3.2. Исследования роли турбулентного электромагнитного поля в процессах транспорта и ускорения заряженных частиц

руководитель Артемьев А.В., ИКИ РАН

 

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

     Изучение зависимости процессов транспорта и ускорения заряженных частиц от свойств турбулентного электромагнитного поля. Исследование резонансного взаимодействия заряженных частиц со структурными элементами турбулентного поля

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

    В рамках проекта планируется решить следующие задачи:

  •  Исследовать динамику и ускорения заряженных частиц в ходе их резонансного взаимодействия со структурными элементами турбулентного поля (плоскими волнами).
  •  Построить аналитическую модель, учитывающую роль фоновой турбулентности при резонансном взаимодействии волн и частиц.
  •  Разработать модель турбулентного электромагнитного поля, учитывающую свойства перемежаемости и негауссовой статистики флуктуаций
  •  Получить численные и аналитические оценки роли перемежаемости турбулентного поля в процессах транспорта и ускорения частиц в конфигурации токового слоя.

3.  Предлагаемые методы и подходы:

  • Резонансное взаимодействие частиц со структурными элементами турбулентного поля  будет исследовано в рамках теории возмущения, развитой для гамильтоновых систем с быстрыми-медленными переменными
  •  Роль фоновой турбулентности при резонансном взаимодействии волна-частица будет изучена с использованием численного моделирования и аналитических оценок, полученных на основе диффузионных уравнений
  •  Для построения модели перемежаемого турбулентного электромагнитного поля будут использованы нелинейные отображения со свойствами перемежаемости

4.  Ожидаемые в конце 2012 года научные результаты:

  •    Будет исследовано резонансное взаимодействие заряженных частиц с электромагнитными волнами, распространяющимися под произвольным углом к внешнему магнитному полю. Также планируется провести сопоставление различных факторов, ограничивающих время нахождение частиц в резонансе с волной.
  •    Будет изучена роль фоновой турбулентности при резонансном взаимодействии волна-частица. Будут получены аналитические оценки на время нахождения частиц в резонансе в зависимости от свойств фоновой турбулентности
  •    Будет построена модель трёхмерного турбулентного электромагнитного поля со свойствами перемежаемости.
  •    Будут исследованы зависимости транспорта и ускорения заряженных частиц от свойств турбулентности (негауссова статистика флуктуаций, перемежаемость и т.д.)

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

     Взаимодействие заряженных частиц с турбулентным электромагнитным полем в хвосте земной магнитосферы рассматривается наряду с адиабатическими процессами, как один из наиболее вероятных кандидатов на роль механизма, ответственного за изотропизацию и ускорение плазмы. Однако, из-за ограниченности пространственных масштабов областей, заполненных турбулентностью, существенную роль начинают играть процессы транспорта частиц, приводящие к ограничению времени их взаимодействия с турбулентным электромагнитным полем. Для понимания соотношения этих двух механизмов важна разработка моделей взаимодействия заряженных частиц со структурными элементами электромагнитных флуктуаций, формирующих турбулентное поле. Часто такие структуры представимы в виде плоских электромагнитных (или электростатических) волн. Как следствие, приобретает актуальность классическая задача о резонансном взаимодействии волна-частица. Однако, её рассмотрение теперь необходимо проводить с учётом флуктуаций внешнего магнитного поля.

     Кроме того, важной особенностью турбулентности электромагнитного поля в околоземном пространстве является её негауссовская статистика с относительно большими вероятностями наблюдения существенных амплитуд флуктуаций, - так называемая перемежаемость. Роль данного свойства турбулентности в процессе транспорта и ускорения заряженных частиц на данный момент представляется слабо изученной.

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

     Участники проекта последние несколько лет ведут активные работы по изучению резонансного взаимодействия волна-частица в слабом фоновом магнитном поле (опубликовано пять работ в ведущих журналах: Письма в ЖЭТФ, Chaos, Phys. Rev. E). Также авторам проекта принадлежат оригинальные работы по оценки роли фоновой турбулентности в резонансном взаимодействии волна-частица. Авторами разработана и опубликована (GRL 2011, V.38 L17110) упрощённая двухмерная модель турбулентного электромагнитного поля, обладающая свойствами перемежаемости. Для этой модели получены оценки соотношения транспорта и ускорения заряженных частиц.

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

  • Нейштадт А.И., Артемьев А.В., Зелёный Л.М., Вайнштейн Д.Л. Серфотронное ускорение в электромагнитных волнах с малой фазовой скоростью. Письма в ЖЭТФ, Т. 89, вып. 9, с. 528-534, 2009
  • Artemyev A. V., L. M. Zelenyi, H. V. Malova, G. Zimbardo, and D. Delcourt: Acceleration and transport of ions in turbulent current sheets: formation of non-maxwelian energy distribution. Nonlin. Processes Geophys., 16, 631–639, 2009.
  • Artemyev A. V., Neishtadt A. I., Zelenyi L. M., and Vainchtein D. L. Adiabatic description of capture into resonance and surfatron acceleration of charged particles by electromagnetic waves. Chaos, v. 20, N. 043128, doi:10.1063/1.3518360, 2010.
  • Artemyev A., Vainchtein D., Neishtadt A., Zelenyi L., Resonant acceleration of charged particles in the presence of random fluctuations, 2011. Phys. Rev. E, 84, 046213, doi: 10.1103/PhysRevE.84.04621
  • Zelenyi L. M., Rybalko S.D., Artemyev A.V., Petrukovich A.A., Zimbardo G., Charged particle acceleration by intermittent electromagnetic turbulence. 2011. Geophys. Res. Lett., 38, L17110, doi:10.1029/2011GL048983.

8.  Список основных публикаций руководителя проекта в рецензируемых журналах:

  • 1. Нейштадт А.И., Артемьев А.В., Зелёный Л.М., Вайнштейн Д.Л. Серфотронное ускорение в электромагнитных волнах с малой фазовой скоростью. Письма в ЖЭТФ, Т. 89, вып. 9, с. 528-534, 2009
  • 2. Artemyev A., Vainchtein D., Neishtadt A., Zelenyi L., Resonant acceleration of charged particles in the presence of random fluctuations, 2011. Phys. Rev. E, 84, 046213, doi: 10.1103/PhysRevE.84.046213
  • 3. Artemyev A. V., Neishtadt A. I., Zelenyi L. M., and Vainchtein D. L. Adiabatic description of capture into resonance and surfatron acceleration of charged particles by electromagnetic waves. Chaos, v. 20, N. 043128, doi:10.1063/1.3518360, 2010.