![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИПМех РАН |
||
Динамическое поведение магнитосферы Земли очень многообразно и зависит в определяющей степени от процессов диссипации в разреженной бесстолкновительной плазме, которые сегодня недостаточно хорошо изучены. Предполагается, что процессы диссипации происходят в тонких токовых слоях - метастабильных токовых структурах толщиной порядка ионного гирорадиуса, обнаруженных не только в магнитосфере Земли, но также в магнитосферах других планет, короне Солнца, лаборатории. К настоящему времени достигнут определенный прогресс в понимании внутренней структуры тонких токовых слоев и сделаны первые шаги к пониманию путей их формирования, эволюции, устойчивости. В рамках проекта будет проведено теоретическое и численное исследование динамики тонких токовых слоев в бесстолкновительной плазме. Особое внимание будет уделено изучению квазистационарных токовых конфигураций сложной структуры с многомасштабными и несимметричными профилями, зон маргинальной устойчивости токовых структур, а также исследованию развития в них разнообразных плазменных возмущений (например, тиринг-, кинк-, sausage, "косых" мод). Будет оценена роль плазменных неустойчивостей в процессах взрывного разрушения токового слоя, начале процессов пересоединения, сопровождающихся взрывным высвобождением энергии. Предполагается исследовать процессы рассеяния и ускорения частиц в турбулентных токовых слоях. С помощью численного моделирования будет исследовано динамическое поведение токовых слоев в присутствии плазменных возмущений, изучен режим осцилляций типа флаппинга, обусловленный случайными флуктуациями источников плазмы. Таким образом, результаты намеченных исследований помогут ответить на вопрос о характере, основных механизмах формирования и нелинейной эволюции тонких токовых слоев в бесстолкновительной плазме.
1. Модифицировать имеющуюся стационарную модель тонкого анизотропного токового слоя с учетом: (1) шировой компоненты магнитного поля, (2) немаксвелловских функций распределения ионов плазмы, (3) нескольких плазменных компонент с различной температурой. 2. В рамках линейной теории возмущений и разрабатываемой участниками проекта теории бестолкновительных анизотропных токовых слоев провести исследования: (1) разрывной тиринг- неустойчивости в самосогласованном токовом слое; (2) влияния асимметрии токовых слоев на развитие тиринг неустойчивости; (3) влияния популяции ионов кислорода на развитие тиринг неустойчивости; (4) устойчивости токовых слоёв с плазменными компонентами, имеющими разные температуры; (5) тиринг-неустойчивости токовых слоев с широм магнитного поля; (6) тиринг-неустойчивости на нелинейной стадии развития; (7) кинк и sausage (соседж)-неустойчивостей, оценить влияние на них шира магнитного поля; (8) «косых» мод (возмущений, распространяющихся под углом к направлению магнитных силовых линий) в анизотропных токовых слоях; также оценить влияние шира и асимметрии магнитного поля; (9) сравнение экспериментальных исследований тонких токовых слоев с теоретическими результатами. 3. Используя данные численного моделирования процессов сжатия токового слоя (в рамках нескольких сценариев из работы [3]), представляющие собой набор эволюционирующих во времени профилей магнитного поля, плотности тока, электрического поля и плотности плазмы, провести линейный анализ тиринг-неустойчивости «мгновенных снимков» хвостовых токовых конфигураций [4], сделать оценки времен развития неустойчивости и сужения токового слоя, определить «направление движения» системы в пространстве параметров. Проведя анализ полученных результатов по переходу системы из устойчивого в неустойчивое состояние, оценить возможную роль тиринг-неустойчивости в развитии геомагнитного возмущения, построить возможные сценарии суббуревой активности в хвосте магнитосферы Земли, описывающие процессы накопления и высвобождения энергии в токовом слое, развитие плазменных неустойчивостей и взрывное разрушение. Сопоставив полученные сценарии с имеющимися экспериментальными данными и другими возможными механизмами развития магнитосферных суббурь, выделить возможные физические процессы, приводящие магнитосферный токовый слой к неустойчивому состоянию. 4. С помощью численных расчетов произвести трассирование заряженных частиц в заданных флуктуирующих магнитных и электрических полях токового слоя исследовать процессы рассеяния и ускорения частиц, построить их энергетические спектры, изучить эволюцию функций распределения частиц, провести полное исследование зависимости процессов рассеяния от вида турбулентных полей (набор волновых электромагнитных пакетов без корреляций, с дальними пространственной и временной корреляциями, «магнитные облака» и проч.). Провести сравнение с экспериментально измеренными зависимостями характеристик турбулентностей в хвосте магнитосферы и оценить возможность построения самосогласованной модели турбулентного токового слоя. 5. Осуществить численное моделирование динамики бесстолкновительных токовых слоев методом крупных частиц, в частности моделирование вертикальных колебательных (флаппинговых) движений ТС за счет флуктуирующих источников плазмы на периферии. Начать разработку численной двумерной гибридной модели тонкого анизотропного токового слоя с ненулевой нормальной компонентой магнитного поля для исследования развития в нем разрывной тиринг-неустойчивости.
Участники проекта активно развивали новые подходы к изучению равновесных анизотропных токовых слоев в магнитосферной плазме. Разработана самосогласованная теория токовых слоев, создаваемых пролетными ионами на спейсеровских орбитах [26], созданы численные коды для моделирования равновесных токовых слоев методом крупных частиц [29]. В работах [31] продемонстрировано, что процессы рассеяния пролетных ионов могут быть причиной накопления в ТС квазизахваченной плазмы и медленной эволюции токового слоя, которая может приводить к разрушению системы. Впервые в самосогласованной модели анизотропных токовых слоев учтены электростатические эффекты [32].Впервые построена самосогласованная модель многомасштабного вложенного токового слоя с тремя плазменными компонентами: ионов водорода H+, ионов кислорода O+ и электронов e-. Оценен верхний предел (~30%) вклада парциального тока ионов кислорода в полный ток поперек магнитосферного хвоста [33]. Было рассмотрено самосогласованное равновесие с одним источником плазмы вне токового слоя. Продемонстрировано, что изменение баланса давлений приводит к смещению токового слоя как целого в сторону, противоположную источнику плазмы. Этот механизм, может быть применен для объяснения вертикальных движений ТТС под действием естественных флуктуаций источников плазмы в долях магнитосферы [34]. Используя метод вариации возмущенной энергии, участники проекта активно разрабатывают теорию устойчивости анизотропных токовых слоев по отношению к крупномасштабным модам возмущений: тиринг-, кинк-, «соседж»-, «косых» мод. Впервые проанализирован энергетический баланс тиринг-моды в модели анизотропного самосогласованного ТТС. Получены оценки энергии возмущения, представляющие собой функционал с нелокальными слагаемыми. Впервые проведена численная минимизация функционала энергии тиринг-моды в модели анизотропного ТС, найдены собственные функции возмущенного вектора-потенциала, оценены области маргинальной устойчивости в пространстве параметров системы.
За отчетные годы работа по гранту проходила в трех основных направлениях: 1) исследование равновесной структуры метастабильных токовых слоев в космической плазме на основе развиваемой аналитической модели и моделирования методом крупных частиц; 2) изучение плазменных неустойчивостей в тонких токовых слоях (толщиной порядка ионного гирорадиуса) и развитие концепции их метастабильности; 3) исследование процессов переноса и ускорения плазмы в токовых слоях с учетом волновой активности и плазменной турбулентности. Показано, что предельно тонкие токовые слои, часто наблюдаемые в космической плазме, являются плазменными структурами с особыми свойствами, отличными от хорошо известных изотропных слоев. Так, функции распределения плазмы по скоростям имеют выделенное направление скоростей вдоль магнитного поля и могут иметь степенной характер или могут включать две (или более) плазменные популяции с разными температурами. Показано, что анизотропные токовые слои представляют собой многомасштабные вложенные структуры, в которых внутренний электронный токовый слой вложен в более широкий протонный слой, который, в свою очередь, может быть вложен внутрь еще более широкого токового слоя захваченных и/или тяжелых частиц (что зависит от состава плазмы), а вся эта конфигурация вложена во внешний плазменный слой. Получены и детально исследованы сложные плазменные равновесия, включающие в себя дважды и трижды расщепленные, а также несимметричные слои. Толщины таких токовых слоев могут существенно варьироваться и, в конечном счете, определяются температурой наиболее горячей ионной компоненты. Показано, что анизотропный токовый слой является квазиравновесной структурой, которая самосогласованно может поддерживаться даже в отсутствие одного из источников плазмы в одной из долей магнитосферы. Потеря равновесия токовым слоем вследствие апериодического возмущения (например, избытка захваченной плазмы, асимметрии источников плазмы или наличия сдвиговой компоненты магнитного поля) может произойти, только если это возмущение очень велико и приводит к сильным искажениям исходного равновесия. Исследование тонких токовых слоев в рамках линейной теории устойчивости позволило решить теоретическую проблему, которая достаточно долго исследовалась, начиная с 60-х годов, но потом интерес к ней был потерян вследствие кажущейся неразрешимости парадокса устойчивости изотропного токового слоя (с ненулевой нормальной компонентой магнитного поля) по отношению к разрывной (тиринг-) волновой моде как наиболее вероятному механизму триггерного включения суббурь. Исследования устойчивости в самосогласованной модели анизотропного токового слоя в хвосте магнитосферы Земли показали, что такой токовый слой может быть неустойчивым по отношению к разрывной моде, но только лишь в узких «щелях» неустойчивости, вложенных в устойчивую зону в пространстве параметров системы. Такая зависимость от параметров объясняет свойство метастабильности токовых слоев, когда они могут относительно долго пребывать в устойчивом состоянии, а потом, при определенном изменении параметров системы, попадать в «щель» неустойчивости и взрывным образом разрушаться. Исследована возможность развития изгибной (кинк-) и косых мод в анизотропных тонких токовых слоях. Показано, что инкременты развития тиринг- и кинк- мод сопоставимы, т.е. эти моды могут наблюдаться одновременно. Изгибные возмущения распространяются вдоль линий тока и, возможно, являются ответственными за появление крупномасштабных вертикальных волн в токовом слое магнитосферного хвоста во время суббурь. В приближении линейной теории возмущения для уравнений Власова найдены профили возмущенных векторных потенциалов, инкременты нарастания неустойчивостей, исследовано влияние плазменной анизотропии и асимметрии токового слоя на их развитие. Проведено сравнение с относительно быстрыми волновыми возмущениями изгибного типа, наблюдаемыми спутниками Cluster. Обнаружено, что данные наблюдений хорошо согласуются с предсказаниями рассматриваемой теоретической модели. Предложен сценарий суббуревой трансформации геомагнитного хвоста и перехода его в неустойчивое состояние на основе результатов численного моделирования процесса утоньшения токового слоя в геомагнитном хвосте, а также на основе изучения реализации метастабильности токовых слоев в процессе их эволюции. Оценены изменения параметров системы в процессе преобразования начального двумерного «толстого» плазменного равновесия (которое хорошо описывается в рамках МГД -приближения, в относительно тонкую токовую структуру); дальнейшей кинетической эволюции и формирования предельно тонкого токового слоя; релаксации системы в новое метастабильное равновесие. Показано, что спонтанно возникающее тиринг-возмущение может способствовать разрыву тока. Оценка длина волны тиринг-моды, полученная на основе данного сценария согласуется с экспериментальными наблюдениями во время взрывной фазы суббури. Рассмотрены эффекты ускорения и переноса заряженных частиц в двухмерной конфигурации ансамбля электромагнитных волн с многомасштабной пространственно-временной структурой. Показано, что как ускорение частиц, так и их перенос имеют строго недиффузионный характер и сильную зависимость от топологии турбулентной компоненты магнитного поля. Обнаружено, что при прохождении потока частиц через область турбулентных электромагнитных полей формируется функция распределения частиц по скоростям со степенными крыльями типа «каппа - распределения». Показано, что механизм взаимодействия частиц с электромагнитными турбулентными полями может объяснить образование степенных энергетических распределений в плазме. Результаты данной работы могут быть использованы для объяснения плазменного нагрева в хвостах магнитосфер планет солнечной системы и в короне Солнца. Исследованы механизмы ускорения и энергизации заряженных частиц в магнитосферах Меркурия и Земли в рамках глобальных моделей магнитосфер планет. Показано, что наиболее эффективными механизмами ускорения в магнитосфере Меркурия являются рассеяние частиц на плазменной турбулентности и их рассеяние в результате многократных диполизаций магнитного поля во время суббуревых возмущений (которые происходят гораздо чаще, чем земные, и имеют существенно меньшую продолжительность). Вклад этих механизмов ускорения и нагрева более существенен для Меркурия, чем для Земли, из-за малости магнитосферы Меркурия, ее сильной изменчивости и близости к Солнцу. Оценен верхний предел энергий ускоренных частиц (порядка сотни кэВ), который определяется соотношением между ларморовскими радиусами ускоренных частиц и размерами меркурианской магнитосферы. Разработана обобщенная гибридная модель двумерного плазменного равновесия, в которой учтены пролетная и захваченная компоненты плазмы и электростатические эффекты. Созданы численные коды, с помощью которых получены первые результаты: равновесные самосогласованные решения системы уравнений, учитывающей ионы в кинетическом приближении, а электроны - в больцмановском приближении. Модель находится в дальнейшей разработке с целью проведения всестороннего изучения влияния пролетных и захваченных ионов, электростатических эффектов, на структуру двумерных токовых слоев и их устойчивость, в частности условия развития разрывной и других мод. Разработана кинетическая двумерная модель цилиндрического токового слоя, применимого для описания магнитосфер внешних планет солнечной системы – Урана и Нептуна, а также астероида Плутона (у которых угол наклона магнитного диполя близок к направлению распространения солнечного ветра). В широком диапазоне изменения параметров задачи получены самосогласованные аналитические и численные решения системы уравнений Власова-Максвелла для распределений магнитного поля, плотности тока и плазмы в цилиндрической геометрии. На основе редуцированной одномерной цилиндрической модели проведено исследование развития изгибного (кинк-) возмущения в токовых слоях, оценены инкременты развития изгибных мод в зависимости от параметров токового слоя.
грант РФФИ |
# | Сроки | Название |
3 | 1 января 2008 г.-31 декабря 2010 г. | Метастабильные состояния токовых слоев в бесстолкновительной космической плазме |
Результаты этапа: |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".