ИСТИНА

В рамках проекта будет проведено теоретическое и численное моделирование тонких токовых слоев в бесстолкновительной плазме, создаваемых взаимопроникающими потоками неадиабатических ионов. Особое внимание будет уделено изучению квазистационарной структуры токовых слоев в процессе их медленной эволюции с образованием расщепленной конфигурации, а также исследованию устойчивости и процессов разрушения с высвобождением энергии, которые носят взрывной характер. Одновременный учет захваченной в слое плазменной популяции и электростатических эффектов, связанных с различной динамикой электронов и ионов, позволит выявить роль механизмов, формирующих тонкую структуру токовых слоев и влияющих на процессы их разрушения. С помощью моделирования методом крупных частиц будет исследовано динамическое поведение токовых слоев под действием тиринг- и кинк- возмущений магнитного поля. Таким образом, результаты моделирования помогут ответить на вопрос о характере и основных механизмах формирования и нелинейной эволюции тонких токовых слоев в бесстолкновительной плазме.

1. Будет проведено исследование свойств аналитических решений стационарных расщепленных и нерасщепленных ТТС в рамках теории тонких анизотропных токовых слоев для произвольной анизотропии источника ионов, с учетом захваченной и квазизахваченной компонент плазмы, изотропных и анизотропных электронов. 2. Будет реализована численная схема метода частиц для одномерного ТТС и созданы коды для численного анализа (комплекс программ в С++). Будут представлены результаты моделирования токовых слоев методом крупных частиц с учетом и без учета захваченной и квазизахваченной плазменной компоненты, и электронов с изотропным и анизотропным давлением. Будет оценена роль пролетных и захваченных электронов в ТТС. Будут определены условия. при которых возникает бифурцированная структура ТТС. 4. Будет проанализирована зависимость решений численной модели от разных начальных и граничных условий, от конфигурации системы, например, от величины нормальной компоненты магнитного поля, температурной анизотропии ионов и электронов, потоковой скорости плазмы на границе системы. 5. Будет проведено аналитическое и численное исследование влияния тиринг- (разрывного) и кинк- (изгибного) возмущений магнитного поля на устойчивость ТТС и определены условия, при которых возможна потеря устойчивости. 6. Будет проведено сравнение результатов моделирования с данными спутниковых измерений в хвосте магнитосферы Земли.

В последние годы коллективом авторов проекта активно развивались новые аналитические и численные подходы к изучению анизотропных токовых слоев в бесстолкновительной плазме. Была разработана самосогласованная теория бесстолкновительных ТТС, создаваемых пролетными ионами на Спейсеровских орбитах [1-3,26], созданы численные коды для моделирования ТТС методом крупных частиц [3]. Авторы активно исследовали устойчивость тонких токовых слоев [30], их стационарную структуру и динамику [26]. Результаты аналитической модели были опубликованы в ведущих зарубежных и отечественных журналах. Одной из приоритетных наших задач является рассмотрение, в рамках аналитической и численной моделей, совместного учета в тонком токовом слое как захваченной плазмы (во всех тонкостях особенностей неадиабатического движения частиц и диффузии функции распределения), так и электростатических эффектов. В области численного моделирования нами созданы коды для моделирования одномерного самосогласованного тонкого ткового слоя, с помощью которых получены сходящиеся самосогласованные профили слабоанизотропных ТТС. В процессе аналитических исследований, мы смогли получить равновесные самосогласованные решения в случае слабой анизотропии [1], что позволило нам исследовать эти решения с и помощью численного эксперимента. Основные результаты разрабатываемой нами общей концепции плазменных структур в последние несколько лет опубликованы в ведущих отечественных и иностранных научных журналах, таких как Journal of Geophysical Research, Geophysical Research Letters, Nonlinear Processes in Geophysics, Advances in Space Research, Физика плазмы, Письма в ЖЭТФ, Космические Исследования и находятся в центральном русле современных исследований по этой теме. Они поддержаны рядом ведущих российских и зарубежных исследователей. Наши модели имеют практическое значение, их результаты используются для анализа наблюдательных данных и объяснения некоторых экспериментальных закономерностей.

Разработана и исследована самосогласованная модель анизотропного токового слоя с характерной толщиной порядка ионного ларморовского радиуса. Показано, что структура токового слоя определяется суперпозицией конкурирующих пара- и диамагнитных токов. Изучена роль захваченной и квазизахваченной плазмы в токовом слое. Показано, что процессы рассеяния пролетных ионов могут быть причиной накопления в токовом слое квазизахваченной плазмы и медленной эволюции токового слоя, которая может приводить к формированию расщепленных профилей плотности тока, а, в конечном счете, к разрушению системы. Учтены электростатические эффекты. Показано, что анизотропия давления электронов может приводить к образованию узкого пика электронного тока, вложенного внутрь более широкого протонного тока. Построена модель многомасштабного вложенного токового слоя с тремя плазменными компонентами: ионов водорода, кислорода и электронов. Оценен верхний предел вклада парциального тока ионов кислорода в полный ток поперек магнитосферного хвоста(~30%). Показано, что токовый слой состоит из суперпозиции нескольких более тонких токовых структур, вложенных друг в друга, и, в конечном счете, в широкий плазменный слой. Рассмотрено самосогласованное равновесие с одним источником плазмы вне токового слоя. Продемонстрировано, что равновесное решение уравнений Власова-Максвелла существует и может быть несимметричным. Баланс давлений приводит к смещению токового слоя как целого в сторону, противоположную источнику плазмы. Этот механизм может быть применен для объяснения вертикальных движений токовых слоев (так называемого «флаппинга») как движений слоя под действием естественных флуктуаций источников плазмы в долях магнитосферы. В рамках линейной теории возмущений проанализирован энергетический баланс тиринг-моды в модели анизотропного токового слоя. Показано, что, в отличие от классических изотропных моделей с ненулевой нормальной магнитной компонентой, в которых затраты энергии на электронное сжатие полностью стабилизируют токовый слой, в пространстве параметров анизотропного токового слоя существуют ограниченные области - «щели», - внутри которых возможно развитие тиринг-неустойчивости. В рамках численной модели (1D3V версия модели Власова?Дарвина, метод крупных частиц с реальным отношением масс) бесстолкновительного тонкого токового слоя с заданной нормальной компонентой магнитного поля поперек слоя исследован силовой баланс равновесной токовой конфигурации. Показано, что тензор напряжений в тонком токовом слое является недиагональным, анизотропным, и существенно отличается от гиротропного тензора напряжений в модели Чу-Гольдбергера-Лоу. В модели хвоста магнитосферы Земли исследована нелинейная динамика заряженных частиц в хвостовом токовом слое с двугорбым профилем плотности тока. В случае "классического" токового слоя с одним максимумом плотности тока в центре рассеяние частиц обусловлено скачками магнитного момента в экваториальной плоскости под действием импульсной центробежной силы. В расщепленных слоях частица испытывает два импульса силы вне экваториальной плоскости, что существенным образом меняет характер ее движения. При некоторых значениях гирофазы скачок магнитного момента частицы при ее вхождении в токовый слой может компенсироваться скачком на выходе. Таким образом, вместо сильного динамического хаоса, движение частиц может стать почти полностью квазиадиабатическим. Взаимодействие потоков плазмы с двойными расщепленными токовыми слоями в хвосте магнитосферы может приводить к появлению узких пучков частиц плазмы - бимлетов, летящих от слоя к Земле почти вдоль магнитных силовых линий.