Физика ионосферной и магнитосферной плазмы

Важным объектом теоретических исследований являются плазменные процессы в ионосферах и магнитосферах Земли и других планет (в том числе экзопланет), включая генерацию электромагнитных излучений и их воздействие на тепловую плазму и энергичные заряженные частицы, формирование плазменных течений в планетарных магнитосферах и пр. (В. Ю. Трахтенгерц, П. А. Беспалов, Ю. В. Чугунов, В. Е. Шапошников, Вл. В. Кочаровский, А. Г. Демехов, В. М. Губченко, С. С. Давыденко). За последние несколько лет по этой проблематике получен ряд оригинальных результатов:

• разработана теория и создана численная модель хоровых ОНЧ-излучений в магнитосферах Земли и планет, объясняющая основные характеристики динамических спектров хоровых сигналов, регистрируемые в космических экспериментах, результаты теории сопоставлены с данными наблюдений;
• разработана и сопоставлена с современными спутниковыми и наземными экспериментальными данными модель функционирования магнитосферного циклотронного мазера в режиме пассивной синхронизации мод, объяснено происхождение и рассчитаны количественные характеристики короткопериодических ОНЧ-излучений с секундными периодами повторения спектральных форм;
• разработана теория глобальной синхронизации работы магнитосферного циклотронного мазера, объясняющая часовой эффект в радиационных поясах Юпитера. Предсказанные теорией глубокие пространственные синхронизованные колебания уровня свистовых электромагнитных излучений были обнаружены в последующих космических экспериментах;
• развита теория высокоэффективного механизма ускорения электронов в радиационных поясах Земли дискретными электромагнитными излучениями свистового диапазона до энергий порядка нескольких мегаэлектрон-вольт;
• развита теория происхождения мощного ультрафиолетового излучения, наблюдаемого на лимбе спутника Юпитера Ио вблизи его экватора;
• предложен оригинальный механизм формирования узкополосных излучений и квазипериодических последовательностей импульсов декаметрового радиоизлучения Юпитера, основанный на эффекте изменения амплитудно-частотных характеристик излучения при прохождении его через область с нестационарным возмущением параметров среды;
• с использованием инвариантов движения частиц, позволяющих точно решить систему нелинейных кинетических уравнений и уравнений Максвелла, аналитически найден широкий класс плоскослоистых стационарных токовых конфигураций (токовых слоев), отвечающих локализованному току (в том числе при наличии внешнего магнитного поля) и допускающих разнообразные профили плотности тока и произвольные функции распределения частиц по энергии, в том числе релятивистские;
• на основе решения самосогласованной кинетической задачи об обтекании намагниченных тел потоком горячей бесстолкновительной анизотропной плазмы высокого давления найден параметр электромагнитной добротности плазмы, вычисляемый на основе вида функции распределения частиц и определяющий топологию магнитосфероподобных крупномасштабных электромагнитных структур;
• развита предложенная ранее модель планетарного электрического генератора с учетом радиальной неоднородности угловой скорости проводящей оболочки планеты, исследовано формирование плазмосфер вращающихся намагниченных планет, плазменных течений внутри магнитосферы и формирование токовых структур, связанных с эффектами униполярной индукции;
• обобщен закон Видемана – Франца для плазмы с ионно-звуковой турбулентностью, развивающейся в условиях отсутствия потоков частиц, но при наличии градиента температур различных компонент плазмы;
• изучено формирование сильной плазменной турбулентности в поле кинетической альфвеновской волны, распространяющейся почти поперек внешнего магнитного поля в разреженной плазме авроральной магнитосферы, в частности, найдены особенности формирования каверн плотности с нестационарным электрическим полем, связанные с закономерностями образования потоков надтепловых электронов и протонов.
• ИПФ РАН стал одним из инициаторов и разработчиков научной программы проекта «Резонанс», посвященного спутниковым исследованиям плазменных явлений во внутренней и авроральной магнитосфере Земли и намеченного к реализации в 2014 году в рамках Федеральной космической программы РФ.

В настоящее время сохраняют актуальность следующие основные направления исследований ближнего космоса, ведущихся в ИПФ РАН:

• построение продвинутых теоретических моделей, количественно объясняющих многочисленные экспериментальные данные по динамике потоков энергичных заряженных частиц в магнитосфере Земли и по спектральной структуре сопровождающих эти высыпания электромагнитных сигналов;
• развитие новых теоретических моделей, позволяющих единым образом описывать генерацию шумовых и дискретных электромагнитных излучений;
• исследование ускорения заряженных частиц в радиационных поясах и в авроральной магнитосфере Земли естественными полями с шумовым и дискретным спектром;
• исследование трехмерных токовых систем, возникающих при высыпаниях энергичных частиц;
• приложение теории магнитосферных мазеров к объяснению ряда процессов в солнечной короне и планетарных магнитосферах;
• развитие теоретических представлений о передаче энергии и импульса в системе атмосфера – ионосфера – магнитосфера.

Важной частью исследований космической плазмы являются лабораторные эксперименты, проводимые с целью моделирования соответствующих явлений и процессов. В ИПФ такие работы ведутся на двух установках – в большой плазменной камере «Крот» и на установке SMIS-37. Последняя основана на прямой магнитной ловушке с плазмой, создаваемой и поддерживаемой мощным СВЧ-излучением в условиях электронного циклотронного резонанса и содержащей наряду с квазиравновесной электронной компонентой небольшую долю энергичных электронов с анизотропным распределением по скоростям. В экспериментах на данной установке обнаружены и исследуются два типа квазипериодических импульсных высыпаний энергичных электронов, обусловленных нестационарными режимами развития циклотронной неустойчивости (А. Г. Демехов, С. В. Голубев, Д. А. Мансфельд, А. Г. Шалашов). Один из этих режимов реализуется в достаточно плотной плазме на стадии работы СВЧ-накачки и обусловлен возбуждением свистовых волн, распространяющихся квазипродольно по отношению к магнитному полю в условиях, близких по безразмерным параметрам к внутренней магнитосфере Земли, а другой режим возникает в распадающейся плазме, когда из-за уменьшения плотности исчезает эффект депрессии циклотронного излучения поперек внешнего магнитного поля, и условия в лабораторной установке становятся близкими к разреженной плазме авроральной магнитосферы в области генерации аврорального километрового излучения.

На уникальном крупномасштабном плазменном стенде «Крот» выполняются разноплановые экспериментальные исследования фундаментального и прикладного характера. К числу фундаментальных задач относятся исследования физических процессов, развивающихся при возбуждении, распространении интенсивного электромагнитного излучения и взаимодействии его с замагниченной плазмой, включая параметрические явления, эффекты генерации постоянных токов и магнитных полей, формирование самосогласованных плазменно-полевых структур.

К проводимым на стенде прикладным исследованиям относятся моделирование влияния околоземной плазмы на функционирование бортовых антенн геофизических космических аппаратов и отработка активных плазменно-волновых экспериментов в ближнем космосе, включая международный проект «Резонанс».

В модельном лабораторном эксперименте по распространению электромагнитного излучения в замагниченной плазме с квазипериодическими возмущениями магнитного поля на уровне, не превышающем нескольких процентов наблюдалась сильная амплитудно-частотная модуляция излучения, которое изначально было непрерывным, с последующим формированием уединенных сжимающихся волновых импульсов с дрейфом частоты заполнения. Сегодня этот эффект, экспериментально обнаруженный на стенде «Крот», используется для объяснения эффектов формирования тонкой структуры динамического спектра радиоизлучения в магнитосферах Земли и Юпитера.