3.4. Взаимодействие потока плазмы с препятствием: изучение многомасштабной динамики обтекания солнечным ветром планетных магнитосфер

руководитель Савин С.П., ИКИ РАН

 

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

     Экспериментальное изучение фундаментальных свойств взаимодействия потока солнечной плазмы с магнитосферами Земли и планет в контексте общих черт процессов переноса, в том числе аномального, наблюдаемого также и в лабораторной, и астрофизической плазме

 

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

   Экспериментальное и теоретическое изучение свойств приграничной турбулентности в транспортных барьерах с аномально интенсивными процессами переноса массы и энергии. Акцент - на свойствах передаточного механизма возмущений в зоне взаимодействия потока солнечного ветра с планетарными препятствиями – как универсального средства «дальнодействия» между глобальными и микромасштабами. Регистрируемые когерентные структуры - сверхплотные плазменные струи (СПС) - являются эффективным передаточным звеном между ударной волной и и планетной плазмой. Ставится задача установить, определяют ли СПС аномальный характер переноса в статистическом смысле, а также связь глобальных масштабов и микрофизики пограничных слоев. Фундаментальность предлагаемых исследований связана с динамическим взаимодействием движущейся плазмы с магнитным полем, что может иметь важное значение для понимания сложных причинно-следственных связей событий, происходящих также в солнечной короне, пульсарах и при взаимодействии плазмы с галактическими магнитными полями, а также предоставить новые пути регулирования процессов переноса в лаборатлорных установках  за счет активного изменения свойств турбулентности плазмы на разных масштабах

 

3.  Предлагаемые методы и подходы:

     Экспериментальный метод основан на многоточечных измерениях электромагнитных полей с помощью феррозондовых и индукционных магнитометров, двойных и токовых зондов, детальных энергетических спектров энергичных частиц и трехмерных функций распределения частиц плазмы по углам, энергиям и массам с помощью энерго-масс анализаторов и цилиндров Фарадея. Будет исследоваться разделение источников флуктуаций корреляционными, спектральными и би-спектральными методами Фурье и вэйвлетного анализа, а также функции распределения флуктуаций плазмы и электрического и магнитного полей и. Планируется использование и развитие:

  •  корреляционного анализа;
  •  исследование поляризации, наклонов спектров и динамических спектрограмм;
  •  изучение структурных функций сигналов;
  •  проведение wavelet-анализа и вычисление би- и три-когерентностей и времени корреляции на его основе;
  •  изучение фрактальных и мультифрактальных свойств флуктуаций и их сравнение с данными токамаков.

 

4.  Ожидаемые в конце 2012 года научные результаты:

     Предусматривается экспериментальное изучение и теоретическое осмысление свойств приграничной турбулентности в планетарной плазме с аномально интенсивными процессами переноса массы и энергии,  изучение свойств возмущений в зоне взаимодействия потока солнечного ветра с планетарной плазмой – как универсального средства «дальнодействия» между глобальными и микромасштабами. Планируется определение роли супердиффузии, т.е. роста эффективного коэффициента диффузии со временем, и ее вклада в процессы переноса и баланс массы и импульса в при обтекании планетарных препятствий. Мы намерены показать, что Сверхплотные плазменные струи (СПС) представляют собой экстремальную часть системы взаимодействующих плазм и продвинуться в понимании роли СПС как универсального средства установления локального и глобального равновесия в таких системах с конечными размерами, как магнитосферы планет, звезд и других астрофизических объектов, а также в лабораторных плазменных установках. Мы планируем провести систематическое изучение параметров турбулентности одновременно в нескольких пространственных точках для проверки наличия свойств масштабной инвариантности турбулентной плазмы и существования супердиффузии на планетарных плазменных границах на большом статистическом материале по данным основных спутников.

 

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

      Проект опирается на результаты экспериментальных исследований плазмы в магнитосферах Земли, Марса, Венеры и Юпитера, в которых было обнаружено появление магнитных транспортных барьеров и структуризация потока плазмы в пограничных турбулентных слоях. В космической плазме, по результатам предварительного изучения физических механизмов взаимодействия солнечного ветра с турбулентной границей магнитосферы – турбулентным транспортным барьером (или турбулентным погранслоем, ТПС) - конденсация и «дискретизация» потоков может иметь ключевое значение для понимания всей причинно-следственной цепочки процессов, происходящих в солнечной короне и солнечном ветре и с потоком энергии и вещества в систему магнитосфера-ионосфера-атмосфера. В ходе анализа данных проекта Интербол (1995-2000 гг.) было показано, что высокоширотный ТПС над полярными каспами и плазменной мантией в сингулярной точке ветвления магнитного поля может отражать до 80% плазмы у высокоширотной магнитопаузы (МП), т.е. являться транспортным барьером или препятствием. Наличие супердиффузионных скейлингов в таких барьерах пока не нашло своего объяснения.

 

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

     Участники проекта имеют опыт магнитосферных и планетарных исследований. Часть из них начинала первые исследования каспа в ионосфере и внешней магнитосфере (Интеркосмос-10, Freja) и на спутниках ПРОГНОЗ-8,10 на внешней границе полярного каспа и в высокоширотных пограничных слоях магнитосферы Земли. Результаты, полученные в проекте ИНТЕРБОЛ, существенно обогатили наши представления о высокоширотной магнитосфере. Обнаружена зона нелинейной турбулентности на внешней границе каспа - постоянно присутствующий турбулентный погранслой (ТПС), который может обеспечить основной приток плазмы солнечного ветра в магнитосферную ловушку в процессе просачивания сквозь структурированную границу и за счет диффузии на кинетических альвеновских и/или электростатических ионно-циклотронных волнах

 

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

  •  В. П. Будаев, С. П. Савин, Л. М. Зеленый, УФН, т. 181, №9, с. 905-952, 2011.
  •  С. П. Савин, В. П. Будаев, Л. М. Зеленый и др., Письма в ЖЭТФ, т. 93, вып. 12, с. 837-846, 2011.
  •  Savin, S., Amata, E., Zelenyi, et al., Ann. Geophys., 30, 1-7, doi:10.5194/angeo-30-1-2012
  •  Savin S., E. Amata, L. Zelenyi et al., JETP Letters, 87, 593, 2008
  •  Savin,S., L. Zelenyi, E. Amata et al, Planet. Space Sci., doi:10.1016/ j.pss.2010.05.001, 2010

 

8.  Список основных публикаций руководителя проекта в рецензируемых журналах:

  •  В. П. Будаев, С. П. Савин, Л. М. Зеленый, УФН, т. 181, №9, с. 905-952, 2011.
  •  С. П. Савин, В. П. Будаев, Л. М. Зеленый и др., Письма в ЖЭТФ, т. 93, вып. 12, с. 837-846, 2011.
  •  Savin, S., Amata, E., Zelenyi, et al., Ann. Geophys., 30, 1-7, doi:10.5194/angeo-30-1-2012