Физика космичеческой плазмы

1 Разработана методика создания краткосрочного оперативного предупреждения о начале и амплитуде геомагнитных возмущений по измерениям солнечного ветра на околоземной орбите.
Исследована на основе сравнения одновременных измерений на нескольких космических аппаратах надежность измерений больших вариаций солнечного ветра и межпланетного магнитного поля в удаленной от Земли точке либрации. Показано, что достоверность таких измерений составляет более 90%. На основе сопоставления данных по солнечному ветру и геомагнитным вариациям создана шкала амплитуд геомагнитных возмущений в зависимости от параметров солнечного ветра. Полученные результаты реализованы в виде метода генерирования оперативного предупреждения о силе и начале геомагнитных возмущений по данным, передающимся в реальном времени с КA "ACE". Действующий прототип методики реализован в сети Интернет на сайте ИКИ РАН http://www.iki.rssi.ru/apetruko/forecast/forecast.html. (к.ф.-м.н. А.А. Петрукович, 333-40-24, apetruko@iki.rssi.ru;
A.A.Petrukovich, A.Lazarus, R.P.Lepping, S.I.Klimov, Comparison of the solar wind energy input to the magnetosphere measured by Wind and Interball-1, JASTP, 63/15, 1643-1647, 2001.)

2 Исследование турбулентных процессов в хвосте магнитосферы Земли методами фрактальной геометрии и численного моделирования.
В 2001 году выполнен цикл исследований, посвящённый применению различных теоретических методов к проблеме турбулентных состояний токовых слоёв в бесстолкновительной плазме с большим значением "Bеta" (отношение газового давления к магнитному). Такая плазма обладает многомасштабной структурированностью, которая при экспериментальных исследованиях выглядит как турбулентность.
Показано, что такие системы обладают универсальным Фурье-спектром магнитных флуктуаций. При достижении параметрами конфигурации критических значений (например, при усилении протекающего через неё тока), самосогласованная система плазменных структур и ветвящихся токов разрушается, и плазменная конфигурация испытывает фазовый переход. Такая модель позволяет объяснить механизм взрывной фазы суббури как структурный переход в состояние с качественно изменённой топологией поперечных токов. В частности, подобная надпороговая токовая сеть включает в себя ответвление значительной части хвостового тока в ионосферу, что является основным элементом диссипативной фазы магнитосферной суббури. Нелинейный инверсный каскад структур из малых масштабов в большие, сопровождающий этот процесс, чётко наблюдается в различных спутниковых экспериментах. Многомасштабные плазменные структуры, существующие в хвосте, обладают сложной внутренней динамикой. Их движение приводит к генерации значительных индукционных электрических полей, ускоряющих частицы в хвосте за счёт механизма близкого к ускорению Ферми. Этот сложный процесс удалось описать с помощью т.н. дробного кинетического уравнения (описывающего движение частиц на фрактальных множествах).
В результате показано, что перманентный процесс взаимодействия частиц с многомасштабными фрактальными структурами приводит к формированию универсальных функций распределения заряжённых частиц в хвосте, обладающих немаксвелловскими степенными хвостами. Наличие таких постоянно присутствующих максвелловских хвостов было давно известно из многочисленных спутниковых экспериментов, и долгое время оставалось непонятным. Развитая модель "странного" ускорения Ферми объясняет как перманентное наличие таких хвостов, так и их относительную стабильность, (итоговая форма спектра малочувствительна к детальной структуре турбулентности). Проведённые численные эксперименты, в которых моделировалось движение частиц в средах с заданной многомасштабной турбулентностью, подтверждают теоретические выводы.
(д.ф.-м.н., профессор Л.М. Зеленый, 333-51-22, lzelenyi@iki.rssi.ru;
A.V.Milovanov, L.M.Zelenyi, G.Zimbardo, P.Veltri; Self-organized branching of magnetotail current systems near the percolation threshold; J.Geophys.Res., v. 106, No.A-4, pp. 6291-6307, 2001; A.V.Milovanov, L.M.Zelenyi, P.Veltri, G.Zimbardo, .L.Taktakishvili, Geometric description of the magnetic field and plasma coupling in the near-Earth stretched tail prior to a substorm, J. Atm. Solar-Terr. Phys., v. 63, No.5, pp. 705-721, 2001; A.V.Milovanov, L.M.Zelenyi; "Strange" Fermi processes and power-law nonthermal tails from a self-consistent fractional kinetic equation; Phys. Rev. E, v. 64, p. 05211, 2001.)

3. Впервые экспериментально подтвержден физический механизм формирования поляризационного джета за счет инжекции энергичных частиц при вспышке суббури.
Ряд различных физических механизмов был предложен для формирования поляризационного джета (PJ) - узкой полосы направленного к полюсу электрического поля вдоль плазмопаузы, вызывающего сверхзвуковой дрейф и нагрев плазмы, неоднородности концентрации, слабую субавроральную красную дугу. Интерпретация осложнялась тем, что в литературе господствовало представление о формировании PJ на фазе затухания суббури, но недавно было показано (Халипов и др., 2001), что PJ формируется на фазе вспышки.
Анализ многолетних наземных измерений PJ на широтной цепочке ионосферных станций в Якутии (3 < L < 5; MLT = UT + 9 h) позволил выявить ряд случаев одновременных измерений PJ с наземных станций и энергичных частиц со спутников AMPTE/CCE и ИНТЕРБОЛ-2. Такие одновременные измерения очень редки, т.к. требуют совпадения прохождения спутника над станцией, появления здесь PJ, и, конечно, проведения соответствующих измерений как на спутнике, так и с Земли.

4. Анализ характеристик солнечного ветра на больших гелиоцентрических расстояниях. Разработано математическое обеспечение для обработки плазменных данных, полученных с помощью прибора IBS, входящем в плазменный комплекс CAPS, установленном на космическом аппарате CASSINI. Обработан большой объем данных по солнечному ветру, полученном в результате пролета космического аппарата вблизи Юпитера, когда CASSINI осуществлял гравитационный маневр вблизи планеты. Обнаружено, что в течение длительного времени, скорость основных компонент солнечного ветра стабильна и составляет 380-420 км/с, плотность 0.8- 1.2 см-3. Однако, как следует из результатов обработки, отношение температур гелиевой компоненты к протонной отличается от ожидаемой величины ~3.8 - 4 и в среднем составляет 2.7. По-видимому, обнаруженный факт может быть связан с тем, что ионы гелия охлаждаются несколько быстрее, чем протоны. Однако, необходим дальнейший анализ данных для объяснения особенностей свойств солнечного ветра на таких больших расстояниях от Солнца
(к.ф-м.н. Смирнов В.Н., к.ф-м.н. Аванов Л.А., проф. О.Л. Вайсберг, 333-43-56, vsm@plasma.iki.rssi.ru)

5.Экспериментально обнаружена и изучена асимметрия положения околоземной ударной волны в плоскости терминатора.
По данным Магион-4 (субспутника Интербола-1) и космического аппарата Wind обнаружена асимметрия положения околоземной ударной волны в плоскости терминатора. Исследована зависимость этого эффекта от параметров солнечного ветра. Показано, что сечение околоземной ударной волны плоскостью терминатора асимметрично только при значительном различии магнитозвуковой скорости и максимальной из альвеновской и звуковой скоростей в потоке солнечного ветра (г,е). Эффект пропадает при малом различии вышеупомянутых скоростей (а,в,д) и при течении солнечного ветра вдоль межпланетного магнитного поля (а,б). Если направление межпланетного магнитного поля квазиперпендикулярно скорости солнечного ветра, то отношение осей эллипсоида сечения околоземной ударной волны может достигать ~ 1,1 (е). Кроме того, при типичном для околоземного солнечного ветра угле ~ 45o между направлением солнечного ветра и межпланетного магнитного поля, эллипсоид сечения околоземной ударной волны не только вытянут в направлении перпендикулярном магнитному полю, но и на ~ 1,5 радиуса Земли сдвинут в "утреннем" направлении (г).
(д.ф.-м.н. М.И. Веригин, т. 333-32-33, verigin@iki.rssi.ru;


M. Verigin, G. Kotova, A.Szabo, J. Slavin, T. Gombosi, K. Kabin, F. Shugaev, A., Kalinchenko, WIND observations of the terrestrial bow shock 3-d shape and motion, Earth Planets & Space, v. 53, No.10, pp. 1001-1009, 2001; M. Verigin, G. Kotova, J. Slavin, A. Szabo, M. Kessel, J. Safrankova, Z. Nemecek, T. Gombosi, K. Kabin, F. Shugaev, and A. Kalinchenko, Analysis of the 3-D shape of the terrestrial bow shock by Interball/Magion 4 observations, Adv. Space Res., 2001 (accepted).)

6. Проникновение солнечной плазмы в высокоширотную магнитосферу: сравнение наблюдений и результатов численного моделирования. Данные Интербола-1, Магиона-4, Полара, Геотейла, DMSP и Винда на границе магнитосферы, в ионосфере и солнечном ветре позволили провести уникальное сравнение с результатами численного моделирования с использованием как газодинамической модели обтекания магнитосферы типа Спрайтера-Стахары, так и Интегрированной МГД-модели для космической погоды ISM. Данные солнечного ветра в реальном времени использовались на входе моделей, что и позволило надежно отделить динамические эффекты за счет возмущений в солнечном ветре от процессов, определяющие проникновение плазмы. Благодаря широкому охвату наблюдений мы получили подтверждение прямого проникновения солнечной плазмы именно на высоких широтах в районе полярного каспа и так называемого "сэша" (sash) - продолжения каспа в хвост магнитосферы при большом поперечном магнитном поле в солнечном ветре. Это явилось одним из первых надежных подтверждений существования предсказанного моделированием "сэша" и проникновения через него плазмы даже в полуночный сектор авроральной ионосферы. Одновременные данные над северным (летним) и южным (зимним) каспами показали локальное происхождение и одинаковые спектральные и би-спектральные свойства турбулентного погранслоя в обоих полушариях, которые не могут быть объяснены возмущениями в солнечном ветре. В то же время, топология погранслоя оказалась разной: (а) летний, открытый прямому взаимодействию с солнечным ветром за счет наклона магнитного поля в сторону солнца, отделен от обтекающего потока застойной зоной вне магнитопаузы; (б) зимний - непосредственно взаимодействует с потоком через турбулентный погранслой, причем сразу под магнитопаузой обнаружен "плазменный пузырь" (plasma ball) размером в несколько земных радиусов с размагниченной плазмой, что постфактум подтверждает название проекта ИНТЕРБОЛ (INTERBALL). Причем, отсутствие баланса магнитного натяжения не согласуется с крупномасштабным пересоединением в качестве источника, скорее флуктуирующие поля в турбулентном погранслое, пересоединяясь на мелких масштабах, впрыскивают плазму в "плазменный пузырь". Заметим также, что именно проектирование с помощью газодинамической модели межпланетного магнитного поля на орбиты ИНТЕРБОЛА и ПОЛАРА позволило однозначно определить топологию погранслоя. Спектральные свойства турбулентного погранслоя подтверждаются и по первым данным измерений электрического поля в проекте Кластер
(к.ф.-м.н. Савин С.П., 333-11-00, ssavin@iki.rssi.ru;
Savin, S., L. Zelenyi, N. Maynard, I. Sandahl, H. Kawano , C. T. Russell et al., Multi-spacecraft Tracing of Turbulent Boundary Layer, Adv. Space Res., v. 23, (COSPAR-2000 Proceedings) in press, 2001; Maynard N.C., S.Savin, G.A.Erickson, H.Kawano, Z.Nemecek, W.K.Peterson, J.Safrankova, I.Sandahl, J.D.Scudder, G.L.Siscoe, B.U.O.Sonnerup, D.R.Weimer, G.R.Wilson, W.W.White, and Yu.Yermolaev, Observation of the magnetospheric "sash" and it simplications relative to solar-wind/magnetospheric coupling: A multisatellite event analysis, J.Geophys. Res., v. 106, No. A4, pp. 6097, 2001; Dubinin, E., A. Skalsky, P. Song, S. Savin et al., POLAR-INTERBALL coordinated observations of plasma characteristics in the regions of the northern and southern distant cusps, J. Geophys. Res., v. 106, accepted, 2001.)

7. Исследование вариаций плазмы и поля в магнитослое.
Был проведен событийный и статистический анализ радиальных профилей распределения поперек магнитослоя потоков ионов и модуля магнитного поля и амплитуд их абсолютных и относительных низкочастотных и высокочастотных вариаций, как для утреннего, так и для вечернего фланга магнитосферы, по данным спутника ИНТЕРБОЛ-1. Изучена зависимость амплитуды вариаций поля и плазмы от положения спутника относительно границ магнитослоя. При этом (для вечернего фланга) получено, что амплитуда высокочастотных вариаций плотности плазмы примерно постоянна во всем магнитослое, а амплитуда вариаций поля падает от магнитопаузы к ударной волне. Рассмотрена также зависимость вариаций от внешних условий - в первую очередь от направления межпланетного магнитного поля. Впервые было показано, что амплитуда вариаций и плазмы и магнитного поля в магнитослое значительно возрастает, если поток солнечного ветра входит в магнитослой через квази-параллельную ударную волну.
(Научный руководитель - д.ф.-м.н. Г.Н. Застенкер, 333-13-88, gzastenk@iki.rssi.ru,
Z. Nemecek, J. Safrankova, G.N. Zastenker, P. Pisoft, Statistical study of ion flux fluctuations in the magnetosheath, Czech Journ. Phys., v.51, N 8, pp.853-862, 2001; G.N. Zastenker, M.N. Nozdrachev, J. Safrankova, Z. Nemecek, K.I. Paularena, J.D. Richardson, R.P. Lepping, T. Mukai, Multispacecraft measurements of plasma and magnetic field variations in the magnetosheath: comparison with Spreiter models and motion of the structures, submitted to Planetary and Space Sciences 2001; Z. Nemecek, J. Safrankova, G.N. Zastenker, P. Pisoft, K. Jelinek, Low-frequency variations of the ion flux in the magnetosheath, submitted to Planetary and Space Sciences, 2001.)

8.Изучение модификации солнечного ветра в форшоке
Был выполнен детальный анализ нескольких десятков случаев одновременного наблюдения на спутниках ИНТЕРБОЛ-1 и МАГИОН-4 больших и быстрых вариаций потока ионов солнечного ветра в форшоке перед околоземной ударной волной. Особенностью этих наблюдений было сравнительно малое расстояние между спутниками - от 1000 до 5000 км. Сопоставление наблюдений в форшоке при различном расположении спутника и его субспутника позволило впервые по плазменным данным определить корреляционную длину структур в плоскости, перпендикулярной направлению движения солнечного ветра. Эта длина составляет по нашим данным приблизительно 13000 км (т.е. около 2 Re) . Рассмотрение измерений потока ионов с высоким временным разрешением позволило, также впервые, показать, что вариации плазмы в форшоке представляют собой быстрые магнито-звуковые волны, бегущие вверх по потоку от ударной волны со скоростью около 80 км/с, но сносимые вниз солнечным ветром с гораздо большей скоростью (около 400 км/с). Была также разработана методика оценки скорости мелкомасштабных квазигармонических структур в форшоке по наблюдениям на двух спутниках.
(Научный руководитель - д.ф.-м.н. Г.Н. Застенкер, 333-13-88, gzastenk@iki.rssi.ru;
P.E. Eiges, V.E. Eiges, Multipoint measurements approach to evaluation of small-scale quasiharmonic structures velocity in the Earth'd foreshock. Case study, Proceedings of the Sheffield Space Plasma Meeting, ESA SP-492, pp.73-75, 2001; П.Е. Эйгес, Г.Н. Застенкер, Я. Шафранкова, З. Немечек, Н.А. Эйсмонт, Статистический подход к оценке средней корреляционной длины и скорости распространения среднемасштабных вариаций плазмы в области околоземного форшока, Космические исследования, т.39, N 5, стр.463-469, 2001).

9.Событийное и статистическое изучение свойств резких и больших скачков потока ионов (плотности) солнечного ветра.
Проведен детальный анализ систематических измерений потока ионов солнечного ветра на спутнике ИНТЕРБОЛ-1 за 1996-1999 гг. и выделено несколько десятков тысяч резких (менее, чем за 10 мин.) и больших возрастаний/спадов потока (плотности плазмы) и, соответственно, скачков динамического давления.
Получена оценка средней частоты таких событий (больших и резких скачков потока и давления солнечного ветра) в зависимости от их амплитуды - от 50 скачков в день с амплитудой 0.4-0.7 нПа до одного скачка раз в 5 дней с амплитудой больше 6 нПа. При этом для больших скачков средняя относительная амплитуда скачка составляет около 100%.
Показано, что около половины больших скачков потока (и давления) связаны только с изменениями плотности плазмы в отсутствие заметных изменений скорости солнечного ветра, амплитуды и направления межпланетного магнитного поля. Проведено детальное сопоставление временного хода потока ионов для больших скачков по данным 3-4 космических аппаратов (ИНТЕРБОЛ-1, WIND, IMP 8, Geotail). Показано, что примерно для 20% событий имеется заметное отличие амплитуды и времени прихода (вследствие большого наклона фронтов) возмущения к Земле по сравнению с наблюдениями на удаленном мониторе (WIND), что может быть существенным для кратковременных предсказаний Космической Погоды.
(Научный руководитель - д.ф.-м.н. Г.Н. Застенкер, 333-13-88, gzastenk@iki.rssi.ru;
M.O. Riazantseva, P.A. Dalin, G.N. Zastenker, Statistical study of the sharp and large solar wind ion flux changes by INTERBALL-1 satellite measurements, Proceedings of WDS'01 Conference, Part II, Physics of plasmas and ionized media, pp.233-238, 2001; P.A. Dalin, G.N. Zastenker, K.I. Paularena, J.D. Richardson, A Survey of large, steep solar wind dynamic pressure changes observed by INTERBALL-1 and IMP 8, submitted to Annales Geophysicae 2001.)

10. Турбуленьный погранслой на границе геомагнитной ловушки.
По спутниковым данным проекта ИНТЕРБОЛ обнаружено новое явление: термализация потока горячей плазмы в распределенной области над полярными каспами - с "дальнодействующими" вихревыми дорожками и локальными разрывами / солитонами. Просачивание плазмы сквозь структурированную границу и вторичное пересоединение флуктуирующих магнитных полей в высокоширотном турбулентном пограничном слое (ТПС) объясняют основной приток плазмы солнечного ветра в магнитосферную ловушку. Термализация ионов, в отличие от ударной волны, сопровождается генерацией каскадов когерентных альвеновских волновых пакетов с масштабами от ионного гирорадиуса до радиуса кривизны магнитного поля, а также диамагнитных полостей с размагниченной и нагретой плазмой внутри. Эта "кипящая" плазма характеризуется областью частот со спектром, отличным от колмогоровского (с наклонами 1.2 и 2.4 вместо 5/3 - 3/2). Обнаружена самоорганизация флуктуаций в погранслое - синхронизация трехволновых распадов на выделенных масштабах.
(к.ф.-м.н. Савин С.П., 333-11-00, ssavin@iki.rssi.ru;
С. П. Савин, Л. М. Зеленый, С. А. Романов, А. А. Скальский, С. И. Климов, А. А. Галеев, В. Н. Смирнов, Э. Амата, Л. А. Аванов, Я Бленцки, Й. Бюхнер, Ю. И. Ермолаев, Э. М. Дубинин, З. Немечек, Б Никутовски, М. Н. Ноздрачев, А. Педерсен, Ж.-Л. Рош, Ю. Рустенбах, Ж.-А. Сово, П. Сонг, К Стасевич, Я. Шафранкова, Турбуленьный погранслой на границе геомагнитной ловушки, Письма ЖЭТФ, принято к печати, 2001).

11. Необычные характеристики низкоширотного и высокоширотного пограничных слоев.
Анализ функций распределения ионов в сильно структурированном низкоширотном пограничном слое НШПС, выделенном ранее в качестве одного из двух основных типов НШПС (1) показал, что распространенное представление, что пограничный слой находится на открытых силовых линиях и что ввод плазмы из переходной области происходит вдоль открытой силовой трубки (FTE, или явления переноса потока) не является единственно возможным. Наблюдения ионов в НШПС в проекте Интербол с прибором СКА-1 показывают, что, по крайней мере, в ряде случаев, функции распределения ионов имеют два или три компонента, два их которых движутся в противоположных направлениях относительно направления магнитного поля (2). Эти наблюдения свидетельствуют в пользу многократного пересоединения, концепция которого до сих пор не получила достаточного экспериментального подтверждения. Дальнейший анализ высокоширотных пересечений магнитопаузы на лобовых силовых линиях магнитного поля подтверждает (в области локальных времен 1-2 часа и широтах ~45°) обнаруженный ранее результат о стабильности места пересоединения при северном межпланетном магнитном поле. Однако, Интербол-1 регистрирует пересоединенные силовые линии, заполненные плазмой со свойствами близкими к переходной области, в течение длительного промежутка времени (15-20 минут), которые родились в результате пересоединения силовых линий и магнитного поля переходной области и магнитосферы в месте, расположенном ниже космического аппарата. Функция распределения ионов на этих силовых трубках показывает, что плазма движется в направлении противоположном магнитному полю.
(д.ф.-м.н., проф. Вайсберг О.Л., к.ф-м.н. Аванов Л.А., к.ф-м.н. Смирнов В.Н., 333 34 56, olegv@rssi.ru;
Vaisberg O.L., V.N. Smirnov, L.A. Avanov, N.L. Borodkova, J.H. Wait, J.L. Burch, Different types of LLBL as observed by Interball Tail probe, J.Geophys.Res, 106, No. A7, 13,068-13,090, 2001; O.L.Vaisberg, T.E.Moore, V.N.Smirnov, L.A.Avanov, The Ion Signatures in Two Types of LLBL, submitted to Geophysical Monograph Series, 2001.)

12. Транзиентные явления, наблюдаемые на дневной магнитопаузе
Проанализированы экспериментальные данные со спутника Интербол-1 и субспутника Магион-4, полученные 15-16 февраля 1996 г, когда оба космических аппарата пересекали дневную низкоширотную магнитопаузу. Наблюдаемое на обоих спутниках транзиентное поведение границы магнитосферы, может быть объяснено либо возникновением поверхностной волны на магнитопаузе, либо влиянием изолированных плазменных образований, внедренных в магнитосферу. Рассмотрены аргументы для каждой из возможных интерпретаций, основываясь на плазменных данных и измерениях магнитного поля с высоким временным разрешением на двух спутниках. Строгое доказано существование сильных вихрей в магнитном поле и потоке плазмы вблизи магнитопаузы и, как следствие, существование магнитных трубок с винтообразной структурой. Такие структуры могут быть связаны с обеими интерпретациями экспериментальных данных. Результаты кросскорреляционного анализа измерений двух аппаратов и очевидная периодичность структур свидетельствуют в пользу возникновения поверхностной волны из-за неустойчивости типа Кельвина-Гельмгольца, хотя возможны и другие объяснения.
(д.ф.-м.н., проф. Вайсберг О.Л., к.ф-м.н. Аванов Л.А., к.ф-м.н. Смирнов В.Н., 333 34 56, olegv@rssi.ru;
J. De Keyser, F.Darrouzet, M.Roth, O.L.Vaisberg, N.Rybjeva, V.Smirnov, L.A. Avanov, Z.Nemechek and J.Shafrankova, Transients at the dusk side magnetospheric boundary: Surface waves or isolated plasma blobs? J.Geophys.Res, 106, A11, 25503-25516, 2001.)

13. Характеристики плазмы переходной области вблизи каспа на больших высотах.
Проведено сравнение экспериментальных данных, полученных с помощью космических аппаратов Интербол и Полар в области высокоширотной магнитопаузы вблизи каспа на больших высотах в условиях сильного северного межпланетного магнитного поля, с параметрами плазмы, полученными из газодинамической модели и МГД моделирования для этой области магнитосферы. В этих условиях магнитное поле играет существенную роль в процессах пересоединения и формирования "истощенного слоя" (depletion layer) в переходной области вблизи магнитопаузы. Показано, что наблюдаемые параметры плазмы, полученные на обоих аппаратах, отклоняются от модельных, предсказуемым образом; однако, в общем случае, совпадение эксперимента с МГД моделированием лучше, чем с газодинамической моделью. Этот факт объясняется тем, что газодинамическая модель не включает в себя процессы пересоединения, тогда как МГД включает.
(к.ф-м.н. Аванов Л.А., к.ф-м.н. Смирнов В.Н., проф. О.Л. Вайсберг, 333-43-56, levon@rssi.ru;
Fuselier, S. A., J. H. Waite, Jr., L. A. Avanov, V. M. Smirnov, O. L. Vaisberg, G. Siscoe, and C. T. Russell, Characteristics of magnetosheath plasma in the vicinity of the high altitude cusp, Planet. Space Sci., accepted for publication, 2001; Avanov, L. A., V. N. Smirnov, J. H. Waite, Jr., S. A. Fuselier, and O. L. Vaisberg High-latitude magnetic reconnection in sub-alfvenic flow: Interball Tail observations on 29 May 1996, JGR, 106, No. A12, 2001.)

14. Дисперсионные структуры в спектрах ионов и электронов в авроральных областях
Высокое энергетическое и временное разрешение ДОК-2 позволило обнаружить в авроральных областях магнитосферы тонкие дисперсионные структуры в спектрах ионов и электронов и выяснить их природу. Эти структуры представляют собой узкие линии (ПШПМ до16%) с энергией, монотонно уменьшающейся со временем. В спектрах ионов, в отличие от спектров электронов, обычно наблюдаются пары линий с отношением энергий 1:2.

Ранее нами было показано, что дисперсионные структуры возникают в результате градиентного дрейфа частиц, импульсно инжектированных на ночной стороне магнитосферы. Ионы и электроны, дрейфуя вокруг Земли в противоположные стороны, встречаются со спутником в некоторый момент времени. В ряде случаев наблюдались частицы, совершившие несколько полных оборотов. Энергия регистрируемых частиц зависит от длины пути и скорости дрейфа, которая пропорциональна энергии на единицу эаряда частицы. Пары пиков в спектрах ионов соответствуют протонам и альфа-частицам. Исследование дисперсионных структур позволяет определить момент ускорения частиц, оценить по ширине пиков длительность процесса ускорения и получить спектры ускоренных протонов, альфа-частиц и электронов в конкретном событии. В некоторых событиях изменение энергии пиков со временем представляло собой периодические синусоидальные колебания, наложенные на нормальную, гладкую гиперболу. Периоды колебаний были 3-7 мин. Мы назвали такие дисперсионные структуры "волнистыми". Пример такого события приведен на рисунке. Как выяснилось, временные вариации энергии пика в таких событиях полностью коррелируют с вариациями локального магнитного поля (совпадение периода и фазы, см. рисунок). Колебания магнитного поля были поперечными, преимущественно в долготном направлении (восток-запад). Соотношение фаз таково, что энергия пика возрастает, когда вариация магнитного поля направлена к востоку. Дано простое объяснение этому явлению в рамках модели градиентного дрейфа ионов. Анализ "волнистых" дисперсионных структур позволил получить оценку амплитуды колебаний силовых линий по долготе.
(к.ф-м.н Луценко В. Н., 333-33-56, vlutsenk@iki.rssi.ru;
Lutsenko V.N., T.V. Gretchko, A.V. Kobelev, V. A. Styazhkin, and K. Kudela, "Wavy" Energetic Ion Dispersion Events and PC5 Type Magnetic Field Pulsations in Auroral Zones, 26-th General Assembly of EGS, Nice, France, 25-30 March, 2001.)

15. Класcификация зон высыпаний ионов и электронов.
По измерениям спутника ИНТЕРБОЛ-2 в утреннем и ночном секторах магнитосферы на высотах 2-3 радиусов Земли проведена класcификация зон высыпаний ионов и электронов. Спутник, следуя от высоких к низким широтам, пересекал: зону 1- с плазмой, характерной для переходного слоя и низкоширотного пограничного слоя (LLBL); зону 2 - с плазмой, характерной для LLBL и плазменного слоя (PS); зону 3 - с авроральными высыпаниями из PS. В зонах 1 и 2 обнаружены импульсные инжекции ионов, представляющие собой энерго-диспегированные повторяющиеся структуры в диапазоне энергий "100 эВ до 10 КэВ. Дисперсия в инжекциях согласуется с время-пролетным эффектом ионов, инжектирующихся из отдаленного источника, распложенного вблизи дневной магнитопаузы. Статистические исследования структур в зоне 1 показывают, что образование инжекций хорошо коррелирует с радиально направленным к северу межпланетным магнитным полем, а также с пульсациями давления в переходном слое, имеющими характерный период 200 -250 сек.
(д.ф.-м.н. Р.А.Ковражкин, 333-44-12, kovrazhkin@romance.iki.rssi.ru;
H. Stenuit, J.-A. Sauvaud, D.C. Delcourt, T. Mukai, S. Kokubun, T. Fujimoto, N. Buzulukova, R. Kovrazhkin, R.P. Lin, R.P. Lepping, A study of ion injections at the dawn and dusk polar edges of the auroral oval, J.Geophys.Res., (в печати), 2001.)

16. Обнаружение вертикальной конвекции плазмы в хвосте магнитосферы Земли по данным проекта Интербол и установление наличия значительной конвективной компоненты направленных к Земле спорадических потоков плазмы в приэкваториальных зонах хвоста.
В рамках работы по исследованию динамики хвоста магнитосферы Земли по данным проекта Интербол и других международных программ было продолжено изучение распределения потоков горячей плазмы в плазменном слое. Направление и сила указанных потоков вещества определяют картину глобальной конвекции магнитного потока в магнитосфере Земли и, следовательно, ее энергетику.
По данным проекта Интербол была впервые экспериментально обнаружена медленная вертикальная конвекция плазмы к экваториальной плоскости, определяемая направлением межпланетного магнитного поля (ММП). В соответствии с теоретическими представлениями, во время южного ММП, открывающего магнитосферу и наводящего в ней круговорот магнитного потока, средние скорости плазмы от границы ночной части магнитосферы к экваториальным областям составляют 7-10 км/с. Во время северного ММП конвекция прекращается. Показано, что в дополнение к такой "классической" конвекции, направленной противоположно в северных и южных долях хвоста, существует и направленная везде на север (в зенит), компонента потока плазмы примерно такой же величины (7-10 км/с). Эта составляющая, вероятно, вызывается наличием предпочтительного направления (к Земле и к северу) сокращения силовых линий магнитного поля, вытянутых и смещенных на юг относительно геомагнитного экватора в зимний сезон (время проведения наблюдений спутником Интербол-1). Такое сокращение силовых линий происходит во время спорадических всплесков потоков плазмы, направленных к Земле.
Цикл конвекции магнитосферы замыкается направленными к Земле спорадическими всплесками потоков плазмы, потенциально способными отвечать за большую часть переноса магнитного потока, при условии, что скорость потока имеет значительную компоненту, направленную к Земле и перпендикулярно к местному магнитному полю. На основе анализа более чем 1 миллиона измерений вектора скорости плазмы по данным проекта Geotail показано, что в периферийных частях плазменного слоя потоки плазмы обычно направлены вдоль местного магнитного поля, в то время как близко к центру плазменного слоя (экваториальной плоскости) потоки плазмы ориентированы к Земле перпендикулярно к магнитному полю и, следовательно, могут переносить магнитный поток. Суммарная усредненная эффективность такого переноса составляет около 50%.
(к.ф.-м.н. А.А. Петрукович, 333-40-24, apetruko@iki.rssi.ru;
A.A.Petrukovich, W.Baumjohann, R.Nakamura, R.Schoedel, T. Mukai, Are earthward bursty bulk flows convective or field-aligned?, JGR, 106, 21211-21216, 2001; A.A.Petrukovich Yu. I.Yermolaev, Vertical Ion flows in the plasma sheet:INTERBALL-Tail observations, Ann. Geophys., accepted to December issue, 2001.)

17. Приложение дробной динамики к исследованию транспортных процессов в турбулентных средах. Введение дробного уравнения Фоккера-Планка-Колмогорова (ФПК) стимулировало бурный прогресс в исследовании транспортных процессов в турбулентных средах.
В оригинальной работе [1] обсуждается поведение обобщённых транспортных коэффициентов для дробного уравнения ФПК на масштабах, превышающих длину когерентности турбулентного поля. Предложен полный вывод обобщённых транспортных коэффициентов в приближении Гамильтонового хаоса в стохастическом слое динамической системы. Показано, что зависимость транспортных коэффициентов от числа Кубо (безразмерного параметра, описывающего свойства турбулентности) может быть выражена в виде "странных" степенных законов с показателями степеней, определяемыми Хаусдорфовой фрактальной размерностью стохастических траекторий. Получены "странные" транспортные законы для - 1) диффузионных процессов; - 2) полётов Леви; - 3) случайных блужданий во фрактальном времени; - 4) переносов вблизи самоорганизованной критичности. Приведено сравнение аналитических результатов с данными численного моделирования стохастических динамических систем.
В работе [2] наибольшее внимание уделено "странным" процессам переноса на фрактальных множествах вблизи порога перколяции. Анализ соответствующих транспортных законов выполнен в рамках нетрадиционного подхода, основанного на топологической теории фрактальных многообразий. Получены ограничения на Хаусдорфову размерность перколирующих фрактальных сетей в режиме самоорганизованной критичности. Предложена топологическая модель проводимости фрактальных сетей в переменных электрических полях. В трёх измерениях данная модель хорошо согласуется с экспериментом. Для двумерных сетей модель предсказывает универсальный скейлинг проводимости с показателем, приблизительно равным 1/3. Экспериментальная проверка "закона 1/3" в двух измерениях в настоящее время является предметом интенсивных исследований.
(к.ф.-м.н. А.В. Милованов, 333-45-34;
[1] A.V.Milovanov. Stochastic dynamics from the fractional Fokker-Planck-Kolmogorov equation: Large-scale behavior of the turbulent transport coefficient. Phys. Rev. E, 63, 047301, 2001; [2] A.V.Milovanov, J.J.Rasmussen. Critical conducting networks in disordered solids: ac universality from topological arguments. Phys. Rev. B, 64, 212203, 2001.)

18.Cтатистический анализ распределений транзиентных плазменных структур, наблюдавшихся в пограничной области плазменного слоя и в высокоширотных областях хвоста магнитосферы Земли по данным Интербола-1.
Выполнено статистическое исследование коротких (длительность~1-2мин) ионных высыпаний из пограничной области плазменного слоя, наблюдавшихся в полуночном секторе авроральной области на средних высотах (~2-3Re) по данным Интербол-2. Сделано сопоставление этих данных с данными наблюдений бимлетов в хвосте магнитосферы на Интерболе-1. В результате удалось показать, что кратковременные высокоэнергичные ионные высыпания, наблюдающиеся в авроральной области на высоких широтах, являются потоками ионов, неадиабатически ускоренными в дальнем хвосте магнитосферы (бимлетами).
(Григоренко Е.Е., 333-43-56, grig@afed.iki.rssi.ru;
E.E. Grigorenko, A.O. Fedorov, L.M. Zelenyi. Statistical Study of transient plasma structures in magnetotail lobes and plasma sheet boundary layer: Interball-1 observations, Ann.Geophysicae manuscript, 2001 (in press).)

19. Динамическое равновесие и "старение" тонких токовых слоев. Роль захваченной и квазизахваченной плазмы.
В течение 2001 года изучались тонкие токовые слои (ТТС), которые играют в земной магнитосфере роль одного из резервуаров магнитной энергии. Было продолжено изучение свойств и структуры ТТС с учетом захваченной и квазизахваченной в слое плазмы. Рассмотрены три основных типа ионных популяций, которые могут населять тонкий токовый слой: (1) носители тока - спейсеровские ионы с разомкнутыми орбитами; (2) ионы на замкнутых интегрируемых (т. наз. "ринговых") орбитах, (3) неадиабатические (квазизахваченные) ионы, образующиеся при хаотическом рассеянии пролетной спейсеровской популяции.
Показано, что ионы (2) на захваченных траекториях могут локально перераспределять основной ток, сглаживая парамагнитный ток в центре слоя и диамагнитные "крылья" по краям. При большой концентрации захваченных частиц ток в центре становится настолько малым, что самосогласованные решения перестают существовать. Проведены с высокой точностью расчеты "окна" в пространстве решений параметров Е и К (где Е - отношение тепловой скорости плазмы к потоковой; К - коэффициент, характеризующий плотность захваченных частиц), внутри которого существуют самосогласованные решения для ТТС.
Чтобы учесть влияние квазизахваченной ионной популяции (3) была использована импульсная центробежная модель, в которой процесс рассеяния магнитных моментов рассматривается как результат возмущения гировращательного движения импульсной центробежной силой при пересечении частицей области обращения магнитного поля вблизи экваториальной плоскости. С использованием нескольких мгновенных "снимков" функции распределения рассеянной плазмы получен набор соответствующих равновесных решений для ТТС. Показано, что неадиабатические эффекты не могут существенно влиять на толщину токовых слоев, но могут значительно изменить структуру слоя, образованного потоками Спейсеровских ионов, как бы "засоряя" слой квазизахваченными частицами с большими магнитными моментами. Такие частицы, как и ринговые, способны подавлять положительный ток в центре слоя, т.е. ТТС "стареет" благодаря рассеянию. Когда плотность квазизахваченной популяции становится слишком большой, равновесные решения не существуют. Показано, что характерное время "старения" токового слоя, обусловленного внутренней неадибатичностью, составляет от 10 до 60 минут, что приблизительно согласуется с оценкой продолжительности фазы накопления суббури.
(к.ф.-м.н. Х.В. Малова, 333-25-00, hmalova@classic.iki.rssi.ru;
L.M.Zelenyi, D. Delcourt, H.V. Malova, A. S. Sharma, V.Yu.Popov, A.A. Bykov, Forced current sheets in the Earth's magnetotail: its role and evolution due to nonadiabatic particle scattering, Advances in Space Research, 2001 (в печати); L.M. Zelenyi, D.C. Delcourt, H.V. Malova, A.S. Sharma, "Aging" of the magnetotail thin current sheets, Geophys. Res. Lett., 2001 (в печати).)

20.Генерация ленгмюровских волн электронным пучком, распространяющимся в замагниченной плазме в присутствии мелкомасштабных флуктуаций плотности фоновой плазмы.
Аналитическими и численными методами проведено исследование пучково-плазменных взаимодействий в замагниченной плазме в присутствии мелкомасштабных флуктуаций плотности фоновой плазмы. Выведено общее уравнение в рамках квазилинейного статистического приближения. Показано, что при плазменных параметрах, характерных для полярной шапки земной магнитосферы, рассеяние возбуждаемых горячим электронным пучком волн на мелкомасштабных неоднородностях фоновой плазмы является определяющим в динамике развития пучково-плазменных взаимодействий, что позволяет электронным пучкам распространяться на растояния многократно превышающие длины релаксации, определяемые в рамках обычной квазилинейной теории. Формирование локализованных всплесков электростатических волн, подобных наблюдаемым, возможно в тех областях шапки, где уровень флуктуаций плотности фоновой плазмы достаточно низкий.
(к.ф.-м.н. Т.М. Буринская, 333-45-34, tburinsk@classic.iki.rssi.ru;
T.Burinskaya, A.Rusanov, J.L.Rauch, M.M.Mogilevsky, J.A.Sauvaud, Beam-plasma interactions in the delute magnetized plasma in presence of low-frequency turbulence COSPAR-ESA COLLOQUIM, Acceleration and heating in the magnetosphere, Abstracts, p.17, 2001.)

21.Развитие аналитической теории для описания волновых форм электростатических солитоно-подобных структур ионно-акустического типа для многокомпонентной плазмы.
Аналитическая теория для описания волновых форм электростатических солитоно-подобных структур ионно-акустического типа для многокомпонентной плазмы (пучки электронов и ионов различных скоростей, температур и масс, фоновые электроны и ионы различных температур и масс), развиваемая в серии работ последних лет, распространена на случаи осе-симметричных трехмерных структур. Для модели трехкомпонентной плазмы (горячие и тепловые электроны, пучок сверхтепловых ионов), характерной для субавроральной плазмы после суббури (refilling processes), определены области параметров, где возможны квазистационарные структуры, определено отношение их продольного масштаба к поперечному (сплюснутость).


Максимальные амплитуды |Фmax- Фmin| электростатического потенциала солитоно-подобных электростатических структур в трех-компонентной модели плазмы для внешней плазмосферы: пучок сверхтепловых ионов из ионосферы (заданная скорость нормирована на ионно-звуковую, т.е. число Маха М, и температура), горячие ионы магнитосферы (задана температура и начальная плотность) и немаксвелловские электроны, заданные начальной плотностью и функцией распределения с параметром b (при b = 0 максвелловское распределение, при b ~ 0.1-0.5 имитирует результат квазилинейного нагрева, при b = 1 два встречных пучка и фон). Структуры с положительным (F0>0) и отрицательным (F0<0) потенциалом имеют различные области существования. Амплитуда потенциала показана для распределений электронов с параметром b = 0 (a), b = 0.3 (b), and b = 0.6 (c); Msh указывает, где возникает электростатическая ударная волна и меняется характер решения.
(д.ф.-м.н., проф. Гальперин Ю.И., 333-14-22, ygalperin@iki.rssi.ru;
Volosevich, A.V., Y.I. Galperin, F.M. Truhachev, Theoretical models of the spatially limited electrostatic structures and experiments in the auroral magnetosphere, submitted to COSPAR Colloq. Series, ed. by J.Blecki, 2001.)

22. Выявлены авроральные структуры с масштабами в проекции на ионосферу порядка 1-3 тысяч км, что соответствует масштабам порядка 3-10 земных радиусов в плазменном слое хвоста магнитосферы.
Анализ планетарных картин полярных сияний, полученных со спутников POLAR, IMAGE и ИНТЕРБОЛ-2, привел к выводу, что возникающие в активные периоды области генерации интенсивных нестационарных продольных токов могут иметь масштабы в проекции на ионосферу порядка 1-3 тысяч км, что соответствует масштабам порядка 3-10 земных радиусов в плазменном слое хвоста магнитосферы. Такие крупномасштабные структуры превышают поле зрения с наземной станции, и не были отмечены по наземным оптическим измерениям. Их обнаружение со спутников существенно дополняет физическую картину процессов генерации полярных сияний.
Формирование таких крупных структур генерации нестационарных продольных токов доступно анализу на основе МГД моделирования, и поэтому может быть предсказуемо. Однако, как следует из сравнения наземных и спутниковых данных, внутри них формируются многочисленные биркеландовские токовые петли меньших масштабов, т.е. происходит турбулизация крупномасштабных токов. При этом возникают токовые петли/альвеновские волны со значительно большими плотностями тока, но их предсказуемость невелика.
(д.ф.-м.н., проф. Гальперин Ю.И., 333-14-22, ygalperin@iki.rssi.ru;
Galperin, Yu.I., Multiple scales in auroral plasmas, accepted to Journ. Atmosph. Solar-Terrestr. Physics, 2001.)

23. Динамика температуры холодных протонов в плазмосфере в период развития геомагнитных бурь.
По данным эксперимента Альфа-3, работавшем на космическом аппарате Интербол-2 обнаружено, что после начала геомагнитной бури температура холодных протонов на L>2.5 cущественно понижается. Указанное понижение температуры может быть объяснено изменением в процессе развития геомагнитной бури направления потоков холодных протонов из плазмосферы в ионосферу на обратное. В результате, по крайней мере, ночной сектор плазмосферы пополняется холодными ионосферными ионами, что приводит к понижению температуры в ночном секторе плазмосферы.
(к.ф.-м.н. В.В. Безруких, 333-20-11, vbez@romance.iki.rssi.ru;
Bezrukikh, V. V., Kotova G. A., Lezhen L.A., Lemaire J., Venediktov Yu. I., Dynamics of temperatures and density of cold protons in the night and day time plasmasphere in quiet conditions and during geomagnetic storms, доклад, представленный на ХХVI Ассамблеи EGS в 2001 г.)

24.Особенности вариаций плотности и температуры холодных ионов в вечернем и утреннем секторах плазмосферы Земли.
Анализ характеристик холодной плазмы в плазмосфере Земли, проведенный по данным эксперимента Альфа-3, полученным со спутника Интербол-1, показал, что динамика параметров холодной плазмы во внутренней (L < ~2.8) и внешней (L > ~2.8) областях плазмосферы существенно различна.
Данные, относящиеся к утреннему сектору плазмосферы (январь - апрель 2000 г.) свидетельствуют о том, что во внутренней части плазмосферы температура ионов возрастает от послеполуночного сектора к предполуденному, тогда как во внешней части плазмосферы такой зависимости не наблюдается.
Показано, что, так же как и в вечернем секторе внешней плазмосферы, во внешней части утренней плазмосферы плотность холодных протонов возрастает с увеличением динамического давления невозмущенного потока солнечного ветра.
Впервые внутри плазмосферы (L ~ 3 - 4) существенно опустошенные от холодной плазмы области (плотность протонов падает на порядок величины) дважды регистрировались на одном и том же пролете космического аппарата ИНТЕРБОЛ 1(DUT ~ 1 часа, DMLT < 1.5 часов) при одних и тех же значениях L. Это позволило определить минимальную протяженность таких областей вдоль магнитного поля: по крайней мере от -20° до +20° геомагнитной широты. Ранее такие опустошенные области наблюдались только при однократных пролетах через плазмосферу.
(к.ф.-м.н. Г.А. Котова, т. 333-32-89, e-mail: kotova@iki.rssi.ru;
G.A. Kotova, V.V. Bezrukikh, M.I. Verigin, L.A. Lezhen, N.A. Barabanov, Interball 1/Alpha 3 cold plasma measurements in the evening plasmasphere: quiet and disturbed magnetic conditions, accepted to Adv. Space Res., 2001; G.A. Kotova, V.V. Bezrukikh, M.I. Verigin, L.A. Lezhen, Temperature and density variations in the dusk and dawn plasmasphere as observed by INTERBALL - TAIL in 1999 - 2000, COSPAR Colloquia Series, Elsevier Science Ltd, COSPAR-ESA Colloquium "Acceleration and heating in the magnetosphere", Konstancin Jeziorna, Poland, February 6-10, 2001 (in press).)

25. Тепловая (Е< 15 эВ) плазма в высокоширотной магнитосфере на высотах до 20 000 км.
Проведена обработки зондовых характеристик эксперимента КМ-7 (ИНТЕРБОЛ-2) при помощи численной интерактивной модели, на основе которой получены данные о тепловой (Е< 15 эВ) плазме в высокоширотной магнитосфере на высотах до 20 000 км:
- Тепловая плазма в рассматриваемой области всегда является немаксвелловской
- В авроральной области на высотах 2-3 RE концентрация тепловой плазмы изменяется в пределах от 8 до 100 cm-3, температура электронов лежит в пределах 1--3 eV. Вторая (более горячая) изотропная компонента наблюдается в ~30% случаев.
- Электронные пучки наблюдаются в авроральной области практически непрерывно. Типичные значения для пучков наинизшей энергии: энергия E=1-3 eV, температура T =0.5-2 V, концентрация N=1-9 cm-3. Пучки электронов переносят сравнимые (с потоком тепловых электронов) потоки и тем самым вносят существенный вклад в локальную электронную концентрацию и потенциал корпуса КА. Повышенная плотность электронов в области восходящих электронных пучков на экваториальном краю авроральной зоны свидетельствуют о наличии в этой области сложной (кратной) тормозящей электроны потенциальной структуры на высоте спутника или непосредственно над ним (H~2RE). Основной вклад в плотность энергии тепловой/сверхтепловой (Е 15 эВ) вносят тепловые электроны.
(к.ф.-м.н. В.В. Афонин, 333-10-23, vafonin@iki.rssi.ru;
V. V. Afonin and J. Smilauer, Thermal and suprathermal (E Ј 15 eV) plasma in the auroral magnetosphere at altitudes of 2-3 RE, COSPAR Colloquia Series, Elsevier Science Ltd, COSPAR-ESA Colloquium "Acceleration and heating in the magnetosphere", Konstancin Jeziorna, Poland, February 6-10, 2001.)

26. Моделирование плотности плазмы на дневной стороне внутренней магнитосферы Земли
Анализ экспериментальных данных нескольких высокоапогейных спутников позволил сделать некоторые эмпирические оценки динамики заполнения плазмосферы в зависимости от таких параметров, как Kp и MLT. На основе данных спутника ISEE-1 была построена эмпирическая кривая зависимости значения концентрации насыщения от этих параметров. С учетом этой зависимости была создана модель внешней плазмосферы CDPDM-2, которая уточняет модель CDPDM, разработанную ранее для ночного сектора MLT, и распространяет ее на дневной сектор MLT. Сравнения профилей концентрации, полученных с помощью модели CDPDM-2, и данных спутника ISEE-1 показали хорошее согласие модели и эксперимента на дневной стороне магнитосферы. Таким образом, получена модель, которая позволяет проводить расчет профилей концентрации как в дневном, так и в ночном секторах MLT.
(Домрачев В.В., студент/ руководитель Гальперин Ю.И., 333-11-22, vlad@bird.iki.rssi.ru;
Домрачев В.В., Моделирование плотности плазмы на дневной стороне внутренней магнитосферы Земли (готовится к печати)

27. Показано, что существуют два физически различных типа субавроральных красных дуг, отличающиеся источниками энергии, механизмами возбуждения, допплеровской шириной красной линии и морфологией.
Наземные измерения в субавроральной зоне с использованием оптических методов в сочетании с ионосферными измерениями (цепочка ионозондов в Якутии, локатор некогерентного рассеяния в Миллстоун Хилл, США) показали, что в полосе поляризационного джета возникают слабые субавроральные красные дуги (SAR-arcs).


Моделирование процессов в магнитной силовой трубке поляризационного джета, включая возбуждение красной линии кислорода 630 нм показало, что в отличие от "классических" SAR-arcs (возбуждаемых тепловыми электронами, нагретыми до 5000 - 10 000оК при взаимодействии с энергичными частицами кольцевого тока), красные дуги в полосе поляризационного джета, где имеется сильное электрическое поле и быстрый дрейф плазмы, возбуждаются при реакциях диссоциативной рекомбинации быстро движущихся ионов О²⁺ и NO⁺, а нагрев электронов играет лишь незначительную роль. Возникающие при этом возбужденные атомы кислорода в состоянии ¹D имеют значительную энергию, поэтому допплеровский профиль красной линии будет расширен. Таким образом, показано, что существуют два физически различных типа субавроральных красных дуг (SAR-arcs), отличающиеся источниками энергии (частицы кольцевого тока в одних и сильное электрическое поле в других), механизмами возбуждения, допплеровской шириной красной линии и морфологией.
(д.ф.-м.н. Ю.И. Гальперин, 333-14-22, ygalperin@iki.rssi.ru; к.ф.-м.н. В.Л. Халипов, 333-32-89, khalipov@iki.rssi.ru;
Халипов В.Л., Ю.И.Гальперин, А.Е.Степанов, Л.В.Шестакова, Формирование поляризационного джета на стадии вспышки суббури: Результаты наземных измерений, Космич. Исслед., 39, 244-253, 2001; Sazykin, S., B.G. Fejer, Yu.I. Galperin, M.Mendillo, S.Grigoriev, and L.V.Zinin, Polarization Jet Events and Excitation of Weak SAR Arcs, submitted to Geophys.Res.Lett., 2001.)

28.Проведено исследование механизмов формирования ионных спектральных провалов и "носовых структур" во внутренней магнитосфере в спокойное и средневозмущенное время.
По измерениям со спутника ИНТЕРБОЛ-2 проведен статистический анализ случаев наблюдений ионных спектральных провалов (ИСП) двух различных типов:
- вызванных особо большим временем дрейфа от источника в хвосте магнитосферы до спутника для определенных энергий ионов;
- вызванных наличием областей внутренней магнитосферы, недоступных при дрейфе ионов от такого источника.
Результаты подтверждают физические различия природы этих типов ИСП. Анализ наблюдений ИСП проведен во всех секторах местного времени на L-оболочках от 5 до 10. Проведено моделирование ионных спектральных провалов во всех секторах местного времени (МLТ). Показано, что ИСП, наблюдаемые в эксперименте ИОН, являются суперпозицией этих двух разных типов ИСП, ранее описанных в литературе. Сравнение модельных расчетов с измерениями на спутнике ИНТЕРБОЛ-2 показало, что для образования ИСП необходимо дрейфовое движение частиц от источника до спутника за время не менее ~10-20 часов в квазистационарных электрическом и магнитном полях. Для каждого сектора МLТ определены характерные модельные "спектрограммы". Показано, что существующие модели крупномасштабной стационарной конвекции качественно хорошо описывают результаты наблюдений. Показано, что ИСП, вызванные наличием "запретных" областей внутренней магнитосферы, в ночном и вечернем секторах МLТ образуют так называемые "носовые структуры". Проведен статистический анализ таких "носовых структур". Показано, что в спокойное время вероятность наблюдения "носовых структур" в вечернем и ночном секторах ~70%.
(Бузулукова Н.Ю., м.н.с., 333-1122, nat@aster.iki.rssi.ru;
Buzulukova N.Yu., Galperin Yu.I., Kovrazhkin R.A., Glazunov A., Vladimirova G., Stenuit H., Sauvaud J.A., and Delcourt D.C. Two types of ion spectral gaps in the quiet inner magnetosphere: INTERBALL-2 observations and modelling, Accepted to Annales Geophysicae)

29. Обнаружена сверхтонкая структура аврорального километрового излучения
По результатам обработки измерений эксперимента ПОЛЬРАД на спутнике ИНТЕРБОЛ-2 были выявлены мелкомасштабные структуры АКР. Эти структуры могут иметь два и более временных масштаба. Больший из них, ~ 100-150 мс, хорошо согласуется с измерениям на спутнике FAST. Одновременно с такими структурами часто наблюдаются более мелкомасштабные всплески с характерным временным масштабом ~ 9-25 мс. Дифференциальная мощность таких всплесков доходит до 10-14 Вт/м2 Гц, что превышает интегральную интенсивность АКР на 1-2 порядка. Столь мелкомасштабные и интенсивные всплески трудно объяснить в рамках классического мазерного механизма. Можно предположить, что сверхтонкая структура АКР формируется ленгмюровскими солитонами. Такой механизм предложили и разработали в 70-х годах Галеев и Красносельских.
(к.ф.-м.н. М.М. Могилевский, Е.А. Морозова, 333-14-33, mogilevsky@romance.iki.rssi.ru;
Е.А. Морозова, М.М. Могилевский, Я. Ханаш, А.А. Русанов; Структура электромагнитного поля АКР по измерениям на спутнике Интербол-2, Космич. исследов., (в печати) 2001.)

30. Определение потенциала корпуса космического аппарата Интербол-2.
Сравнение измерений двух приборов на спутнике Интербол-2 (ИЭСП и КМ-7) показало, что в авроральной области на высотах 2-3 Re потенциал корпуса в основном отрицательный и лежит в диапазоне от 0 до -10 В. В центральной части авроральной зоны он изменяется от -4 В до -10 В, иногда опускаясь ниже -10 В.
(к.ф.-м.н. В.В. Афонин, 333-10-23, vafonin@iki.rssi.ru;
Afonin V., Smirnova N., Smilauer Ja., and Stanev G., INTERBALL-2 thermal plasma measurements. 2. Spacecraft potential in magnetospheric auroral region at altitudes 2--3 RE, to be published in proceedings of 7th Spacecraft Charging Technology Conference, Noordwijk, The Netherlands , 23-27 April 2001.)

31. Моделирование влияния магнитного поля на отток фотоэлектронов с космического аппарата.
При оценке баланса токов на спутник в разреженной плазме и его плавающего потенциала пользуются электростатическим приближением (Garrett, 1981). Однако в случаях, когда гирорадиус фотоэлектронов становится соизмерим или меньше размеров спутника, такое приближение не является достаточным. Проведенное моделирование показало, что роль магнитного поля в подавлении фотоэлектронного тока является существенной, а порой и определяющей в динамике зарядки металлизированного космического аппарата.

32. Результаты активного эксперимента в ионосферной плазме с инжекцией пучков заряженных частиц на спутнике Интеркосмос-25 (АПЭКС)
По результатам активного эксперимента в ионосферной плазме с инжекцией пучков заряженных частиц на спутнике Интеркосмос-25 (АПЭКС) показано, что при инжекции в околоспутниковую плазму немодулированного пучка с током I~0.1 A и энергией E~10 КэВ происходит возбуждение квазистационарного магнитного поля (аномальное/резонансное усиление магнитного поля на 2 порядка dВ ~500нТ по сравнению с номинальным dВ ~10-20 нТ) и магнитной компоненты ОНЧ-волн. Возбуждение магнитных полей связывается с развитием градиентной неустойчивости в околоспутниковой плазме.
(к.ф.-м.н. В.В. Афонин, 333-10-23, vafonin@iki.rssi.ru;
В.Н.Ораевский, Я.П.Соболев.Л.Н.Жузгов, В.В.Афонин, Н.В.Баранец , Возбуждение магнитных полей при инжекции электронных пучков с борта спутника Интеркосмос-25 (АПЭКС), "Физика плазмы", т. 17(4), стр. 741-746, 2001.)

33. Исследование интенсивной нелинейной возмущенности плазмы во внешней ионосфере на ракете "Вертикаль-10" по данным спектроанализатора ионосферных неоднородностей и измерений плотности потока ионов методом некогерентного рассеяния.
Повышенное содержание ионов кислорода на высотах ~ 1000км в вечерние часы приводит к пороговому возбуждению градиентной примесной неустойчивости и аномальному переносу плазмы. По данным спектроанализатора ионосферных неоднородностей на ракете "Вертикаль-10"
На основе данных станции некогерентного рассеяния отмечено связанное с послезакатным остыванием атмосферы явление смещения на более раннее местное время момента прекращения восходящего диффузионного потока ионов кислорода с ростом высоты над Землей. Это явление свидетельствует о причинно-следственной связи образования сгущения ионов кислорода на высотах ~ 1000 км с неравномерным по высоте над Землей остыванием ионных потоков. Вызванные возмущенностью ионосферы продолжительные перерывы в ряду данных измерений плотности диффузионного потока ионов кислорода, проведенных по методу некогерентного рассеяния в природных условиях, сходных с обстоятельствами эксперимента на ракете ВЕРТИКАЛЬ-10-ИК (высоты ~ 1000 км, ранне-послезакатное местное время), позволяют предполагать и в этом случае появление, начиная с момента прекращения восходящего диффузионного потока ионов кислорода, сильной возмущенности плазмы типа градиентной примесной неустойчивости, входа этой неустойчивости в нелинейный режим, а также, возможно, в некоторые моменты времени, и возникновения явления аномального переноса плазмы.
Для выхода примесной неустойчивости на нелинейный режим, а также для перехода ее в режим аномального, или коллективного, переноса плазмы требуются существенно большие значения градиента концентрации примесных ионов, какими являются ионы кислорода.
(к.ф.-м.н. В.Д. Озеров, 333-52-55;
Г.Л.Гдалевич, В.Ф.Губский, Н.И.Ижовкина, В.Д.Озеров, Крупномасштабные атмосферные возмущения и плазменные неоднородности в верхней ионосфере, Геомагнетизм и Аэрономия, 2001 (в печати); В.Д.Озеров, Автогенерация неустойчивости композиционного равновесия плазмы в переходной области плазмосферы, Космич. исследов., 2001, № 6; В.Д.Озеров, Интенсивная нелинейная возмущенность плазмы в переходной области внешней ионосферы на основе данных спектроанализатора плазменных неоднородностей, направлено в журнал "Геомагнетизм и Аэрономия", 2001.)

34. Развита теория гидродинамического описания нелинейных ионно-дрейфовых волн с учетом дисперсионных эффектов, связанных с неоднородностью ионной температуры.
Показано, что для этой цели может быть использована так называемая 13- моментная гидродинамика Грэда.
Показано, что для описания дисперсионных эффектов необходимо учитывать не только инерционную (грэдовскую) поправку к тензору магнитной вязкости ионов (как это делалось при описании кинетических альфвеновских волн) но также необходимо учитывать инерционную поправку к поперечному потоку тепла ионов.
Обсуждается проблема электромагнитных конвективных ячеек в неоднородной пылевой плазме и обращается внимание на необходимость корректного учета продольного электрического тока.
Исследовано взаимодействие ионно-дрейфовых волн в пылевой плазме. Вычислены матричные элементы взаимодействия волн и инкременты распадной неустойчивости. Получены два колмогоровских спектра, соответствующие стационарным неравновесным степенным решениям волнового кинетического уравнения и связанные с законом сохранения энергии и обобщенной энстрофией. Показано, что спектр связанный с потоком энергии по спектру является локальным (определяется взаимодействием волн одного масштаба), а спектр связанный с потоком энстрофии - не локален. Аналогичная ситуация имеет место для волн, описываемых уравнением Хасегавы-Мимы в плазме или волн Россби во вращающейся жидкости.
Глубокие провалы магнитного поля (магнитные дыры) - загадочное явление, эпизодически наблюдаемое на космических аппаратах, зондирующих околоземное пространство, ионосферы планет, солнечный ветер и кометные хвосты. Существование таких магнитных дыр, в настоящее время, связывают с возбуждением зеркальной неустойчивости в космической плазме большого давления. В этой связи развита линейная теория зеркальной неустойчивости с учетом конечной температы электронов и неоднородности плазмы. Показано, что с ростом электронной температуры ростет порог зеркальной неустойчивости и уменьшается инкремент. Неоднородность плазмы приводит к появлению осциллирующих, дрейфовых мод. Обсуждаются частоты и групповая скорость этих мод.
(д.ф.-м.н. Онищенко О.Г. 333-15-67, pokh@uipe-ras.scgis.ru
Onishchenko O.G., Pokhotelov O.A., Pavlenko V.P., Shukla P.K., T. Farid,Stenflo L., Bogdanov A.V., Kamenets F.F. Nonlinear ion-drift waves in nonuniform plasmas with nonzero ion temperature gradient effects, Physics of Plasmas, v. 8, p. 59 - 66, 2001. Shukla P.K., Stenflo L., Pokhotelov O.A., Onishchenko O.G. Comments on "Electromagnetic convective cells in nonuniform dusty plasma", Phys. Rev. E, v. 63, N 4, 8401 - 8403, 2001.
Pokhotelov O. A., O. G. Onischenko, M. A. Balikhin, R. A. Treumann, and V. P. Pavlenko, Drift mirror instability in space plasmas,2, Nonzero electron temperature effects, J. Geoph. Res., v. 106, No A7, 13237-13246, 2001.
Onishchenko O.G., Pokhotelov O.A., Sagdeev R. Z., Pavlenko V.P., Stenflo L., Shukla P.K. Decay instability and Kolmogorov spectra of ion-drift waves in dusty plasmas, Physics of Plasmas, v. 8, N 10, 4351 - 4356, 2001.
Onishchenko O.G., Pokhotelov O.A., Sagdeev R. Z., Pavlenko V.P., Stenflo L., Shukla P.K. Locality of ion-drift wave spectra in weakly-turbulent dusty plasmas, Physics of Plasmas, v. 8, N 11, 5045 - 5048, 2001)