ИСТИНА

Проект направлен на исследования характеристик магнитосферной турбулентности и определение коэффициентов турбулентного переноса с использованием данных находящихся в открытом доступе спутниковых наблюдений (особенно, проекта MMS) и создание моделей, включающих турбулентный перенос.

The project is aimed to solving actual problems of magnetospheric physics, taking into account the high level of turbulent fluctuations and turbulent transport. The Earth's magnetosphere is formed as a result of the interaction of the Earth's magnetic field with the supersonic and super alfvénic flow of the solar wind. As a result of this interaction, a detached shock wave is formed, at which the velocity of the flow of the solar wind plasma decreases, the magnetosheath behind the shock wave, and the magnetopause, the surface on which the pressure balance of the plasma and magnetic field of the magnetosheath and the magnetic field and plasma inside the magnetosphere is maintained. The flow of the magnetosheath plasma into the magnetosphere and the acceleration of the ionospheric particles form the magnetospheric plasma, including magnetospheric boundary layers (low-latitude boundary layer and plasma mantle), plasma sheet, and ring current. The characteristic features of the regions of the magnetosheath, the low-latitude boundary layer, and the plasma sheet are a high level of turbulent fluctuations of the plasma velocity, electric and magnetic fields. The characteristics of such fluctuations have been relatively poorly studied. A problem of the existence of relatively stable structures at a high level of turbulence within the structures have not been solved. When the direction of the averaged magnetic field in the solar wind is opposite to the direction of the magnetic field of the Earth's dipole (the southern orientation of the interplanetary magnetic field (IMF), the plasma sheet has the form of a plate separating region with a low plasma concentration (tail lobes), in which the current flows from morning to evening. With the opposite long-term (~10 hours) northern IMF orientation, destruction (bifurcation) of the plasma sheet occurs and the tail lobes are filled. At the southern orientation of the IMF the auroral oval has the shape of a relatively thick (several degrees in latitude) ring and the polar cap is free from aurora, then in the northern orientation of the IMF, the aurora fills the polar cap and a structure of the aurora appears in the form of the Greek letter theta — theta aurora. The observed pattern of structural changes in the geomagnetic tail does not yet have a self-consistent description, which is associated with extremely limited information on the characteristics and dynamics of plasma sheet turbulence and the relationship of these characteristics with large-scale magnetospheric convection. Fluctuations in the plasma sheet are of the nature of intermittent turbulence. In contrast to laboratory facilities, in which an increase in fluctuations leads to the destruction of the plasma system, a fluctuation-averaged magnetostatically equilibrium configuration arises in the Earth's magnetosphere, the characteristics of which are determined by the outer boundary conditions --- the values of the dynamic pressure, velocity, density of the solar wind and the level of turbulent fluctuations in the solar wind. The processes of the formation of such a configuration, its dynamics, and the maintenance of magnetostatic equilibrium have hardly been studied. Very few theoretical and experimental works have been published. In the course of such work, it is necessary to take into account that the usually applied frozen-in condition does not describe the change in the magnetic field at plasma velocities that are small in comparison with the sound and Alfvén velocities. The project is aimed to study the characteristics of magnetospheric turbulence and determining the coefficients of turbulent transport using available online satellite observations data (especially of the MMS project) and creating models which include turbulent transport. The basis for the possibility of solving such a problem is the work performed earlier by the author of the project and with his participation. Within two years of the project implementation, results will be obtained that will significantly modify the description of processes in the plasma sheet and, as a practical way out, change the methods for prediction of the space weather.

Ожидается определение коэффициентов вихревой диффузии в различных магнитосферных областях и выявление их зависимостей от усредненного электрического и магнитного полей, условий в солнечном ветре и крупномасштабной магнитосферной конвекции. Намечено в 2023 г.: 1. Создание локальной базы данных спутниковых измерений, позволяющей получать усредненные значения параметров плазмы, электрического и магнитного полей в хвосте магнитосферы Земли при определенных интервалах значений параметров солнечного ветра и ММП и определенных параметрах геомагнитной активности. Такая база данных должна содержать список периодов наблюдений внутри плазменного слоя магнитосферы Земли, усредненные параметры солнечного ветра, ММП и геомагнитной активности в выбранном временном интервале. 2. Провести анализ всех доступных источников информации, позволяющих оценить величину крупномасштабного электрического поля утро-вечер, включая данные радарных и геомагнитных наблюдений. 3. Провести сравнение получаемых данных по крупномасштабному электрическому полю утро-вечер с существующими моделями поля, входными параметрами которых являются данные солнечного ветра и ММП. 4. Разработать методику исследований зависимости уровня флуктуаций в хвосте от величины поля утро-вечер (основного параметра двухвихревой конвекции). 5. Провести статистический анализ флуктуаций скорости плазмы, электрического и магнитного полей с целью выявления их зависимостей от параметров солнечного ветра и ММП. 6. Провести статистический анализ флуктуаций скорости плазмы, электрического и магнитного полей с целью выявления их зависимостей от геомагнитных индексов (Dst, AE, Pc). 7. Определить вклад электростатических гармоник в турбулентные флуктуации в хвосте магнитосферы Земли. 8. По мере получения результатов анализа свойств турбулентности в хвосте, приступить к созданию модели магнитостатически равновесной конфигурации, в которой регулярный транспорт компенсирует расширение слоя в результате развития турбулентности. 9. Подготовить и отправить в рецензируемые научные журналы не менее 2 работ. 10. Подготовить ряд докладов на конференциях у нас в стране и за рубежом.

Руководитель научного коллектива начал работы, связанные с изучением флуктуаций в хвосте магнитосферы Земли еще в 1993 г., защитил в 1999 г. под руководством участника проекта проф. Е.Е. Антоновой кандидатскую диссертацию на тему «Токовый слой со среднемасштабной турбулентностью и динамика плазменного слоя хвоста магнитосферы Земли». В работе [Антонова и Овчинников, 1996] было предсказано усредненное значение коэффициента вихревой диффузии, совпавшее со значением, полученном в 1998 г. по измерениям на спутнике ISEE-2 [Borovsky et al., 1998, doi:10.1029/97JA02986]. По итогам проведенных работ была опубликована статья [Antonova and Ovchinnikov,1999, doi:10.1029/1999JA900141] с подробным описанием модели, которая объясняла ряд особенностей динами геомагнитного хвоста (см. дополнительную информацию). Позже были опубликованы работы по определению коэффициентов турбулентного переноса и проверке модели по данным спутников ИНТЕРБОЛ/Хвостовой зонд, CLUSTER и THEMIS (см. список публикаций в Приложении). Но базы данных этих спутников, выложенные в Интернет, не содержали надежной информации по измерениям низкочастотных электрических полей, необходимой для детального анализа свойств турбулентности плазменного слоя. Поэтому возможность должным образом проводить анализ турбулентных характеристик геомагнитного хвоста появилась только в последнее время с запуском миссии MMS. Анализ спектров флуктуаций в диапазоне частот 0.01–32 Гц и расчет коэффициентов турбулентной диффузии по данным MMS начат нами в 2021-2022 г., первые полученные результаты легли в основу бакалаврской выпускной работы, защищенной Д.Ю.Найко (научный руководитель — к.ф.-м.н. И.Л.Овчинников). Совместные публикации членов научного коллектива за последние 5 лет содержат результаты работ по анализу магнитосферной динамики с использованием данных спутниковых наблюдений.