|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
Интеллектуальная Система Тематического Исследования НАукометрических данных |
||
Исследование свойств среднемасштабной турбулентности в плазменном слое хвоста магнитосферы Земли по данным многоспутниковых измерений и моделирование равновесных конфигураций плазменного слояНИР
Investigation of the properties of medium-scale turbulence in the plasma sheet of the Earth's magnetotail based on the data of multi-satellite measurements and modeling of equilibrium configurations of the plasma sheet
- Руководитель НИР: Овчинников И.Л.
- Участники НИР: Антонова Е.Е., Найко Д.Ю., Пулинец М.С.
- Подразделение: Лаборатория радиационного мониторинга
- Срок исполнения: 12 января 2023 г. - 31 декабря 2024 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 23-22-00076
- Номер ЦИТИС: 123012900046-0
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Космическая физика
- ПН России: Транспортные и космические системы
-
Рубрики ГРНТИ:
- 29.27.21 Нелинейные явления и турбулентность
- 29.27.45 Космическая плазма
- 37.15.34 Магнитосфера
- 89.53.21 Стационарные процессы в магнитосфере и ионосфере Земли
- 89.53.31 Нестационарные процессы в магнитосфере и ионосфере
-
Ключевые слова:
турбулентные флуктуации, плазменный слой, магнитостатическое равновесие, вихревая диффузия, магнитосфера земли
magnetosphere of the earth, plasma sheet, turbulent fluctuations, eddy diffusion, magnetostatic equilibrium -
Описание:
Проект направлен на исследования характеристик магнитосферной турбулентности и определение коэффициентов турбулентного переноса с использованием данных находящихся в открытом доступе спутниковых наблюдений (особенно, проекта MMS) и создание моделей, включающих турбулентный перенос.
-
Abstract:
The project is aimed to solving actual problems of magnetospheric physics, taking into account the high level of turbulent fluctuations and turbulent transport. The Earth's magnetosphere is formed as a result of the interaction of the Earth's magnetic field with the supersonic and super alfvénic flow of the solar wind. As a result of this interaction, a detached shock wave is formed, at which the velocity of the flow of the solar wind plasma decreases, the magnetosheath behind the shock wave, and the magnetopause, the surface on which the pressure balance of the plasma and magnetic field of the magnetosheath and the magnetic field and plasma inside the magnetosphere is maintained. The flow of the magnetosheath plasma into the magnetosphere and the acceleration of the ionospheric particles form the magnetospheric plasma, including magnetospheric boundary layers (low-latitude boundary layer and plasma mantle), plasma sheet, and ring current. The characteristic features of the regions of the magnetosheath, the low-latitude boundary layer, and the plasma sheet are a high level of turbulent fluctuations of the plasma velocity, electric and magnetic fields. The characteristics of such fluctuations have been relatively poorly studied. A problem of the existence of relatively stable structures at a high level of turbulence within the structures have not been solved. When the direction of the averaged magnetic field in the solar wind is opposite to the direction of the magnetic field of the Earth's dipole (the southern orientation of the interplanetary magnetic field (IMF), the plasma sheet has the form of a plate separating region with a low plasma concentration (tail lobes), in which the current flows from morning to evening. With the opposite long-term (~10 hours) northern IMF orientation, destruction (bifurcation) of the plasma sheet occurs and the tail lobes are filled. At the southern orientation of the IMF the auroral oval has the shape of a relatively thick (several degrees in latitude) ring and the polar cap is free from aurora, then in the northern orientation of the IMF, the aurora fills the polar cap and a structure of the aurora appears in the form of the Greek letter theta — theta aurora. The observed pattern of structural changes in the geomagnetic tail does not yet have a self-consistent description, which is associated with extremely limited information on the characteristics and dynamics of plasma sheet turbulence and the relationship of these characteristics with large-scale magnetospheric convection. Fluctuations in the plasma sheet are of the nature of intermittent turbulence. In contrast to laboratory facilities, in which an increase in fluctuations leads to the destruction of the plasma system, a fluctuation-averaged magnetostatically equilibrium configuration arises in the Earth's magnetosphere, the characteristics of which are determined by the outer boundary conditions --- the values of the dynamic pressure, velocity, density of the solar wind and the level of turbulent fluctuations in the solar wind. The processes of the formation of such a configuration, its dynamics, and the maintenance of magnetostatic equilibrium have hardly been studied. Very few theoretical and experimental works have been published. In the course of such work, it is necessary to take into account that the usually applied frozen-in condition does not describe the change in the magnetic field at plasma velocities that are small in comparison with the sound and Alfvén velocities. The project is aimed to study the characteristics of magnetospheric turbulence and determining the coefficients of turbulent transport using available online satellite observations data (especially of the MMS project) and creating models which include turbulent transport. The basis for the possibility of solving such a problem is the work performed earlier by the author of the project and with his participation. Within two years of the project implementation, results will be obtained that will significantly modify the description of processes in the plasma sheet and, as a practical way out, change the methods for prediction of the space weather.
-
Планируемые результаты:
Ожидается определение коэффициентов вихревой диффузии в различных магнитосферных областях и выявление их зависимостей от усредненного электрического и магнитного полей, условий в солнечном ветре и крупномасштабной магнитосферной конвекции. Намечено в 2023 г.: 1. Создание локальной базы данных спутниковых измерений, позволяющей получать усредненные значения параметров плазмы, электрического и магнитного полей в хвосте магнитосферы Земли при определенных интервалах значений параметров солнечного ветра и ММП и определенных параметрах геомагнитной активности. Такая база данных должна содержать список периодов наблюдений внутри плазменного слоя магнитосферы Земли, усредненные параметры солнечного ветра, ММП и геомагнитной активности в выбранном временном интервале. 2. Провести анализ всех доступных источников информации, позволяющих оценить величину крупномасштабного электрического поля утро-вечер, включая данные радарных и геомагнитных наблюдений. 3. Провести сравнение получаемых данных по крупномасштабному электрическому полю утро-вечер с существующими моделями поля, входными параметрами которых являются данные солнечного ветра и ММП. 4. Разработать методику исследований зависимости уровня флуктуаций в хвосте от величины поля утро-вечер (основного параметра двухвихревой конвекции). 5. Провести статистический анализ флуктуаций скорости плазмы, электрического и магнитного полей с целью выявления их зависимостей от параметров солнечного ветра и ММП. 6. Провести статистический анализ флуктуаций скорости плазмы, электрического и магнитного полей с целью выявления их зависимостей от геомагнитных индексов (Dst, AE, Pc). 7. Определить вклад электростатических гармоник в турбулентные флуктуации в хвосте магнитосферы Земли. 8. По мере получения результатов анализа свойств турбулентности в хвосте, приступить к созданию модели магнитостатически равновесной конфигурации, в которой регулярный транспорт компенсирует расширение слоя в результате развития турбулентности. 9. Подготовить и отправить в рецензируемые научные журналы не менее 2 работ. 10. Подготовить ряд докладов на конференциях у нас в стране и за рубежом.
-
Научный задел:
Руководитель научного коллектива начал работы, связанные с изучением флуктуаций в хвосте магнитосферы Земли еще в 1993 г., защитил в 1999 г. под руководством участника проекта проф. Е.Е. Антоновой кандидатскую диссертацию на тему «Токовый слой со среднемасштабной турбулентностью и динамика плазменного слоя хвоста магнитосферы Земли». В работе [Антонова и Овчинников, 1996] было предсказано усредненное значение коэффициента вихревой диффузии, совпавшее со значением, полученном в 1998 г. по измерениям на спутнике ISEE-2 [Borovsky et al., 1998, doi:10.1029/97JA02986]. По итогам проведенных работ была опубликована статья [Antonova and Ovchinnikov,1999, doi:10.1029/1999JA900141] с подробным описанием модели, которая объясняла ряд особенностей динами геомагнитного хвоста (см. дополнительную информацию). Позже были опубликованы работы по определению коэффициентов турбулентного переноса и проверке модели по данным спутников ИНТЕРБОЛ/Хвостовой зонд, CLUSTER и THEMIS (см. список публикаций в Приложении). Но базы данных этих спутников, выложенные в Интернет, не содержали надежной информации по измерениям низкочастотных электрических полей, необходимой для детального анализа свойств турбулентности плазменного слоя. Поэтому возможность должным образом проводить анализ турбулентных характеристик геомагнитного хвоста появилась только в последнее время с запуском миссии MMS. Анализ спектров флуктуаций в диапазоне частот 0.01–32 Гц и расчет коэффициентов турбулентной диффузии по данным MMS начат нами в 2021-2022 г., первые полученные результаты легли в основу бакалаврской выпускной работы, защищенной Д.Ю.Найко (научный руководитель — к.ф.-м.н. И.Л.Овчинников). Совместные публикации членов научного коллектива за последние 5 лет содержат результаты работ по анализу магнитосферной динамики с использованием данных спутниковых наблюдений.
- Добавил в систему: Овчинников Илья Львович
Источник финансирования НИР
| грант РНФ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 12 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. | Исследование свойств среднемасштабной турбулентности в плазменном слое хвоста магнитосферы Земли по данным многоспутниковых измерений и моделирование равновесных конфигураций плазменного слоя |
| Результаты этапа: 1. Создана локальная копия базы данных MMS для интервалов времени, в течение которых он находился в плазменном слое хвоста магнитосферы Земли. На его основе рассчитаны усредненные по 6-минутным интервалам значения координат спутника, концентрации и температуры ионов плазмы, давления, гидродинамической скорости, плазменного параметра β, автокорреляционных времен компонент гидродинамической скорости, среднеквадратичных величин флуктуаций гидродинамической скорости, и коэффициентов вихревой диффузии для 115 тыс. интервалов. Также рассчитаны показатели наклона спектра флуктуаций электрических и магнитных полей в интервалах частот 0.14–0.5 Гц, 0.5–1 Гц, 1–2 Гц, 2–4 Гц, 4–8 Гц для 114 тыс. 6-минутных интервалов. Созданная база данных обеспечивает возможность статистического анализа характеристик турбулентности в зависимости от параметров солнечного ветра и геомагнитных индексов. 2. Проведен анализ доступных источников информации, позволяющих оценить величину крупномасштабного электрического поля утро-вечер. Анализ показал, что величина крупномасштабного поля утро вечер может быть определена в процессе измерения электрического поля вдоль траектории пролета низколетящего аврорального спутника, пересекающего полярную шапку (например, DMSP http://sd-www.jhuapl.edu). Но такие данные доступны спорадически. Могут быть использованы модели магнитосферной конвекции, входными данными которых являются параметры солнечного вера и ММП. Надежную информацию о крупномасштабных электрических полях в настоящее время содержат данные радарных наблюдений крупномасштабной магнитосферной конвекции. В конце 2021 г. проект SuperDARN сделал общедоступными "сырые" данные по радарным измерениям скоростей ионосферной конвекции за 2002–2018 г. (позже добавились данные за 2019–2021 г) и программное обеспечение для их анализа и расчета электрического потенциала на ионосферных высотах. Поскольку объем этих данных очень велик (3.4 Тбайт/год), начать работу с ними мы смогли только после ввода в эксплуатацию приобретенного в рамках данного гранта нового компьютера (в конце ноября). На момент подготовки отчета загружена половина необходимых данных, освоено использование предоставляемого проектом SuperDARN программного обеспечения для расчета электрического потенциала в полярной ионосфере. 3. Разработаны методики, позволяющие оценивать амплитуду поля утро-вечер на определенном расстоянии от Земли. Существование продольных электрических полей, особенно в геомагнитно активных условиях, затрудняет такое проецирование и делает его менее точным. Поэтому более-менее надежную оценку можно получить используя поле утро-вечер на ионосферных высотах в спокойной геомагнитной обстановке и проводя проецирование из ионосферы в экваториальную плоскость в ночные часы. При проецировании могут быть использованы разработанные модели магнитного поля. Проведенные предварительные оценки показали эффективность такой методики. 4. Проведен статистический анализ флуктуаций скорости плазмы, электрического и магнитного полей с целью выявления их зависимостей от параметров солнечного ветра и межпланетного магнитного поля. Результаты статистического анализа данных MMS, в целом, подтверждают полученные ранее из анализа данных других космических аппаратов закономерности и позволяют выявить новые особенности. При южной ориентации межпланетного магнитного поля средние значения коэффициентов вихревой диффузии в 1,5–2 раза больше, чем при северной. В среднем, коэффициент вихревой диффузии в X направлении превышает значение коэффициента вихревой диффузии в Y направлении, а значения коэффициента вихревой диффузии поперек плазменного слоя имеют меньшие значения: Dxx > Dyy > Dzz. Следует отметить, что такая закономерность может не соблюдаться в отдельных событиях. Зависимости Dxx > Dyy > Dzz сохраняется для периодов магнитосферных суббурь. Во время магнитосферных суббурь значения коэффициентов вихревой диффузии в несколько раз больше, чем в спокойное время. Для радиальных профилей компонент вихревой диффузии характерно увеличение значений коэффициентов с ростом геоцентрического расстояния до ~14 RE с последующим выходом на плато. Данная закономерность подтверждает выводы работ о проецировании аврорального овала на внешнюю часть кольцевого тока, а не на собственно плазменный слой, где постоянно высок уровень турбулентности. Полученные результаты приняты к публикации в журнал "Геомагнетизм и аэрономия" и будут опубликованы в № 2 журнала за 2024 г. 5. Проведен статистический анализ спектров флуктуаций электрического и магнитного полей в плазменном слое хвоста магнитосферы Земли по данным MMS за 2017–2022 годы при небольших скоростях движения плазмы. Рассмотрены результаты измерений комплекса аппаратуры FIELDS. Выделены трехчасовые интервалы, во время которых спутники находились внутри плазменного слоя и плазменный параметр β, равный отношению давления плазмы к давлению магнитного поля, был больше единицы. Проведен анализ более ста тысяч спектров флуктуаций электрического поля прибором EDP/DCE и магнитного поля прибором FGM. Из рассмотрения были исключены интервалы со скоростями плазмы свыше 100 км/с. Для каждого интервала определены показатели наклонов спектров в частотном диапазоне 0.014–16 Гц. Показано, что величины показателей спектров существенно отличаются для электрического и магнитного полей. Получены зависимости показателей спектров от усредненных по интервалу уровней флуктуаций электрического и магнитного полей. Показано, что спектры флуктуаций электрического и магнитного полей в центральном плазменном слое при низком уровне флуктуаций имеют степенной характер на частотах ниже 0.5 Гц (что в разы выше ионной гирочастоты, но на порядок и более ниже всех остальных характерных частот плазмы). Показатели наклонов спектров электрического и магнитного полей на частотах ниже 0.5 Гц существенно отличаются: 1.3 ± 0.4 для электрического поля; 2.4 ± 0.4 для магнитного поля, что свидетельствует в пользу значительного вклада электростатического компонента турбулентности в турбулентность плазменного слоя. При этом, показатели наклонов спектров практически не изменяются при увеличении уровня флуктуаций. Отмечено, что наблюдаемые степенные формы спектров свидетельствуют о действии нелинейных процессов, приводящих к перекачке энергии по спектру турбулентности, характерных при формировании трехмерных турбулентных каскадов (перекачки энергии от больших масштабов к меньшим). В рассмотренный диапазон частот попадают ионно-циклотронная f_ci ~ 0.1 Гц и нижнегибридная f_lh ~ 10 Гц частоты. Все остальные характерные частоты плазмы существенно выше исследуемого диапазона. Отсутствие четко выделяемых пиков в нашем исследовании не позволяет четко выделять генерацию отдельных мод. Полученные результаты приняты к публикации в журнал "Космические исследования" и выйдут из печати в №1 журнала за 2024 г. 6. Были подготовлены, направлены в печать и приняты к публикации 2 статьи в рецензируемых научных журналах. | ||
| 2 | 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. | Исследование свойств среднемасштабной турбулентности в плазменном слое хвоста магнитосферы Земли по данным многоспутниковых измерений и моделирование равновесных конфигураций плазменного слоя |
| Результаты этапа: План работ на второй год исследований, в целом выполнен. Работы опубликованы, приняты к публикации или подготовлены к публикации. При поддержке гранта проведен ряд дополнительных исследований по теме проекта. Проведено исследование распределения коэффициента вихревой диффузии, среднеквадратичного значения флуктуаций гидродинамической скорости плазмы и автокорреляционного времени поперек плазменного слоя магнитосферы Земли. Поскольку изменение положения плазменного слоя в пространстве происходит намного быстрее, чем перемещение космического аппарата, а расстояние между спутниками проекта MMS много меньше толщины плазменного слоя, измерение положения спутника относительно экваториальной плоскости плазменного слоя осуществлялось косвенными методами, основанными на методиках, развитых ранее в работах по анализу характеристик слоя. Использовалось значение плазменного параметра β (отношение плотности энергии плазмы к плотности энергии магнитного поля), которое больше 1 в центре плазменного слоя, много меньше 1 в долях хвоста и порядка 1 в переходной области. Показано, что коэффициент вихревой диффузии растет при переходе к центру плазменного слоя на интервале 0.1 < β < 1, а при дальнейшем росте β значения коэффициента вихревой диффузии остаются постоянными. Данный результат важен для понимания природы турбулентности плазменного слоя. Был оценен вклад изменения среднеквадратичного значения флуктуаций гидродинамической скорости плазмы и автокорреляционного времени в изменения коэффициента вихревой диффузии, показано, что основной вклад вносят изменения величин флуктуаций скорости. Проведен анализ зависимости коэффициентов вихревой диффузии от направления межпланетного магнитного поля (ММП). Показано, что при южной ориентации ММП коэффициент вихревой диффузии поперек плазменного слоя в несколько раз больше, чем при северном, и это соотношение выполняется при всех значениях β, для которых есть достаточная статистика измерений. При этом коэффициент диффузии в X-направлении от направления ММП зависит слабее, что приводит к большей анизотропии коэффициента вихревой диффузии при северном направлении ММП чем при южном. Был проведен анализ зависимости коэффициента вихревой диффузии от уровня геомагнитной активности, который определялся по значению индекса SuperMAG SML. Периоды, когда в течение часа выполнялось условие SML > -50 нТл, считались спокойными, а периоды SML < -200 нТл – возмущенными (периоды с промежуточным уровнем возмущений геомагнитного поля в статистический анализ на данном этапе не включались). При этом во всех случаях исключались интервалы, когда гидродинамическая скорость плазмы в X-направлении превышала 100 км/с, т. е. высокоскоростные течения плазмы (bursty bulk flows – BBF) к Земле и от Земли, не рассматривались. Такое ограничение ставилось с начала выполнения проекта, так как периоды BBF индивидуально изучались западными исследователями (в официальных задачах проекта MMS не были включены исследования статистических характеристик турбулентности хвоста). Тем не менее, ограничения по SML позволяли получать коэффициенты вихревой диффузии как в спокойных, так и в возмущенных условиях. В возмущенные периоды наблюдался в несколько раз более высокие значения коэффициент вихревой диффузии для областей с β > 0.4. Полученные результаты приняты к публикации в журнал "Солнечно-земная физика" и будут опубликованы в №1 журнала за 2025 г. Начат анализ зависимости коэффициентов вихревой диффузии от наблюдаемой на ионосферных высотах структуры крупномасштабной магнитосферной конвекции. Интегральной характеристикой данной конвекции является разность потенциалов поперек полярной шапки, создающий электрическое поле утро-вечер. Электрический потенциал получается по результатам радарных наблюдений SuperDARN с использованием программного пакета Radar Software Toolkit (https://github.com/SuperDARN/rst). Потенциал проецируется из ионосферы в хвост с использованием моделей Цыганенко (https://geo.phys.spbu.ru/magmodel/empiric.html), включая последние варианты статистических моделей магнитного поля. При этом предполагается, что продольная разность потенциалов на порядок меньше, чем потенциал утро-вечер. Проанализированы проблемы, возникающие при проецировании и связанные с избыточной вытянутостью ряда используемых моделей. Показано, что проецирование с использованием разных моделей магнитного поля дает разные результаты. Проведенный анализ указывает на существование зависимости уровня флуктуаций в хвосте магнитосферы Земли от параметров крупномасштабной магнитосферной конвекции. Электрическое поле утро-вечер в полярной шапке имеет максимальный масштаб по сравнению с гармониками меньших масштабов. Известно, что такие гармоники выделяются на широтах аврорального овала. Сделано предположение о развитии турбулентного каскада, в котором двухвихревая конвекция, постоянно наблюдаемая в высокоширотной магнитосфере, является гармоникой максимального масштаба (порядка масштаба самой магнитосферы). Обнаруженное в ходе работ по настоящему гранту резкое отличие наклонов спектров флуктуаций электрического поля от наклонов спектров флуктуаций магнитного поля может рассматриваться в качестве подтверждения данного предположения. Но предполагаемый турбулентный каскад не описывается в рамках стандартных моделей плазменной турбулентности и имеет перемежающийся характер. Результаты начатых работ с использованием созданной базы радарных измерений в параллель с базой данных измерений на спутниках MMS свидетельствуют о возможности получения результатов, которые будут полезны не только при анализе турбулентных процессов, но и при выяснении природы магнитосферных суббурь, развитие которых приводит к всплескам потоков релятивистских электронов (электронов – «киллеров спутников») и описанию динамики магнитосферы в целом. Полученные результаты и рассмотрение отдельных событий позволило пролить свет на природу магнитосферной динамики и магнитосферных суббурь. Анализ радиальной зависимости коэффициентов вихревой диффузии показал значительное уменьшение уровня флуктуаций с уменьшением геоцентрического расстояния исключая взрывные фазы суббурь Показано, что полученные ранее результаты анализа флуктуаций плазменного слоя во время предварительной, взрывной и фазы восстановления суббури подтверждаются при анализе данных MMS. Полученные результаты приняты к публикации в выходящем сборнике статей Springer Proceedings in Earth and Environmental Sciences, статья «Plasma sheet turbulence and some features of magnetospheric dynamics». На основе созданной базы данных параметров турбулентности плазмы по результатам измерений MMS начата работа по получению выборки событий скачкообразных изменений условий в межпланетной среде: изменений направления межпланетного магнитного поля, скачков плотности и скорости солнечного ветра по данным космических аппаратов Wind, ACE, для которых есть данные измерений MMS в плазменном слое магнитосферы Земли. Проведение таких работ требует получение информации о динамике магнитосферы при больших значениях динамического давления солнечного ветра приводящих к существенному сжатию магнитосферы в целом. С поддержкой настоящего гранта такое исследование проведено по данным многоспутниковой миссии THEMIS за 11 лет работы проекта совместно с учеными из Чили и опубликовано в 2024 г. в Journal of Geophysical Researches: Space physics (doi:10.1029/2023JA031948, doi:10.1029/2023JA031949). В качестве параметров, характеризующего действие турбулентных процессов релаксации функций распределения рассматривались каппа-распределения электронов и ионов и флуктуации магнитного поля. | ||
Прикрепленные к НИР результаты
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".