазму, исследования пространственной структуры и динамики волн, возбуждаемых в плазме различными источниками, нелинейных явлений в замагниченной плазме. Полученные коллективом результаты опубликованы в отечественных и зарубежных высокорейтинговых журналах (Письма в ЖЭТФ, ЖЭТФ, Physical Review Letters, Physics of Plasmas, Physical Review E, Journal of Geophysical Research A и т.д.).

 

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

  • М.В. Стародубцев, К. Краффт. Лабораторное моделирование взаимодействия электронных пучков с магнитоактивной плазмой. Изв. ВУЗов. Радиофизика, т.53, №7, С. 445-463 (2010)
  • М.Е. Гущин, С.В. Коробков, А.В. Костров, А.В. Стриковский. Параметрическая генерация свистовых волн при взаимодействии высокочастотных волновых пучков с магнитоактивной плазмой. Письма в ЖЭТФ, Т.88, №11, с.752-756 (2008)
  • М.Е. Гущин, С.В. Коробков, А.В. Костров, Д.А. Одзерихо, С.Э. Привер, А.В. Стриковский. Параметрическая генерация низкочастотных волн электронами плазмы, ускоренными в условиях электронно-циклотронного резонанса. Письма в ЖЭТФ, Т.92, №2, с.89-94 (2010)
  • V.E. Shaposhnikov, S.V. Korobkov, H.O. Rucker, A.V. Kostrov, M.E. Gushchin, G.V. Litvinenko. Parametric mechanism for the formation of Jovian millisecond radio bursts. Journal of Geophysical Research A, V. A116, P. A0325 (1-10) (2011)
  • М.В. Стародубцев. Лабораторное исследование процессов нелинейного взаимодействия импульсного сверхвысокочастотного излучения с неоднородной плазмой. Изв. ВУЗов. Радиофизика, т.53, №5-6, С. 375-392 (2010)

 

8.  Список основных публикаций руководителя проекта в рецензируемых журналах:

  • M. Starodubtsev, V. Nazarov, A. Kostrov. Laboratory study of nonlinear trapping of magnetized Langmuir waves inside a density depletion. Physical Review Letters, V.98, No.19, p.195001(1-4) (2007)
  • M.E. Gushchin, S.V. Korobkov, A.V. Kostrov, M.V. Starodubtsev, A.V. Strikovsky. Whistler waves in plasmas with time-varying magnetic field: laboratory investigation. Advances in Space Research, V.42, No.5, p.979-986 (2008)
  • Н.А. Айдакина, М.Е. Гущин, И.Ю. Зудин, С.В. Коробков, А.В. Костров, А.В. Стриковский. Квазистационарное магнитное поле, возбуждаемое в плазме радиоимпульсом свистового диапазона частот. Письма в ЖЭТФ, Т.93, №9, с.555-560 (2011)