ИСТИНА

Токовые слои в гелиосфере представляют собой самоорганизующиеся системы, возникающие на границах плазмы с разнонаправленными магнитными полями, на разрывах и ударных волнах, границах магнитосфер и различных потоков. Кроме того, мелкомасштабные токовые слои рождаются в процессе турбулизации плазмы и образования вихрей. Поскольку токовые слои подвержены магнитному пересоединению, они сами являются источником когерентных структур, таких как вторичные токовые слои и магнитные острова. Динамика токовых слоев изменяет характеристики окружающего пространства не только на малых масштабах. Продуцированные магнитным пересоединением структуры сносятся в солнечный ветер и участвуют в турбулентном каскаде, что неизбежно изменяет параметры перемежаемости и турбулентности далеко за пределами нескольких гирорадиусов вокруг токового слоя. В результате возникает малоизученная связь «турбулентность-токовые слои». Динамика токовых слоев и протекание магнитного пересоедениния существенно зависят от расстояния, что не может не сказаться на изменении характера одного из самых фундаментальных процессов в солнечном ветре - турбулентности, развивающейся на разных расстояниях от Солнца. Однако ни зависимость характеристик токовых слоев от гелиоцентрического расстояния, ни параметры турбулентности в их окрестности практически не изучены. Виной этому разделение подходов в физике токовых слоёв. Плазма в гелиосфере - это среда с одновременно протекающими процессами, которые на различных масштабах можно считать как квазиламинарными, так и возмущенными. Соответственно, устоялись два подхода, один из которых рассматривает некие осредненные характеристики турбулентности в зависимости от плавно меняющихся параметров плазмы (например, скорости), а другой изучает токовые слои как квазиустойчивые структуры, абсолютно отдельно от турбулентных процессов. Проект предлагает новый подход к проблеме пространственной эволюции турбулентности и направлен на исследование нестационарных процессов, протекающих в токовых слоях гелиосферы, таких как магнитное пересоединение или возбуждение волнами, и их вклада в картину турбулентности на расстояниях от Солнца от 0.3 до 5.4 а.е. вблизи и вдали от плоскости эклиптики. Кроме того, будут рассмотрены вопросы ускорения частиц на токовых слоях и в их турбулентной окрестности. Процессы будут изучены теоретически, также будут использованы наблюдательные данные аппаратов Ulysses, STEREO, Helios, Wind и ACE.

Current sheets in the heliosphere represent self-orginizing structures that appear at edges of plasmas with differently-directed magnetic fields, at discontinuities and shocks as well as at edges of planetary magnetospheres and different streams. Furthermore, small-scale current sheets occur as a result of turbulent processes and formation of swirls. Since current sheets experience magnetic reconnection, they also become a source of coherent structures such as secondary current sheets and magnetic islands. A dynamics of current sheet changes characteristics of the surrounding solar wind not only at small scales. Any dynamic process in a current sheet generates numerous secondary current sheets and other coherent structures, which are drifted by the solar wind to far distances and contribute in the turbulent cascade. This inevitably changes parameters of intermittency and turbulence much farther than several gyroradii around the current sheet. As a result, a poorly understood tie of turbulence and current sheets appears. Dynamics of current sheets and magnetic reconnection depends on heliocentric distance considerably, which impacts the character of one of the basic processes in the solar wind – turbulence, which develops at various distances from the Sun. However, neither the dependence of charasteristics of current sheets nor parameters of turbulence in their vicinity are investigated. Heliospheric plasma flows can be treated both as quasi-laminar and turbulent, which defines two approaches to the description and investigation of processes in the solar wind. One of them deals with some average characteristics of turbulence which depend on slowly varying plasma parameters (for example, the solar wind speed), and the other allows studying current sheets as quasi-stable structures, which are usually considered separately from turbulence. The project suggests a novel approach to the problem of spatial evolution of turbulence and aimed to investigation of non-stationary processes such as magnetic reconnection at and wave excitation of current sheets in the heliosphere. We will study the impact of current sheets in the entire picture of turbulence in the solar wind from 0.3 AU to 5.4 AU both close and far from the ecliptic plane. Also, particle acceleration at current sheets and their turbulent vicinity will be examined. The processes will be studied both theoretically and observationally with the help of measurements from the Ulysses, STEREO, Helios, Wind and ACE spacecraft.

За весь срок реализации проекта предполагается: - Изучить свойства токовых слоев по данным космических аппаратов на разных расстояниях от Солнца и сравнить с характеристиками турбулентности (1-3 годы). - Оценить расстояние, на котором возможно прекращение стационарного магнитного пересоединения из-за утоньшения ТТС и недостаточности характеристик притекающей плазмы (теоретически и по наблюдениям) – (1-ый год). - Разработать модель ТТС, вложенного внутрь гелиосферного плазменного слоя; провести сравнение с данными наблюдений (1-ый год); - Провести исследование квазиадиабатической динамики заряженных частиц в токовом слое с магнитной шировой компонентой (внешней, постоянной, или самосогласованной); проанализировать скачки инвариантов движения, структуру фазового пространства, сечений Пуанкаре и других характеристик (1-2й год); - Изучить сходства и различия динамики токовых слоев хвоста магнитосферы и гелиосферы(1-3й год) - Построить и исследовать модель распределения солнечного ветра в периоды минимумов и максимумов солнечной активности, с учетом широтной зависимости и заданием граничных условий сфере альфвеновского радиуса; провести сравнение распределений магнитного поля, скоростей и плотности в дипольной и квадрупольной моделях (2-3й год); - Развить нестационарную модель утоньшения токового слоя от «толстой» конфигурации с изотропным давлением до предельно тонкого токового слоя толщиной порядка одного-нескольких гирорадиусов протонов. Изучить процесс формирования анизотропии плазменного давления в процессе формирования тонкого слоя (2-3 год). - Изучить процессы ускорения и переноса частиц во время нестационарных плазменных процессов в ТТС (в частности, диполизации магнитосферного хвоста, турбулентности, магнитного пересоединения) (1-3й год); - Исследовать квазиадиабатическое рассеяние частиц в процессе быстрых диполизаций магнитного поля (1-2 год). - Изучить процессы ускорения в турбулентной плазме, окружающей токовые слои. Провести анализ характкристик ускоренных частиц на разных расстояниях от Солнца (1-3 год) - Исследовать вклад токовых слоев и их турбулентного окружения в статистические характеристики турбулентности (построение спектров, анализ на альфвеновский тип турбулентности, анализ перемежаемости) – (1-3 год)

Участники проекта много лет занимается разработкой и исследованием плазменных структур и процессов в космосе. Наблюдения магнитного пересоединения и образования множественных когерентных структур, ответственных за дополнительное ускорение энергичных частиц, описаны в работах (Zharkova & Khabarova, 2012, 2015; Zank et al. 2014, 2015; Khаbarova & Zank, 2017). Участниками проекта показано, что магнитное пересоединение в солнечном ветре стохастическое, протекает в токовых слоях с образованием множественных магнитных островов и значительно ускоряет частицы, в сочетании со стохастическим ускорением в магнитных островах, окружающих пересоединяющийся токовый слой. Коллектив заявителей обладает большим опытом в моделировании тонких токовых слоев (ТТС), обнаруженных в хвосте магнитосферы Земли (Fairfield, 1984; McPherron et al., 1987; Mitchell et al., 1990; Sergeev et al., 1993; Sanny et al., 1994; Pulkkinen et al., 1994, 1998). Модель (Kropotkin and Domrin, 1995), основанная на квазиадиабатической динамике протонов, положила начало решению задачи о построении адекватной модели ТТС. Самосогласованное решение уравнений Власова-Максвелла для токового слоя с предельно сильной потоковой анизотропией найдено и исследовано в работе Kropotkin, Malova, Sitnov (JGR, 1997). Развитие теории ТТС осуществлялось участниками гранта, которые в данной области стали лидирующей группой на мировом уровне, о чем свидетельствуют публикации в рейтинговых зарубежных и российских журналах: Space Sci. Rev, J. G.R., Geophys. Lett., Phys. Plas., Physics-Uspekhi и других. Участниками проекта исследована устойчивость ТТС (Zelenyi et al., JASTP, 2008). Показано, в процессе суббуревых возмущений ТТС эволюционируют и могут переходить из устойчивой области в «щели», где могут разрушаться (Зеленый и др., Косм. Иссл., 2014); объяснено свойство метастабильности ТТС. Таким образом, у коллектива участников гранта есть необходимый задел для успешного исследования структуры токовых слоев в космической плазме.

1) Квазиадиабатическая модель вложенного ТТС будет модифицирована (будут учтены низко- и высокоэнергичные частицы солнечного ветра) и адаптирована к описанию сравнительно тонких токовых слоев, наблюдаемых в солнечном ветре. Будет показано, что в популяции частиц плазмы, наряду с сравнительно низкоэнергичными протонами, движутся более высокоэнергичные частицы, чьи гирорадиусы могут быть сопоставимыми с толщиной ТТС. Собственно, именно эта популяция частиц может быть основной, которая поддерживает тонкие токовые структуры солнечного ветра, вложенные внутрь более широкого плазменного слоя. 2) На основе исследования квазиадиабатической динамики заряженных частиц в токовом слое с магнитной шировой компонентой (внешней и самосогласованной) и анализа скачков инвариантов движения и структуры фазового пространства будет раскрыт механизм формирования асимметричных профилей плотности тока в токовых слоях присутствии шировой магнитной компоненты. 3) Задача построения МГД- модели солнечного ветра в периоды разной солнечной активности является достаточно масштабной как в плане постановки, так и численного решения. Она позволит исследовать распределение солнечного ветра в зависимости от широты и расстояния до Солнца, а также в зависимости от граничных условий. Предполагается, что по сравнению с известной моделью Паркера, которая построена в максимально упрощенном варианте, данная модель будет играть взаимно дополняющую роль. Она позволит понять, как устроен солнечный ветер на высоких и низких широтах, как зависит солнечный ветер от граничных условий. На первом этапе будут созданы и отлажены численные коды для решения системы уравнений, получены первые результаты. По первым итогам работы будет подготовлена статья. 4) Будет развита нестационарная модель утоньшения токового слоя из толстой конфигурации в тонкую и получены первые результаты. Предполагается, что будут получены зависимости величин магнитного поля, плотности тока, компонент скорости и тензора давлений от времени. Будет показано, что при формировании ТТС происходит перестройка потока плазмы вокруг токового слоя, так что пучки плазмы летят вдали от слоя практически вдоль магнитных силовых линий, а внутри ТТС динамика протонов становится квазиадиабатической, что порождает анизотропию в распределении давления внутри слоя. 5) Будет построена модель токового слоя с изменяющимся во времени магнитным и электрическим полями для описания разных нестационарных процессов в плазме: магнитной диполизации, плазменной турбулентности и их одновременной реализации; будут получены спектры ускоренных частиц: протонов, тяжелых ионов и электронов. Полученные результаты будут сравнены с имеющимися экспериментальными данными. По итогам работы планируется написать статью. 6) Будет проведена оценка эффективности магнитного пересоединения в зависимости от ряда входных параметров, соответствующих наблюдениям в солнечном ветре. По итогам работы планируется написать статью. 7) Будет разработана модель и получены первые результаты численного моделирования возбуждения ТТС поверхностными волнами при нахождении в них когерентных структур типа магнитных баблов. По итогам работы будет опубликована статья. 8) Будет исследовано сходство процессов в токовых слоях магнитосферы и гелиосферы. По итогам работы планируется подготовить статью к печати. 9) Будет изучена динамика токовых слоев в гелиосфере на разных расстояниях от Солнца и особенности локального ускорения частиц. По итогам работы будет опубликована статья.