2.2.	Фундаментальные и прикладные научные исследования в области Физики космической плазмы, энергичных частиц, Солнца и солнечно- земных связей Фундаментальные и

Тема ПЛАЗМА. Проведение фундаментальных исследований в области физики космической плазмы, солнечно-земных связей и физики магнитосферы.

Научный руководитель чл.-корр. РАН Л.М. Зелёный

1. Отработка предложенного автором нового метода проверки и сравнения моделей магнитного поля в внешней магнитосфере Земли. Первые результаты

Анализ данных по Тонким Дисперсионным Структурам в спектрах энергичных частиц в авроральной зоне, обнаруженных в эксперименте ДОК-2 (проект Интербол), показал, что в некоторых событиях наблюдаются ионы и электроны, совершившие более одного полного оборота при их градиентно-центробежном дрейфе вокруг Земли. Данные эксперимента ДОК-2 позволили измерить период дрейфа с точностью до 0,5%. В то же время этот период может быть определен путем моделирования движения частиц в модельном магнитном поле. В этом случае период будет сильно зависеть от выбранной модели. Поэтому сравнение модельного периода с периодом, измеренным в эксперименте, позволяет осуществить проверку и сравнение между собой различных моделей магнитного поля. Такой метод проверки имеет большое преимущество перед традиционными, в которых используются прямые измерения магнитного поля на спутниках, сделанные в разное время, в разных местах, при разных состояниях магнитосферы.

Использовавшаяся ранее программа по расчетам движения частиц была доработана с учетом релятивистских эффектов, чтобы ее можно было применить к электронам с Е > 200 кэВ.

Рис. 1. Моделирование движения электронов с Е=221.5 кэВ с использованием трех различных моделей магнитного поля Земли. Вверху – сферические координаты частицы, внизу то же для основания силовой линии, на которой находится частица.

В наших расчетах мы не учитывали электрическое поле магнитосферы, т.к.

a) мы рассматривали движение частиц с энергиями 200 - 400 кэВ, т.е. много больше, чем падение напряжения на всей магнитосфере (~60-80 кэВ).

b) на одной части пути частицы электрическое поле ускоряет дрейф, на другой замедляет, что уменьшает влияние на период.

c) наш программный код позволяет пока включить только довольно старую и простую модель электрического поля (Volland, 1978). Тем не менее, мы использовали расчеты с этой моделью для оценки величины эффекта. Оказалось, что для электронов с Е=221 кэВ с электрическим полем период уменьшается на 9%.

Получены первые результаты для электронов с Е=221 кэВ и трех моделей Цыганенко: T96+IGRF, TS01+IGRF и T04+IGRF (см. Рис.1). Наиболее близкое к экспериментальному значению периода (Т=1908 с) дала модель TS01+IGRF (Т=1691 с =89%). Самая новая модель T04+IGRF дала наихудший результат (Т=1238 с = 65%).

Lutsenko V.N., Kirpichev I.P., Grechko T.V. and D. Delcourt, “Source Positions for Energetic Particles Responsible for the Fine Dispersion Structures: Numerical Simulation Results”, Planetary and Space Science, 53, 275-281, 2005).

2. Аналитическая модель околовенерианской ударной волны

Разработана аналитическая модель околовенерианской ударной волны (УВ), позволяющая проводить исследования положения этой границы в зависимости от параметров солнечного ветра и потока УФ излучения Солнца не только в плоскости терминатора, но и в подсолнечной области.

Модель воспроизводит все особенности движения этой границы, наблюдавшиеся ранее с помощью КА «Венера -4, -6, -9, -10», «Mariner -5, -10», «Pioneer-Venus» и «Gallileo».

Кроме того, обнаружены следующие характеристики околовенерианской УВ:

- связь анизотропии ее поперечного сечения плоскостью терминатора с анизотропией скорости распространения МГД волн в солнечном ветре и с направлением межпланетного магнитного поля;

- вклад Альвеновского числа Маха в солнечном ветре М_а в систематическое изменение расстояния до УВ в цикле солнечной активности (см. Рис. 1);

- зависимость положения УВ от u_bv при малых М_а.

Рис. 1. Зависимость расстояния до подсолнечной части УВ от изменения потока солнечного УФ излучения Feuv в цикле солнечной активности (верхняя панель). Эта же зависимость, нормированная на размеры ионопаузы при Feuv = 10^12см^-2с^-1 и V^2 = 10^-8 дин/см^2, становится более пологой (средняя панель), но не исчезает. Это связано с систематическим уменьшением Ma с ростом солнечной активности (нижняя панель), что приводит к увеличению отхода УВ от ионопаузы (средняя панель) даже при фиксированных ее размерах.

- Веригин М.И., Жанг T.-Л., Tатральяи M., Котова Г.А., Ремизов А.П., Влияние вариаций потока УФ излучения Солнца в цикле солнечной активности на характеристики экзосферы, ионопаузы и околопланетной ударной волны Венеры, в сб. Труды IX Пулковской международной конференции "Солнечная активность как фактор космической погоды", СПб, 29-34, 2005;

- M. Verigin, T.-L. Zhang , M. Tátrallyay, J. Slavin, T. Gombosi, G. Kotova, and K. Kabin, Venusian bow shock: Results of previous spacecraft measurements and its reanalysis aimed for Venus Express studies preparation, Geophysical Research Abstracts, Vol. 7, 00618, 2005, SRef-ID: 1607-7962/gra/EGU05-A-00618, European Geosciences Union 2005).

3. Вариации положения магнитопаузы в зависимости от уровня геомагнитной активности (по данным спутника «Интербол-1» за 1995-1997 г.)

На основе ~1300 пересечений магнитопаузы, зарегистрированных на спутнике «Интербол-1» за период 1995-1997 г, анализируется зависимость положения границы магнитосферы от величины АЕ индекса (интенсивности авроральной электроструи) и скорректированного D_st* индекса (интенсивности кольцевого тока). При этом влияние внешних условий в солнечном ветре на локализацию границы магнитосферы оценивается с помощью эмпирической модели магнитопаузы Sh97 (Shue et al, 1997). Проведенный анализ показывает, что:

1. В случае суббурь, развивающихся в отсутствие магнитных бурь, с ростом величины АЕ индекса наблюдается тенденция сжатия высокоширотной дневной магнитосферы (на 1R_E) и высокоширотного хвоста магнитосферы (на 1.5R_E).

2. В присутствии магнитных бурь вместо сжатия высокоширотной магнитосферы с ростом величины АЕ индекса наблюдается разбухание высокоширотного хвоста магнитосферы на 3R_E, что обусловлено влиянием кольцевого тока.

3. В период слабой суббуревой активности (AE<100) усиление кольцевого тока (понижение D_st* индекса) приводит к разбуханию высокоширотной магнитосферы. На дневной стороне с понижением D_st* высокоширотная магнитопауза сдвигается наружу с амплитудой <1R_E, на ночной стороне амплитуда движения высокоширотной границы магнитосферы достигает 2R_E.

4. В период сильной суббуревой активности (АЕ>100) усиление кольцевого тока, вероятно, сопровождается сжатием дневной высокоширотной магнитосферы на ~1R_E и разбуханием ночной высокоширотной магнитосферы. Амплитуда движения границы высокоширотного хвоста наружу достигает ~4R_E (то есть в 2 раза больше, чем в период слабой суббуревой активности).

5. Из-за небольшой статистики не удалось однозначно определить зависимость размеров низкоширотного хвоста магнитосферы от величины АЕ и D_st* индексов.

- N.S.Nikolaeva, V.A.Parkhomov, N.L.Borodkova, S.I.Klimov, M.N. Nozdrachev, S.I.Romanov, Yu.I.Yermolaev, The development of the magnetospheric substorm and its influence on the magnetopause motion, Planet. Space Sci, V. 53, Issue 1-3, 169-179, 2005;

- Н.С.Николаева, В.А. Пархомов, Н.Л.Бородкова, С.И.Климов, М.Н.Ноздрачев, С.И.Романов, Ю.И.Ермолаев. Магнитосферная суббуря и движение магнитопаузы, Космич. Исслед., т. 43,

- N 4, 248-259, 2005;

- Н. С. Николаева, Ю. И. Ермолаев, Н. Л. Бородкова, В. А. Пархомов, Вариации положения магнитопаузы в зависимости от уровня геомагнитной активности (по данным спутника «Интербол-1» за 1995-1997 гг.), принята к печати;

- N.Nikolaeva, Yu. Yermolaev, N.Borodkova, V. Parkhomov, The influence of the geomagnetic activity on the magnetopause position, EGU, Vienna, 24-29 April 2005).

4. Мультиплетная структура ускорительных процессов в дальних областях токового слоя геомагнитного хвоста

Анализ функций распределения ионов, измеренных в пограничной области плазменного слоя геомагнитного хвоста (X = -15 ÷ -18Re) многоспутниковой системой «Cluster», позволил обнаружить мультиплетную структуру потоков ускоренных ионов (бимлетов), состоящую, по крайней мере, из двух пучков, движущихся вдоль магнитного поля с разными параллельными скоростями. Функция распределения ионов по скоростям внутри бимлета не являлась монотонной, а имела четко выраженные максимумы, расстояние между которыми составляло 2 и более энергетических канала. Этот факт доказывает наличие в токовом слое (ТС) хвоста одновременно действующих источников ускорения ионов, находящихся в пространственно обособленных областях.

Выполнен анализ 32 пересечений пограничной области плазменного слоя во время спокойных (AE<100nT) и слабо-возмущенных периодов (AE<300nT). В каждом случае функции распределения ионов, измеренные в области высокоширотной границы плазменного слоя имели, как минимум, два максимума, образованных пучками ионов, движущимися с типичными скоростями V_||1~600÷1500км/с и V_||2≥2000км/с (рис.1, верхняя часть). Согласно теории резонансного ускорения (Ashour-Abdalla et al., J. Geophys. Res., 98, 5651, 1993), распределение скоростей ионных пучков должно описываться законом: , где V_N – скорость пучка ускоренного резонансом с порядковым номером N, C – нормировочная постоянная. На основе статистического анализа экспериментальных данных установлено, что отношение скоростей двух пучков V_||1/ V_||2 в двухпиковых функциях распределения хорошо описывается законом . Таким образом, пучки, формирующие дуплет, были ускорены не в соседних резонансах, а через резонанс. Возможной причиной может быть различная эффективность источников ускоряемых ионов, находящихся в северной и южной мантии, возникающая в результате асимметрии в проникновении ионов из солнечного ветра в соответствующую полусферу. Так как ионы, ускоряемые в соседних резонансах, приходят в ТС из противоположных полусфер, а ионы, инжектируемые из четных (или нечетных) резонансов приходят в ТС из одной и той же полусферы, то недостаток ионов из северной (южной) мантии, по сравнению с притоком частиц из противоположной мантии, обусловит локальный минимум в функции распределения ионов по скоростям (см. схему в нижней части рис.1).

Рис.1. A. E-T спектрограммы ионов движущихся из хвоста и в хвост (сверху вниз), измеренные спутником Cl-3 на (-18;0;-4)RE. B. 2-D функции распределения ионов по скоростям в плоскости (Vper,Vpar) и 1-D - срезы соответствующих распределений вдоль направления магнитного поля (только для ионов, движущихся из хвоста к Земле).

С. Схема возможного сценария образования дуплетных функций распределения наблюдаемых вблизи Земли из-за различной эффективности источников ионов в мантии. Сплошными синими линиями показаны ионы, движущиеся из северной и южной мантии к ТС. Красными линиями показаны бимлеты, инжектированные после взаимодействия с ТС (из нечетных резонансов) в ту же самую полусферу, из мантии которой они пришли. Зелеными линиями показаны бимлеты инжектированные (из четных резонансов) в противоположную полусферу. В случае, если источник в одной из мантий (в южной) менее эффективен - интенсивность пучков из резонансов №№ 3 и 5, движущихся соответственно со скоростями V3 и V5, будет больше, чем интенсивность пучка ускоренного в резонансе № 4. При этом, если BZ в ТС в среднем уменьшается от Земли, то V3<V4<V5. Вблизи Земли пучки перекрываются и в функции распределения f(V||), измеренной в точке наблюдения «Сluster», будет локальный минимум, соответствующий скорости V4.

- Зеленый Л.М., Григоренко Е.Е., Миссия “Cluster”, восставшая из огня подобно Фениксу, Природа, № 5, 46-53, 2005;

- Зеленый Л.М., Григоренко Е.Е., Квартет “Cluster” исследует тайны магнитосферы, Природа, № 6, 31-40, 2005;

- Zelenyi L.M., E.E. Grigorenko, J.-A. Sauvaud, R. Maggiolo, Multiplet structure of acceleration processes in the distant magnetotail, Geophys. Res. Lett., 2005, в печати).

5. Показано, что на резких границах мелкомасштабных структур плазмы солнечного ветра достаточно часто нарушается баланс суммарного (теплового плюс магнитного) давления на границе.

Установлено: очень резкие границы (длительностью в единицы секунд и меньше) могут сохранять свою форму и длительность на пути в миллион км (от точки L1 к Земле).

- М.О. Рязанцева, О.В. Хабарова, Г.Н. Застенкер, Дж. Ричардсон, Резкие границы структур плазмы солнечного ветра и баланс давлений на них, Космич. Исслед., т.43, № 3, 163-170, 2005;

- M.O. Riazantseva, G.N. Zastenker, J. Richardson, P.E. Eiges, Sharp boundaries of the solar wind small-scale and middle-scale structures, Journ. Geophys. Res., 2005, в печати)

6. На измерениях с высоким временным разрешением показано, что в магнитослое за квази-перпендикулярной ударной волной могут возникать волны зеркальной моды, характеризующиеся антикорреляцией флуктуаций потока ионов и модуля магнитного поля и доминированием продольных колебаний магнитного поля. Такие волны имеют место не только в подсолнечной области, но и на флангах магнитослоя.

- Н.Н. Шевырев, «Волны зеркальной моды в магнитослое Земли по наблюдениям на спутнике «Интербол-1», Космич. Исслед., т.43, № 4, 306-313, 2005).

7. Показано, что относительные величины резких возмущений геосинхронного магнитного поля и вызывающих их вариаций динамического давления солнечного ветра находятся приблизительно в линейной зависимости.

- Н.Л. Бородкова, Г.Н. Застенкер, Дж. Ричардсон, Большие и быстрые вариации динамического давления солнечного ветра и вызванные ими возмущения магнитосферного магнитного поляна геосинхронной орбите, Космич. Исслед., 2005, в печати).

8. Впервые исследованы физические свойства разрывов в солнечном ветре на 5 космических аппаратах (INTERBALL,WIND,ACE,GEOTAIL,IMP8), одновременно находившихся в межпланетной среде.

Определены скорость распространения, ускорение, кривизна фронта и ориентация нормалей к разрывам. В результате получено, что разрывы “вморожены” в солнечный ветер, фронты плоские, по крайней мере на шкале разнесения аппаратов. Проведен сравнительный анализ методов определения нормалей к разрыву.

- А.Асадчий, А.Скальский, Г.Н.Застенкер, Н.Шевырев, М.Рязанцева, Мультиспутниковые наблюдения разрывов в солнечном ветре, Космические Исследования, напр. в печать).

9. Впервые количественно изучен эффект конечного гирорадиуса ионов на тонком токовом слое (~90 км) на магнитопаузе по данным «Кластера»

Протоны с гирорадиусом больше толщины магнитопаузы (МП ) ~20% не только свободно пересекают токовый слой в обоих направлениях, но и приобретают или теряют потенциал (~300 В) в поле поверхностного заряда на МП. Вклад потока поперек МП таких ионов в баланс потока плазмы под МП составляет ~20%, что позволяет объяснить увеличение этого потока под МП исключительно за счет эффекта конечного гирорадиуса при условии сохранения толщины МП ~ на 10000 км вверх по потоку вдоль МП. Последнее согласуется с измерениями расстояния до источника ускоренных ионов в магнитослое по их времени пролета в зависимости от энергии частиц. Эти же ионы переносят через МП до 60% импульса в направлении вдоль МП, что иллюстрирует степень эффективности механизм гировязкости.

- E. V. Panov, J. Buechner, M. Franz, A. Korth, S. Savin et al., Cluster observation of perpendicular electromagnetic waves at the magnetopause, Geophys. Res. Lett., 2005, в печати;

- Savin, S., E. Amata, M. Andre, M. Dunlop, Y. Khotyaintsev, P.M.E. Decreau, J.L. Rauch, J.G. Trotignon, J. Buechner, B. Nikutowski, J. Blecki, A. Skalsky, S. Romanov, L. Zelenyi, A.M. Buckley, T.D. Carozzi, M.P. Gough, P. Song, H. Reme, A. Volosevich, H. Alleyne, E. Panov, Experimental study of nonlinear interaction of plasma flow with charged thin current sheets: 2. Hall dynamics, mass and momentum transfer, Nonlinear Processes in Geophys., 2005, в печати;

- Amata, E., S. Savin, M. Andre, M. Dunlop, Y. Khotyaintsev, M. F. Marcucci, A. Fazakerley, Y. V. Bogdanova, P. M. E. Decreau, J. L. Rauch, J. G. Trotignon, A. Skalsky, S. Romanov et al., Experimental study of nonlinear interaction of plasma flow with charged thin current sheets: 1. Boundary structure and motion, Nonlinear Processes in Geophys., 2005, в печати).

10. Обмен энергией между ионами и поперечными электростатическими структурами с масштабом ~ гирорадиуса ионов с энергией более 1 кэВ, как на МП, так и перед ней, представляет собой бесстолкновительный механизм взаимодействия волна-частица, альтернативный ускорению плазмы параллельными электрическими полями в процессе пересоединения магнитных полей

Оценка частоты эффективных столкновений только за счет нелинейного транспортного члена, пропорционального произведению флуктуаций плотности плазмы и поперечного электрического поля, дает величину, сравнимую с гирочастотой протонов. Это указывает на существенное влияние эффективных столкновений на взаимодействие набегающего потока плазмы с границей магнитосферы. Последнее - согласуется с появлением в зоне флуктуаций разогретых ионов и неравновесных потоков электронов, сопровождаемых электронно-плазменными волнами.

- J. Buechner, B. Nikutowski, J. Blecki, A. Skalsky, S. Romanov, L. Zelenyi, A.M. Buckley, T.D. Carozzi, M.P. Gough, P. Song, H. Reme, A. Volosevich, H. Alleyne, E. Panov, Experimental study of nonlinear interaction of plasma flow with charged thin current sheets: 2. Hall dynamics, mass and momentum transfer, Nonlinear Processes in Geophys., 2005, в печати;

- Amata, E., S. Savin, M. Andre, M. Dunlop, Y. Khotyaintsev, M. F. Marcucci, A. Fazakerley, Y. V. Bogdanova, P. M. E. Decreau, J. L. Rauch, J. G. Trotignon, A. Skalsky, S. Romanov et al., Experimental study of nonlinear interaction of plasma flow with charged thin current sheets: 1. Boundary structure and motion, Nonlinear Processes in Geophys., 2005, в печати).

11. Отклонение направления магнитного поля вблизи МП от его направлений и в переходной области, и в магнитосфере, происходящее за счет взаимодействия крупномасштабного поперечного электрического поля на МП и обтекающего потока

Поле поверхностного заряда на МП (как постоянное, так и переменное) в системе потока обтекающей плазмы, вызывает ускорение плазмы в скрещенных полях вдоль МП в антисолнечном направлении, что и обеспечивает регистрируемое движение границы в сторону Солнца. Как вторичное следствие поверхностного заряда, противоположно направленное, электрическое поле внутри МП ускоряет плазму, в рассматриваемом случае, поперек обтекающего потока. В зависимости от направления поля внутри магнитосферы, подобный эффект может приводить даже к появлению потоков внутри МП, ускоренных в сторону Солнца, что является альтернативным, по отношению к пересоединению. Это также объясняет регулярно наблюдаемые в пограничном слое отклоненные потоки (по данным как «Интербола-1» и «Кластера», так и в более ранних проектах).

- J. Buechner, B. Nikutowski, J. Blecki, A. Skalsky, S. Romanov, L. Zelenyi, A.M. Buckley, T.D. Carozzi, M.P. Gough, P. Song, H. Reme, A. Volosevich, H. Alleyne, E. Panov, Experimental study of nonlinear interaction of plasma flow with charged thin current sheets: 2. Hall dynamics, mass and momentum transfer, Nonlinear Processes in Geophys., 2005, в печати;

- Amata, E., S. Savin, M. Andre, M. Dunlop, Y. Khotyaintsev, M. F. Marcucci, A. Fazakerley, Y. V. Bogdanova, P. M. E. Decreau, J. L. Rauch, J. G. Trotignon, A. Skalsky, S. Romanov , Experimental study of nonlinear interaction of plasma flow with charged thin current sheets: 1. Boundary structure and motion, Nonlinear Processes in Geophys., 2005, в печати).

12*). Сдвиговая волнообразная деформация плазменного слоя хвоста магнитосферы Земли

Установлено, что наиболее характерным режимом модификации структуры магнитосферы Земли в направлении поперек токового слоя хвоста является деформация вертикального сдвига, а не изгиба. При деформации сдвига сохраняется глобальная магнитная топология, но существенно изменяются локальные характеристики токового слоя. Так величина суммарного тока хвоста является макроскопическим параметром, не зависящим от локальных вариаций, то должен действовать механизм самосогласованной адаптации проводимости плазмы к изменению геометрии, что накладывает существенные ограничения на возможные носители тока. Определение процессов формирования токового слоя и вклада различных носителей является одной из основных фундаментальных проблем физики космической плазмы.

Реализация многоспутникового проекта Кластер впервые позволила на регулярной основе определять конфигурацию токового слоя хвоста магнитосферы Земли прямыми, а не косвенными методами. Проанализированы достаточно часто наблюдавшиеся в течение 2001-2004 гг волнообразные пересечения токового слоя, характеризующиеся изменяющейся в процессе колебания ориентацией слоя. Показано, что эти вариации могут быть представлены как сдвиговая деформация хвоста магнитосферы, вызванная волной почти вертикального относительного смещения соседних магнитных трубок, а не изгибом трехмерного токового слоя. Определены характерные амплитуды и длины волны таких вариаций, составляющие несколько радиусов Земли. Колебания являются нелинейными, так как амплитуда увеличивается с увеличением крутизны фронта волны.

- A.A. Petrukovich, W. Baumjohann, R. Nakamura, A. Runov, A. Balogh, Cluster vision of the magnetotail current sheet on a macro-scale, J. Geophys. Res, 110, A06204, doi:10.1029/2004JA010825, 2005.

- A.A. Petrukovich, W. Baumjohann, R. Nakamura, A. Balogh, K.-H. Glassmeier, Unexpected vertical current sheets in the magnetotail associated with northward IMF, Adv.Space.Sci, принято в печать.

- A.A. Petrukovich, W. Baumjohann, R. Nakamura, A. Runov, and A. Balogh, OSCILLATIONS OF FLUX TUBE SLIPPAGE IN THE QUIET PLASMA SHEET, Proceedings of the Cluster and Double Star Symposium 5th anniversary of Cluster in space, 19-23 September 2005, ESA/ESTEC, Noordwijk, The Netherlands, ESA SP, 2005.)

13. Оценен верхний предел относительного тока ионов кислорода поперек магнитосферного хвоста. Показано, что, благодаря ионам кислорода, толщина токового слоя может стать больше в несколько раз по сравнению с токовым слоем, создаваемым ионами водорода

Построена самосогласованная модель токового слоя в хвосте магнитосферы Земли, в которой, наряду с протонами, учтены тяжелые ионосферные ионы кислорода, a также электростатические эффекты, обусловленные различием динамики ионов и электронов.

Система самосогласованных уравнений Власова-Максвелла решена численно с учетом квазиадиабатического поведения ионов плазмы и больцмановского распределения электронов. В отличие от ионов, которые размагничиваются в центре слоя и могут быть рассмотрены в кинетическом приближении, для описания замагниченных электронов использовано приближение ведущего центра. Различие в динамике ионов и электронов порождает амбиполярное электрическое поле, вызывающее дополнительный дрейф электронов внутри токового слоя. Показано, что электронная популяция может поддерживать узкий и интенсивный пик плотности тока в центре слоя. Максимальный вклад неадиабатических ионов кислорода в полный ток поперек магнитосферного хвоста не превышает 28%, в то же время наличие в плазме ионов кислорода способствует существенному расширению токового слоя - приблизительно в 5-10 раз.

- L. M. Zelenyi, H. V. Malova, V.Yu. Popov, D. C. Delcourt, N. Yu. Ganushkina, A. S. Sharma, ”Matreshka” model of multilayered current sheet, Geophysical Research Letters, 2005, в печати;

- Зеленый Л.М., Малова Х.В., Попов В.Ю., Математическое моделирование двухкомпонентных тонких токовых слоев в магнитосферной плазме, Радиотехника и Электроника т.50, N 2, 1-8, 2005;

- Popov V., L.Zelenyi, H.Malova, D. Delcourt, S.Sharma, Modeling of two-component thin current sheets in the Earth’s magnetotail: the role of electrostatic effects Proceedings of the 7th International Symposium for Space Simulations (ISSS-7), 26-31 March 2005, Kyoto, Japan, Ed. Kyoto University, Kyoto, Japan, 223-224, 2005).

14. Показано, что в бифурцированных несимметричных токовых слоях фазовая область квазизахваченной плазмы увеличивается за счет области пролетных частиц – носителей тока, что может приводить к разрушению токового слоя

Методом трассирования частиц и построения сечений Пуанкаре исследована нелинейная динамика заряженных частиц в расщепленных (бифурцированных) и нерасщепленных токовых слоях, которые могут появляться в магнитосфере на ближнем к Земле крае токового слоя во время суббурь. Показано, что общая структура фазового пространства, включающая в себя области пролетных (спейсеровских), захваченных и квазизахваченных частиц, слабо зависит от самого факта бифуркации токового слоя, особенно в случае симметричного, относительно нейтральной плоскости, профиля. Однако, фазовое пространство может быть существенно другим в случае, когда бифурцированный слой несимметричный, т.е. толщины и величины двух его максимумов различны. В несимметричных слоях фазовая область квазизахваченной плазмы «вытесняет» область пролетных частиц, которые являются носителями тока. Поскольку квазизахваченные частицы имеют почти замкнутые орбиты, и полный ток их близок к нулю, сокращение доли пролетных частиц может приводить к полному разрушению самосогласованной структуры токового слоя. Таким образом, степень асимметрии токового слоя может являться одним из ключевых параметров, определяющих динамику слоя в целом. Поскольку несимметричные токовые слои в природе встречаются достаточно часто, механизм разрушения слоя под влиянием накопления в нем квазизахваченной плазмы может играть существенную роль в суббуревой динамике.

- D.C. Delcourt, D.A. Ovodkov, V.Yu. Popov, H.V. Malova, L.M. Zelenyi, Do phase portraits resist current sheet bifurcation? Advances in Space Research, 2005, в печати;

- Ovodkov D., V. Popov, D. Delcourt, H. Malova, The nonlinear particle dynamics in double-humped thin current sheets, Proceedings of the 7th International Symposium for Space Simulations (ISSS-7), 26-31 March 2005, Kyoto, Japan, Ed. Kyoto University, Kyoto, Japan, 295-296, 2005.

15. Деформация магнитосферы при воздействии резких скачков динамического давления солнечного ветра может приводить к существенной энергизации заряженных частиц вблизи области каспа, а также к захвату их в области высоких широт

Исследована динамика заряженных частиц вблизи каспа во время резких скачков динамического давления в солнечном ветре. Показано, что в результате изменения конфигурации магнитного поля под действием импульсных возмущений давления солнечного ветра магнитные моменты частиц могут не сохраняться. В результате возмущения магнитосферы ионы, которые совершали баунс-осцилляции в двух магнитных полусферах, энергизуются индукционным электрическим полем до сотен кэВ. Затем они могут инжектироваться в область внешнего каспа, где они циркулируют в области минимума магнитного поля, не пересекая экваториальной плоскости, и, таким образом, пополняют высокоэнергичную популяцию частиц на высоких широтах.

- Delcourt D. C., H. V. Malova, L.M.Zelenyi, J.-A. Sauvaud, T. E. Moore, and M.-C. Fok Energetic particle injections into the outer cusp during compression events, Earth Planets Space, 57, 125–130, 2005).

16. Тепловая структура плазмосферы Земли по данным спутников «Интербол-2» и «Магион-5»

По данным измерений холодной плазмы в 1996 г. на спутнике «Интербол-2» Авроральный с помощью эксперимента Альфа-3 и в 1999-2000 гг. на спутнике «Магион-5» (субспутник КА «Интербол-2») с помощью российско-чешского эксперимента КМ-7С выявлены неизвестные ранее особенности тепловой структуры плазмосферы Земли.

Температура ионов в ночной плазмосфере понижается в период главной фазы магнитных бурь, однако в конце фазы восстановления температура протонов повышается даже сверх величин, наблюдающихся в предыдущие геомагнито-спокойные периоды (см. Рис. 1).

Падение температуры во время главной фазы бури, возможно, связано с изменением направления потока плазмы из плазмосферы в ионосферу, наблюдающегося в спокойной ночной магнитосфере, на обратное и заполнением плазмосферы холодной (~1000 K) ионосферной плазмой. Последующее возрастание температуры, вероятно, связано с нагревом плазмосферной плазмы вследствие ее взаимодействия с плазмой кольцевого тока.

Показано, что в ранее обнаруженных кавернах плотности (“notch”) - узких по долготе областях пониженного содержания плазмы в плазмосфере Земли - температура протонов повышена по сравнению с соседними областями.

Сравнение температуры протонов в плазмосфере с температурой электронов и ионов в нижележащей верхней ионосфере на высоте ~ 830 км (данные спутников DMSP F12-15) выявило следующие зависимости. На ночной стороне температура ионов в плазмосфере при 1.4<L<2.8, измеренная на спутниках «Интербол-2» и «Магион-5», в среднем равна температуре электронов в верхней ионосфере. Температура ионосферных ионов в среднем равна ионной температуре в плазмосфере до L ~ 1.8, при 2.5 < L < 2.8 температура ионосферных ионов в среднем на 40% меньше температуры ионов в плазмосфере.

Рис.1. Распределения температуры (верхние графики) и плотности (нижние графики) ионов в плазмосфере Земли, зарегистрированные в последовательных (через ~ 6 час.) пролетах Интербола-2 через ночную плазмосферу во время развития небольшой магнитной бури. Видно падение температуры в плазмосфере вплоть до плазмопаузы в период минимума Dst (3) и увеличение температуры (4) на фазе восстановления магнитной бури.

- Г.А. Котова, В.В. Безруких, М.И. Веригин, О.С. Акентиева, Я. Шмилауэр, Исследование каверн

- плотности в плазмосфере Земли по данным спутника «Магион-5», Космич. Исследов., 2005, в печати;

- Г.А. Котова, В.В. Безруких, М.И. Веригин, О.С. Акентиева, Я. Шмилауэр, Тепловая структура плазмосферы Земли по данным спутника «Магион-5», Доклад на 5-ой Украинской конференции по космическим исследованиям, Сб. тезисов, с.79, 2005;

- В.В. Безруких, Ю.И. Венедиктов, Н.А. Барабанов, Я. Шмилауэр, Тепловая структура дневной плазмосферы по данным Хвостового и Аврорального зондов и спутника «Магион-5», Доклад на 5-ой Украинской конференции по космическим исследованиям, Сб. тезисов, с. 62, 2005.

17. Разработан базовый вариант модели электрического поля внутренней магнитосферы Земли с учетом ионосферно-магнитосферных связей

Модель включает следующие блоки:

1) “магнитосферный” блок, который рассчитывает дрейфовые траектории и концентрации протонов и электронов и вычисляет продольные токи по дивергенции поперечных токов;

2) “ионосферный” блок - по продольным токам восстанавливающий электрическое поле в ионосфере, и, считая силовые линии магнитного поля эквипотенциальными, проецирующий электрическое поле в магнитосферу вдоль силовых линий магнитного поля.

На настоящий момент проведен ряд расчетов с целью изучить, как меняется электрическое поле и E-t спектограммы частиц в зависимости от изменения потенциала на внешней полярной границе.

Основные результаты:

а) на стадии “установления”, т.е. заполнения частицами плазменного слоя внутренней магнитосферы при некотором постоянном внешнем потенциале, наблюдается так называемый “shielding”-эффект, т.е. процесс экранирования внешнего электрического поля во внутренней магнитосфере;

б) при увеличении потенциала на границе эффект экранировки исчезает, и требуется несколько часов для его появления (время перестройки токовой системы);

в) при уменьшении внешнего потенциала возникает характерная двухвихревая структура конвекции (во вращающейся с Землей системе отсчета), обусловленная эффектом экранировки. Через несколько часов такая структура исчезает, и устанавливается новое квазистационарное состояние.

В E-t спектрограммах протонов получены “носовые структуры”.

Материал готовится к печати.

- вед. констр. В.В. Вовченко, т. 333-11-22, a1246@rambler.ru;

- к ф.-м.н., Н. Ю. Бузулукова, nat@aster.iki.rssi.ru.

18. Пространственные и временные характеристики поляризационного джета по измерениям на наземных ионозондах

Рассмотрены характеристики поляризационного джета (PJ) по измерениям на разнесенных по долготе, ионосферных станциях Якутск (L = 3.0, λ = 129.6˚) и Подкаменная Тунгуска (L = 3.0, λ = 90.0˚) в 1989 – 1992 гг. Поляризационный джет (узкая струя сверхзвукового течения плазмы в западном направлении вблизи полярной кромки провала со скоростями 0.5 –3.0 км/сек), надежно определяется по наблюдениям наземных ионозондов.

По данным двух станций подтвержден полученный ранее результат о том, что при геомагнитных возмущениях в околополуночном секторе формирование PJ происходит на взрывной фазе суббури.

Наибольшее число случаев наблюдения PJ приходится на временной сектор 19 – 23 MLT.

При изолированных магнитных возмущениях с АЕ > 500 нТл в интервале 11.00 – 16.00 UT полоса PJ перекрывает сектор в 3 часа MLT между станциями Якутск и Подкаменная Тунгуска. При этом время начала PJ на станции Подкаменная Тунгуска для большинства событий запаздывает на 45-60 мин. по сравнению с моментом начала PJ на станции Якутск. Это соответствует перемещению источника PJ с востока на запад со скоростью ~ 3 ч. MLT в час.

- В.Л. Халипов, А.Е. Степанов, Е.Д. Бондарь, Характеристики поляризационного джета по измерениям на субавроральных станциях Якутск и Подкаменная Тунгуска, Космич. исслед., 2005, в печати;

- В.Л. Халипов, А.Е. Степанов, Е.Д. Бондарь, Характеристики поляризационного джета по измерениям на субавроральных станциях Якутск и Подкаменная Тунгуска, Тезисы пятой украинской конференции по космическим исследованиям, 4-11 сентября 2005 г, НЦУИКС, Евпатория, с.80, 2005).

19. По данным наблюдений на наземной сети станций в Антарктике и спутнике «Cluster» исследованы ультранизкочастотные волны диапазона Рс3-4 (десятки млГц) в полярной шапке. Механизм генерации квази-монохроматических сигналов в области разомкнутых силовых линий не укладывается в современные теоретические представления и остается невыясненным.

- Чугунова О.М., Пилипенко В.А., Энгебретсон М., Статистические характеристики пространственных распределений Рс3-4 пульсаций на высоких широтах в Антарктике, Геомагнетизм и аэрономия, 2005, в печати;

- Chugunova, O., V. Pilipenko, M.J. Engebretson, J.R. Woodroffe, K.-H. Glassmeier, P. Ponomarenko, A. Balogh, The trans-polar transmission of Pc 3-4 pulsations: Results from Cluster and Antarctic observations, Annales Geophysicae, 2005, в печати).

20. Источники возмущений плазмы послезакатной низкоширотной внешней

ионосферы

Независимым источником возмущений в послезакатной внешней ионосфере на высотах ~ 1000 км является взаимодействие встречных плазменных потоков, как основанных на ионах кислорода и диффундирующих вверх из нижележащей ионосферы, так и образованных ионами водорода и нисходящих из остывающей протоносферы. По данным измерений квазистационарного электрического поля на спутнике «Интеркосмос – Болгария-1300» флуктуации поля обнаружены только в его вертикальном компоненте. Это свидетельствует об отсутствии горизонтальных компонентов ионных потоков, флуктуации плотности которых могли бы создать дополнительные флуктуирующие сигналы на входе измерителя горизонтальных компонентов электрического поля.

- Гдалевич Г.Л., Озеров В.Д., Банков Н., Чапканов С., Тодориева Л. Источники возмущений плазмы послезакатной низкоширотной внешней ионосферы по данным спутника «Интеркосмос – Болгария-1300», направлена в журнал Геомагнетизм и аэрономия, 2005).

21. Укручение фронтов изменений концентрации возмущённой плазмы может возникнуть под влиянием неоднородных плазменных вихрей, которые образуются в ионосфере низких широт на градиентах плотности и температуры, благодаря затуханию колебаний плазменных электронов в местах падения плотности плазмы

- Гдалевич Г.Л., Ижовкина Н.И., Озеров В.Д., Банков Н., Чапканов С., Тодориева Л., Плазменные неоднородности в неустойчивой внешней ионосфере по данным спутника «Интеркосмос – Болгария-1300», направлена в журнал Космические исследования, 2005).

22. Исследование поведения адиабатических инвариантов заряженных частиц в конфигурациях с обращением магнитного поля типа хвоста магнитосферы Земли в окрестностях Х и О-линий

Рассмотрено движение заряженных частиц в конфигурациях с обращением магнитного поля типа хвоста магнитосферы Земли в окрестностях нейтральных линий Х и О-типа.

Малость отношения характерных масштабов изменения магнитного поля поперек экваториальной плоскости и вдоль неё, и малость электрического поля, позволяют ввести иерархию движений и использовать методы теории возмущения для описания динамики.

Найдены области разрушения и сохранения адиабатических инвариантов. Введен параметр, характеризующий скорость перемешивания в системе.

- D.L.Vainchtein, J.Büchner, А. I. Neishtadt, L. M. Zelenyi, Quasiadiabatic description of nonlinear particle dynamics in typical magnetotail configurations, Nonlinear Processes in Geophysics, v. 12, 101-115, 2005).

23*). Исследование применимости метода усреднения и теории адиабатических инвариантов для описания динамики в системах с отражениями

На примере трех известных задач дано обоснование применимости формальной схемы адиабатической теории возмущений для систем с упругими отражениями. Рассмотренные задачи: частица между медленно движущимися стенками (модель Ферми-Улама), лучи в плавнонерегулярном волноводе с отражающими стенками,  адиабатический поршень.

Адиабатическая теория возмущений широко используется для приближенного описания динамики в гладких гамильтоновых системах, содержащих переменные двух типов: быстрые и медленные. Имеются оценки точности приближений, доставляемых этой теорией. Формально процедуру этой теории можно использовать в ряде случаев и для систем с разрывным гамильтонианом, в частности, для систем с упругими отражениями. Однако справедливость такого формального подхода не следует из имеющихся результатов о точности адиабатической теории возмущений в гладких системах. Особенность рассматриваемых задач в том, что при отражении «медленные» переменные меняются быстро (мгновенно). В настоящей работе на примере указанных выше задач получены оценки точности адиабатической теории возмущений для систем с упругими отражениями. Показано, что, как и в гладком случае, адиабатическая теория возмущений позволяет описать динамику с любой степенной по малому параметру задачи точностью на длительных интервалах времени. Приближенный гамильтониан задачи строится путем последовательного применения замен переменных, осуществляющих усреднение по быстрым переменным в высших порядках рядов теории возмущений, и оказывается гладкой функцией медленных переменных.

Рассмотренные модельные задачи представляют самостоятельный интерес. Модель Ферми-Улама была предложена для объяснения ускорения заряженных частиц в космических лучах. Необходимость рассмотрения плавнонерегулярных волноводов возникает во многих задачах радиофизики и акустики. Задача об адиабатическом поршне является одной из классических модельных задач, связанных с проблемой обоснования статистической механики.

- И.В.Горелышев, А.И.Нейштадт, Об адиабатической теории возмущений  для систем с упругими отражениями, Прикладная математика и механика, 2005, принято в печать.)

24. Применение метода усреднения для описания срыва нестационарного течения со стенки

Рассматривается плоское нестационарное течение жидкости вблизи криволинейной границы. На границе задано условие прилипания. Точка границы называется точкой срыва течения, если эта точка имеет асимптотическое к ней неустойчивое инвариантное многообразие. Для стационарных течений несжимаемой жидкости определение положения точки срыва с прямолинейной границы – это классический результат Л.Прандтля  (1904). В работе даны достаточные условия того, что, выбранная точка криволинейной границы   является   точкой  срыва  для нестационарного   течения  (вообще  говоря,  сжимаемой) жидкости. Определен угол между границей области течения и инвариантным многообразием в точке срыва.

- M.S.Kilic, G. Haller, А. Neishtadt, Unsteady fluid flow separation by the method of averaging. Phys. Fluids, v. 17, 067104, р.13, 2005).

25. Разработка методов расчета самосогласованных электромагнитных

полей и параметров бесстолкновительной плазмы при локальных возмущениях в магнитосфере

Изучена динамика заряженных частиц в трехмерной электростатической потенциальной яме при наличии магнитного поля. В дополнение к методам гиро-кинетической теории разработан новый подход к описанию движения частиц в канонических переменных. Сравнение траекторий частиц, найденных на основе данного подхода и полученных путем численного интегрирования строгих уравнений движения, показало высокую точность и эффективность развитого метода. Этот подход использовался также для решения соответствующего кинетического уравнения и определения моментов функции распределения необходимых для построения замкнутых самосогласованных моделей локализованных электростатических возмущений плазмы.

Рассмотрены оптимальные методы решения уравнения Пуассона применительно к конкретному классу рассматриваемых задач. В частности, показано, что в ряде случаев уравнение Пуассона, определяющее электростатический баланс возмущения, и процессы экранировки, можно свести к системе линейных уравнений в нескольких областях пространства, что дает возможность использовать известные методы математической теории потенциала. Дополнив задачу соответствующими граничными условиями, можно исследовать процессы зарядки и экранирования тела, погруженного в магнитоактивную плазму, и найти характеристики возмущения окружающей плазмы на основе совместного решения системы уравнений Власова-Пуассона. Проведен ряд аналитических расчетов трехмерных электростатических возмущений плазмы. Разработан и более общий алгоритм решения нелинейных уравнений путем численного интегрирования.

Проведен сравнительный анализ электростатических структур, наблюдаемых в различных областях магнитосферы на спутниках. Выделены характерные особенности и различия уединенных возмущений (солитонов) в геомагнитном хвосте, авроральной области, полярной магнитосфере, переходной области и солнечном ветре. Данные наблюдений сопоставлялись также с построенными теоретическими моделями. Развитые модели позволили понять взаимосвязи между физическими параметрами электростатических структур.

По результатам подготовлена к печати статья.

- к.ф.-м.н., В. Л. Красовский, т. 333-41-67, vkrasov@mx.iki.rssi.ru

26. Взаимодействие МГД волн со слоем турбулентной плазмы с аномальным сопротивлением

Завершен цикл теоретических работ, посвященных взаимодействию МГД волн со слоем турбулентной плазмы с аномальным сопротивлением и падением потенциала вдоль силовых линий. Эта проблема имеет самые разнообразные приложения в физике космической и авроральной плазмы. Разработанный математический формализм основывается на включении кинетических эффектов в систему МГД уравнений в виде модельного закона Ома, и приближении тонкого слоя. Получено аналитическое решение самосогласованной задачи о проникновении фронта продольного тока в резистивный слой с аномальным сопротивлением, показавшее возможность эффекта «затягивания» роста тока выше критического значения. Предсказанный эффект генерации альвеновского импульса при «включении» аномального сопротивления получил подтверждение при наблюдениях полярных сияний на спутнике Polar и наземных магнитометрах.

- Pilipenko V., Mazur N., Fedorov E., Uozumi T., and Yumoto K., Excitation of Alfven impulse by the anomalous resistance onset on the auroral field lines, Annales Geophysicae, 23, N4, 1455–1465, 2005;

- Mazur, N., Fedorov E., Pilipenko V., Leonovich A., Interaction of Alfven front with the plasma anomalous resistance layer, J. Plasma Physics, 2005, в печати;

- Федоров Е., Вовченко В., Пилипенко В., Взаимодействие альвеновской волны с резистивным слоем, Физика Плазмы, 2005, в печати).

27. Разработка панорамного масс-спектрометра

Создана численная модель панорамного ионного спектрометра, обладающая высокими оптическими характеристиками и очень высоким значением аппаратного массового разрешения (М/ΔМ > 1000). На основе этой модели разработаны чертежи лабораторного образца прибора ПИКАМ для проекта BepiColombo.

- Вайсберг О.Л., Лейбов А.В., Смирнов В.Н., Аванов Л.А. и др., Миниатюрный всенаправленный прибор для анализа функции распределения и масс-анализа заряженных частиц с высоким разрешением, в сборник: «Вопросы миниатюризации в современном космическом приборостроении», под ред. Р.Р. Назирова, ИКИ, Москва, 168–179, 2005;

- Вайсберг О.Л., Аванов Л.А., Лейбов А.В., Смирнов В.Н., Келлер Д., Мур Т., Чернай Д., Колиер М., Трошин В.С., и Мягких В.Д., Панорамный плазменный спектрометр – камера всего неба для заряженных частиц, Космические исследования, 43, N5, 390-394, 2005.)

28. Разработка масс-спектрометра захваченных ионов марсианского происхождения проекта «Фобос-Грунт»

Проведено расчетное моделирование энерго-масс-спектрометра ионов с энергиями вплоть до ~ 60 кэВ, основными научными задачами которого являются:

- измерение скорости диссипации кислородной короны Марса;

- измерение 3-х мерных спектров захваченных ионов марсианского происхождения в солнечном ветре;

- изучение потоков ионов марсианского происхождения за околопланетной ударной волной и в магнитном хвосте;

- изучение массового состава и кинетических свойств захваченных межзвездных ионов;

- изучение потоков электронов солнечного ветра и в магнитосфере Марса.

Работа масс-спектрометра основана на совместном использовании секционированного тороидального электростатического анализатора и времяпролетного устройства (TOF).

Тороидальный анализатор, как показано на рисунке, разделен по азимуту на ряд секторов (в нашем случае на 24 сектора), причем вход каждого сектора срезан на некоторую величину _i, где i – номер сектора. Например, если _i =0 для всех i, то входы всех секторов будут направлены вдоль оси прибора. При фиксированном значении _i, отличном от нуля, ориентация входов всех секторов будет располагаться вдоль шарового пояса.

Поэтому, срезая на входе каждый сектор на определенный угол (в нашем случае в пределах от ~15⁰ , до ~ 60⁰), можно сконструировать угол обзора прибора, как это показано на нижней панели рисунка. В этом случае прибор работает как 24 независимых узконаправленных анализатора, равномерно ориентированных внутри конуса с углом при вершине ~ 120⁰.

Подавая последовательно на анализирующие пластины ряд напряжений в пределах от U₁ до U_max и измеряя при этом количество зарегистрированных ионов каждым детектором частиц в течение одного цикла измерений (полный набор отклоняющих напряжений), можно получить трехмерный спектр распределения потоков ионов по скоростям.

Здесь U_max – максимальный уровень разности потенциалов между отклоняющими пластинами. Соответствующая ему энергия ионов E_max=0.5 U_max /ln(R₂/R₁), где R₁ и R₂ – радиусы внутренней и внешней отклоняющих пластин анализатора.

Для анализа массового состава исследуемых потоков в прибор введено времяпролетное устройство (TOF), основанное на измерении времени пролета t каждой частицы определенного промежутка L_tof.

Для реализации TOF на выходе анализатора установлена тонкая углеродная фольга в виде кольца. На расстоянии ~L_tof введена дополнительная микроканальная пластина для регистрации всех прошедших сквозь фольгу ионов. Современная техника позволяет изготовлять сверхтонкую фольгу, через которую могут пройти ионы с энергиями, начиная с нескольких кэВ, без существенных потерь.

Принцип работы TOF в данном случае состоит в следующем: при определенной разности потенциалов между отклоняющими пластинами U_n при прохождении частицы через сектор i в начальный момент t₀ усилитель коллектора сектора i за счет вторичных электронов в первой микроканальной пластине (CEM_start) фиксирует попадание частицы, а в момент t_n,i,m прошедшая сквозь фольгу частица регистрируется второй микроканальной пластиной (CEM_stop). При этом вычисляется время пролета частицей промежутка L_tof: t_n,i,m= t_n,i,m - t₀ = L_tof/v_i (здесь v_i - скорость иона). Суммируя события, соответствующие t_n,i,m, мы можем получить полный 3-х мерный ионный спектр для разных масс.

Таким образом, реализация спектрометра по предложенной схеме позволит проводить с хорошим временным разрешением (за одно сканирование по энергии) трехмерные скоростные распределения потоков ионов, одновременно определяя их массы.

Если изменить соответствующим образом потенциалы на анализирующих пластинах анализатора и на CEM_start, этот спектрометр можно использовать для регистрации электронных спектров в разных направлениях.

Для того чтобы оптимизировать конструкцию прибора с точки зрения достижения его высокого разрешения по всем параметрам, были проведены численные расчеты характеристик спектрометра, которые показали, что вполне реально создание прибора со следующим основными параметрами: энергетическое и угловое разрешения

E_i/E_i ~ 15%, ₌₀*₌₉₀ = 6⁰ * 2⁰, телесный угол Т=3.05 10^-3 стер и энерго-геометрический фактор, параметр, определяющий чувствительность спектрометра, G = 3.23 10^-5 Е₀ см² стер кэВ.

Оценки показывают, что масса предлагаемого спектрометра, включая электронику, размещенную внутри корпуса датчика (высоковольтная и измерительная части), может быть в пределах ~ 1 кг. Габариты могут быть в пределах 190 * 130 мм. Эти величины являются вполне приемлемыми для установки на дальний космический аппарат.

- А.П. Ремизов, М.И. Веригин, Г.А. Котова, «Масс-спектрометр захваченных ионов марсианского происхождения для проекта «Фобос-Грунт», доклад на 5-й украинской конференции по космическим исследованиям, Крым, сентябрь 2005г.)

29. Анализ работы в полете плазменного комплекса СПМ прибора РОМАП проекта РОЗЕТТА

Проведен анализ работоспособности плазменной аппаратуры СПМ прибора РОМАП, установленной на посадочном аппарате РОЛАНД космического аппарата РОЗЕТТА.

Аппаратура СПМ включает в себя два ионных спектрометра с управляемой диаграммой направленности в пределах +/- 50⁰ и с энергетическим диапазоном от 0.4 до 8 кэВ, электронный спектрометр с энергетическим диапазоном от 0.03 до 4200 эВ и цилиндр Фарадея для измерения потоков солнечного ветра.

Из-за существенных ограничений по весу и энергопотреблению в аппаратуре не предусмотрены устройства для проведения в полете калибровки детекторов. Кроме того, ориентация аппаратуры во время перелета космического аппарата от Земли к комете неблагоприятна с точки зрения измерения потоков ионов или электронов солнечного ветра, поскольку входные окна всех спектрометров заслонены орбитальным космическим аппаратом. Поэтому только малая часть электронов солнечного ветра за счет отражений могла попасть в электронный спектрометр. Для ионов вероятность их попадания в любой из ионных датчиков за счет узкой направленности ионных потоков равна нулю.

Ниже на рисунке приведены зарегистрированные спектры электронов

(85 спектров). Голубая, зеленая и черная кривые соответствуют результатам численного моделирования распределений Максвелла, наиболее близких к полученным результатам. По-видимому, спектрометр регистрирует три типа электронных потоков: фотоэлектроны с части КА (голубая кривая), которая находится под потенциалом на ~ 9 В ниже входа электронного спектрометра, фотоэлектроны со входа спектрометра (зеленая кривая) и очень незначительный вклад электронов солнечного ветра (черная кривая). Для каждого случая приведены полученные в результате расчета основные величины потоков – концентрация, температура, а также соответствующий потенциал КА относительно источника потока. Все спектры получены при минимальном напряжении на каналотронах (ВЭУ), за исключение одного, когда напряжение было на один уровень выше. Разности в отсчетах практически не было, что говорит о высокой чувствительности ВЭУ, а также о том, что чувствительность ВЭУ не изменилась со времени калибровки, проведенной за два года до запуска КА.

В результате анализа полученных данных можно заключить следующее:

- не смотря на то, что благодаря хорошей экранировки чувствительных элементов выходные сигналы ионных усилителей равны нулю, тем не менее, в течение 2-х часов (время проведения испытаний) было зафиксировано несколько ненулевых отсчетов, что говорит о работоспособности всех усилителей,

- поскольку все высоковольтные напряжения для ионных детекторов те же, что и для электронных, то можно заключить, что вся электроника работает нормально, т.к. в течение всего времени регистрировались спектры электронных потоков (см. рисунок);

- двухлетнее хранение прибора вместе с каналотрононами на открытом воздухе (т.е. без особых специальных условий хранения) нисколько не повлияло на работу ВЭУ;

- вся плазменная аппаратура СПМ функционирует нормально.

- А.П. Ремизов, «Описание плазменного комплекса СПМ прибора РОМАП проекта РОЗЕТТА», в работе

30. Моделирование дисперсионных структур в хвосте магнитосферы Земли

Предложена новая схема численного эксперимента по моделированию генерации и последующего распространения пучков ионов (бимлетов) в хвосте магнитосферы Земли. Основная отличительная черта данной модели - учет токов, созданных бимлетами. Одним из преимуществ данной модели является возможность объяснения генерации бимлетов с различной дисперсией только за счет учета токов самих частиц, создающих бимлет.

Рис. 1. Бимлеты с положительной дисперсией. На верхнем рисунке показаны результаты спутниковых измерений Keiling et al. (2004, GRL). На нижней панели дан сравнительный анализ результатов численного моделирования.

Предварительно проведены аналитические исследования с целью получения информации о местах генерации бимлетов. Результаты моделирования позволяют объяснить широкий класс бимлетов, регистрируемы на спутниках Cluster, а именно, бимлеты с «положительной» дисперсией. Показано, что электрические токи, созданные бимлетами в плазменном слое, меняют энергетическую дисперсию бимлетов. Однако, объяснить на основе данной модели причины образования бимлетов с отрицательной дисперсией (т.е. с ростом широты энергия пучка падает) пока не удалось.

Материалы готовятся к печати.

- М.С. Долгоносов, т. 333-25-00, cactus@iki.rssi.ru,

- Л.М. Зеленый, чл.-корр.РАН, т. 333-51-22, lzelenyi@iki.rssi.ru

31. Определение распределения давления магнитосферной плазмы по данным спутника Интербол/Хвостовой зонд

Получены профили давления ионов и электронов на геоцентрических расстояниях 8-15R_E по данным спутника Интербол/Хвостовой зонд. Использованы результаты измерений приборов КОРАЛЛ, Док-2 и Электрон. Охватываемый диапазон расстояний 8 – 15 R_E был выделен тем, что данная область представляет собой область деформированных силовых линий магнитного поля. Восстановление спектров ионов и электронов в широком диапазоне энергий с высоким энергетическим разрешением дало возможность производить вычисление давления плазмы с высокой точностью. Показано, что давления плавно возрастает при переходе из области плазменного слоя в область кольцевого тока (с ночной стороны и на флангах), без характерного провала, предполагаемого в некоторых теоретических работах. Был оценен вклад электронов в давление, он не превышал 10 %. Проведено сравнение результатов определения давления с моделью Цыганенко и Мукаи, опубликованной в JGR (v. 108, p. 1136, 2001). Выделены случаи наблюдений изотропных и анизотропных областей давления. Проведен подробный анализ распределения давления вдоль траектории полета спутника для выделенных случаев, включая результаты наблюдений в области низкоширотного погранслоя (LLBL). Полученные результаты использованы для решения проблемы генерации магнитосферных токовых систем.

Рис.1. Заштрихованные прямоугольники – результаты модельных расчетов, гистограмма с погрешностью - полное плазменное давление, квадраты – давление по КОРАЛЛу, звездочки - по ДОК2, треугольники - ЭЛЕКТРОН.

- Kirpichev I.P., E.E. Antonova, N.L. Borodkova, E.Y. Budnik, V.N. Lutsenko,E.I. Morozova, N.F. Pissarenko, Y.I. Yermolaev, The features of the ion plasma pressure distributions in the near Earth plasma sheet, Planet. Space Sci., v. 53, No 1-3, 209-216, 2005;

- E.E. Antonova, I.P. Kirpichev, M.V. Stepanova, Solutions of the problem oflow-frequency magnetosphere-ionosphere coupling and the nature of dawn-dusk electric field, I AGA-2005 Abstracts, Toulouse, France, July 2005, IAGA2005-A-00098, 2005.)

32. Генерация потоков быстрых заряженных частиц когерентными волновыми структурами.

Рассмотрена генерация потоков быстрых заряженных частиц когерентными волновыми структурами. На основе аналитических оценок параметров взаимодействия волна-частица выполнены численные расчеты недиффузионного ускорения зарядов в плазме ансамблем ленгмюровских волн малой, но конечной амплитуды. Механизм ускорения обусловлен параметрическим резонансом второго порядка при воздействии последовательности волн с возрастающей фазовой скоростью и соответствует раскачке нелинейного осциллятора периодической внешней силой. С учетом зависимости фазовой скорости ленгмюровских колебаний от волнового числа определены параметры мод ансамбля, при которых происходят последовательные захваты зарядов волнами и ускорение частиц. На заданном временном интервале реализуется эффективное резонансное взаимодействие заряда с вполне определенной парой соседних (по фазовой скорости) волн. Для рассматриваемого механизма ускорения принципиальное значение имеет нелинейная динамика частиц в движущихся потенциальных ямах.

Набор энергии ускоренных частиц определяется разницей между максимальной и минимальной фазовыми скоростями волн в ансамбле. Отмечена зависимость ускорения от выбора фаз волн. По-видимому, спектр амплитуд волн также влияет на темп ускорения, однако этот вопрос требует дальнейшей проработки.

Исследованы условия захвата зарядов в режим ультрарелятивистского ускорения волной конечной амплитуды в магнитоактивной плазме с учетом вихревой компоненты электрического поля волны. Численными расчетами определены границы диапазона начальных фаз волны (БДНФ) на траектории заряженных частиц, благоприятного для захвата зарядов в режим ультрареляти-вистского ускорения. Изучены зависимость границ БДНФ от величины внешнего магнитного поля, динамика темпа ускорения и "конденсация" ускоренных частиц в окрестности оптимальной для ускорения фазы.

График смещения ускоряемой частицы при воздействии одной, двух и трех волн соответственно

- Н.С.Ерохин, В.Н.Дамгов, Н.Н.Зольникова. Недиффузионное ускорение зарядов пакетом ленгмюровских волн конечной амплитуды в изотропной плазме. - Scientific Conference with International Participation "Space, Ecology, Safety",МП Издателство на Технически университет, София, Book 1, 50-54 (2005).

33. Пояса античастиц в магнитосфере Земли.

Путём численного моделирования доказана возможность формирования в магнитосфере Земли потоков захваченных антипротонов и позитронов, рождаемых в ядерных взаимодействиях энергичных ионов с атмосферой. Результаты расчетов состоят в следующем.

1. Компьютерное моделирование выхода заряженных частиц, производимых галактическими протонами и ядрами гелия в ядерных реакциях с веществом атмосферы, и процесса последующего захвата этих частиц геомагнитным полем доказывает возможность формирования повышенных, по сравнению с галактическими, потоков антипротонов стабильно удерживаемых магнитосферой. Как показано на рисунке ниже захваченные антипротоны заселяют достаточно широкий диапазон L-оболочек и их интенсивность превышает интенсивность галактических антипротонов от нескольких раз до нескольких порядков в зависимости от энергии.

Полное число захваченных антипротонов составляет примерно 10²¹, чему соответствует масса ~1 мкг. Для сравнения: 30 нанограммов достаточно для 45-дневного полёта на Марс, а 10 миллиграммов достаточно для обеспечения полёта возвращаемого аппарата вокруг Юпитера продолжительностью в один год.

2. В отличие от антипротонов основным источником позитронов являются энергичные протоны внутреннего радиационного пояса. Превышение потока таких позитронов над позитронами космических лучей тех же энергий также может составлять от нескольких раз до нескольких порядков.

- W. N. Spjeldvik, A. A. Gusev, I. M. Martin, G. I. Pugacheva, S. Bourdarie, and N. J. Schuch Theory for Antiproton Content of Planetary Magnetospheres, IAGA Scientific Symposia, Toulouse, France, July 18-29, 2005.

34. Проведение наблюдений Солнца и ночной атмосферы Земли рентгеновским CdTe–спектрометром в эксперименте «КОРОНАС-Ф».

С космодрома «Плесецк» 31.07.2001 г. был запущен КА «КОРОНАС-Ф» на орбиту высотой 500 км с целью проведения фундаментальных и прогностическим исследований Солнца. Наблюдения проводятся во всем диапазоне электромагнитных волн от радио до гамма – излучения. В составе КНА «КОРОНАС-Ф» для спектрометрии рентгеновских вспышек использован спектрометр РПС-1, основой которого является полупроводниковый детектор из теллурида кадмия, охлаждаемый полупроводниковым термоэлектрическим микроохладителем. В ходе проведения эксперимента все вспышки, начиная с класса В1.0 (поток в максимуме вспышки 10^-7 эрг/см² · с ), зафиксированные РПС-1, подтверждены данными GOES. Кроме того, регистрируются всплесковые события, имеющие, по-видимому, магнитосферное происхождение, т.е. обусловлены высыпающимися электронами и они требуют отдельного рассмотрения.

Высокая чувствительность детектора позволила детально (с временным разрешением 16 сек) проследить эволюцию спектров самых слабых вспышек от класса В1.0 до класса С1.0 (поток в максимуме вспышки 10^-6 эрг/см² × с), которые регистрировались при относительно низком уровне солнечной активности (см. рис.1). Спектрально – временные характеристики этих вспышек устраняют пробел в классификации их по данным GOES. Предвспышечные (фоновые) спектры (точка 1 на рис.1) сильно зависят от уровня солнечной активности и их жесткость увеличивается при значительном увеличении числа солнечных пятен, и максимальная фоновая энергия может превосходить 10 кэВ.

На теневых участках трассы полета КА вне поясов заряженных частиц прибор регистрировал вариации мягкого рентгеновского свечения верхней земной атмосферы. Долговременные наблюдения показали, что энергия квантов ночного излучения атмосферы не превосходит 6 кэВ. Результаты первого опыта использования охлаждаемого детектора из теллурида показали, что с помощью таких детекторов можно проводить долговременные высочувствительные наблюдения не только Солнца, но и других космических объектов.

- Панков В.М., Прохин В.Л., Хавенсон Н.Г. и др., Рентгеновский CdTe–спектрометр в эксперименте «КОРОНАС-Ф». Тезисы научных докладов на Международной конференции «КОРНАС-Ф»: три года наблюдений активности Солнца. ИЗМИРАН, с.5-6, 2005.

- Панков В.М., Прохин В.Л., Хавенсон Н.Г., Рентгеновский CdTe–спектрометр РПС-1 в экспери-менте «КОРОНАС-Ф». - Астрономический вестник, (послано в печать).

- Хавенсон Н.Г., Ерохин Н.С., Панков В.М., Прохин В.Л. Математическая обработка и графическая визуализация спектров солнечных рентгеновских всплесков, зарегистрированных в эксперименте «КОРОНАС-Ф». Тезисы докладов конференции «МатИнформТех 2005», Украина, г.Мелитополь, с. , 2005.

35. Сезонно-зависимые зоны захвата во внешней магнитосфере.

Путём численного моделирования траекторий заряженных частиц в полярных областях магнитосферы продемонстрирована возможность стабильного удержания заряженных частиц в области каспа. Взаимодействие межпланетного магнитного поля с полем внутренних источников приводит к образованию в полярных областях вокруг каспа магнитных ловушек, аналогичных тем, что образованы дипольной составляющей главного магнитного поля, и изолированных от последних областью локальных максимумов магнитного поля. Поскольку внешнее магнитное поле контролируется межпланетным магнитным полем и наклоном геомагнитного диполя, то конфигурация полярных зон захвата должна зависеть от времени года и в меньшей степени от мирового времени. Выполненное нами моделирование траекторий протонов в области каспа показало, что область захвата действительно появляется в северном и южном полушариях, но только в период соответствующего летнего солнцестояния. При этом внешняя область плоскости геомагнитного экватора отклоняется в противоположное полушарие (см. рис.). В периоды равноденствия зоны появляются только в достаточно возмущённой магнитосфере и выражены гораздо слабее. Существование этих зон может, по-видимому, объяснить происхождение потоков энергичных заряженных частиц, наблюдаемых в ряде экспериментов в области каспа.

Рисунок. Траектории одномэвных протонов в областях внешнего и внутреннего захвата (чёрные линии). Силовые линии геомагнитного поля показаны голубыми линиями.

- G.I.Pugacheva, A.A.Gusev, U.B.Jayanthi, N.J.Schuch, W.N.Spjeldvik. Cusp region radiation belts in dayside magnetosphere. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, v.67, № 5, p.479-487, 2005.