ИСТИНА

Развитие спутниковых исследований солнечной системы в последние десятилетия позволило получить ценную информацию о свойствах практически всех планет солнечной системы, даже самых отдаленных. В свете экспериментальных наблюдений магнитосферы планет представляют собой топологически сходные магнитоплазменные структуры, вложенные в гелиосферу - гигантскую полость вокруг Солнца, заполненную исходящей из него плазмой и взаимодействующую с межзвездной средой. Магнитосферы планет, обтекаемые потоком солнечного ветра, очень динамичны и могут испытывать периодические возмущения –бури и суббури, во время которых запасенная из солнечного ветра энергия взрывным образом высвобождается в виде кинетической энергии частиц, их нагрева и генерации электрических и магнитных волн. Токовые слои в хвостах магнитосфер разных планет, характерными чертами которых являются многомасштабность и метастабильность, являются ключевыми структурами, ответственными за накопление и высвобождение энергии. На фоне растущего количества новых экспериментальных данных, получаемых в ходе современных космических миссий, необходимо теоретическое осмысление процессов, происходящих в магнитосферах различных планет солнечной системы, выявление их фундаментальных различий и сходства как космических объектов. Теоретические модели будут проверяться и сравниваться, таким образом, не с одной, а сразу с несколькими планетами солнечной системы (что в перспективе окажется важным для изучения возможных типов магнитосфер, экзосфер и других объектов солнечной системы). С этой целью в рамках проекта будет проведено теоретическое и численное исследование моделей токовых слоев планет земного типа (Меркурий, Земля), планет-гигантов (магнитодиски Юпитера, Сатурна) и планет с сильным наклоном магнитного диполя (Урана и малой планеты - Плутона), которые могут иметь цилиндрическую структуру тока в хвосте. После построения стационарных моделей многомасштабных токовых конфигураций, на следующем этапе будет исследовано развитие в них плазменных возмущений (разрывной, изгибной и перетяжечной мод). Численные модели (метод крупных частиц, трассирования) позволят исследовать динамику заряженных частиц в хвостах планетарных магнитосфер и оценить ее влияние на форму и масштаб токового слоя. Основываясь на количественных оценках и результатах моделирования, предполагается показать, что плазменные процессы в планетах земного типа, с относительно малыми магнитосферами, в гораздо большей степени зависят от взаимодействия с солнечным ветром, чем плазменные процессы, происходящие в мощных магнитосферах планет-гигантов. Результаты этих исследований помогут объяснять экспериментальные закономерности, а также предсказывать новые эффекты, которые обнаруживаются в процессе спутниковых наблюдений планет солнечной системы и окружающего их космического пространства.

В отчетный период были получены результаты по следующим направлениям исследований токовых слоев магнитосфер планет Солнечной системы: 1) Цилиндрические и плоские токовые слои планет. Построены две модели цилиндрически симметричных токовых слоев в магнитосферах планет с сильным наклоном диполя к плоскости эклиптики (Нептун, Уран): в приближении бесконечно тонкого и распределенного токовых слоев; исследована их структура и изгибная неустойчивость. Оценены характерные времена развития изгибных неустойчивостей, их роль в глобальной динамике магнитосферы Нептуна. Построены две стационарные осесимметричные самосогласованные модели магнитодиска Юпитера: МГД и кинетическая. Оценены границы магнитодиска в радиальном направлении; проведено сопоставление с экспериментальными данными. Рассмотрен новый класс решений уравнений типа Грэда-Шафранова, описывающих плоские и аксиально-симметричные токовые слои. Показано, что уравнения обладают групповой симметрией только для максвелловских и каппа-распределений частиц. Исследовано влияние периодически меняющейся магнитосферы Нептуна на процессы ускорения и транспорта заряженных частиц вдоль хвоста магнитосферы; получены энергетические спектры для протонов и тяжелых ионов N+. В рамках МГД-модели оценена длина хвоста магнитосферы Венеры; проведено сравнение с экспериментальными данными. 2) Структура и динамика кинетического вложенного токового слоя. Построена и исследована самосогласованная модель токового слоя, учитывающая его продольную неоднородность. Показано, что различные популяции частиц плазмы концентрируются в различных областях токового слоя и поддерживают неоднородность плотности тока внутри многократно вложенного многомасштабного токового слоя. Исследованы дрейфовые неустойчивости двухмасштабного слабо двухмерного токового слоя хвоста земной магнитосферы. Получены дисперсионные соотношения для изгибной и перетяжечной мод возмущений в зависимости от соотношения параметров тонкого и фонового токовых слоёв. Показано, что присутствие фонового слоя приводит к уменьшению величин инкрементов неустойчивости и существенному увеличению длин волн возмущений. 3) Иследование шировых мод в тонком токовом слое в хвосте магнитосферы. Построены и исследованы самосогласованные модели тонкого токового слоя в бесстолкновительной плазме с учетом глобальной сдвиговой компоненты магнитного поля; показана взаимосвязь структуры токового слоя с асимметричным рассеянием частиц. В рамках численной самосогласованной модели (метод крупных частиц) проведен анализ структуры токового слоя в присутствии локальных: симметричной и асимметричной шировых мод магнитного поля. Анализ показывает, что структура токового слоя и его толщина существенным образом зависят от типа шировой моды. 4) Квазиадиабатическая динамика частиц. Исследована динамика ионов в бифурцированных токовых слоях с двумя максимумами плотности тока. Изучена квазиадиабатическая динамика частиц, связанная с нарушением сохранения квазиадиабатического инварианта движения. Написан обзор, посвященный последовательному изложению теории квазиадиабатического движения частиц в хвосте магнитосферы Земли.