Лаборатория моделирования плазменных геофизических и астрофизических явлений

Лаборатория создана 30.09.2021.
Руководитель: Зудин Илья Юрьевич, к.ф.-м.н.
В штате лаборатории 14 сотрудников, из них 12 человек занимают исследовательские должности, двое других сотрудников – студенты.

Лаборатория ведёт исследования по трём основным направлениям:

Первое направление связано с проблемами атмосферного электричества. Основное внимание уделяется вопросам, связанным с возникновением высотных разрядов – спрайтов и джетов, а также физическим механизмам развития молний.
Второе направление касается вопросов плазменной динамики, распространения электромагнитных волн в плазме, в т.ч. неоднородной и нестационарной, а также влияния волн на плазму, в условиях, характерных для ближнего космоса.
Третье направление связано с разработкой новых методов и средств диагностики лабораторной либо околоземной плазмы, а также совершенствованию существующих.

Основные научные результаты:

1. Предложена параметризация вероятности инициации спрайтов положительными и отрицательными молниевыми разрядами. На основе предложенной параметризации с использованием данных глобальной грозопеленгационной сети WWLLN выполнен анализ регионального распределения спрайтов, а также сезонное и месячное распределение по суше и океану [1].

2. Для интерпретации результатов комплексных измерений потоков энергичных частиц, гамма-лучей и оптического свечения, связанных с молниевой активностью, выполненных на станции Арагац, были проведены расчёты распределения гидрометеоров и электрических полей в грозовых облаках. Моделирование было выполнено с использованием мезомасштабной климатической модели WRF. Анализ совокупности данных измерений и результатов численного моделирования позволил получить дополнительные доказательства общей природы эффектов усиления потока энергичных частиц, связанных с грозовыми разрядами, (thunderstorm ground enhancements – TGEs) и гамма-вспышек земного происхождения (terrestrial gamma-ray flashes – TGFs) [2].

3. На крупномасштабном стенде «Крот» обнаружена и исследована турбулентность замагниченной плазмы, развивающаяся при её модификации мощным высокочастотным импульсом, подводимым к рамочной антенне. Турбулентность проявляется в возбуждении пульсаций электронной концентрации и магнитного поля, эффектах глубокой самомодуляции волны накачки и модуляции пробных волн, проходящих через модифицированную область плазмы. Пространственно-временные характеристики турбулентности определены с использованием методики коррелированных измерений концентрации плазмы парой миниатюрных зондов с СВЧ-резонаторами и магнитным зондом. Установлено, что турбулентность возбуждается только в области прозрачности плотной замагниченной плазмы для электромагнитного излучения: турбулентные возмущения концентрации и магнитного поля существуют при накачке с частотами, меньшими электронной циклотронной частоты, и отсутствуют при частотах накачки, превышающих электронную циклотронную частоту [3].

4. В совместных экспериментах, выполненных на крупномасштабном плазменном стенде «Крот» специалистами ИПФ РАН и ИЛФ СО РАН, была исследована динамика разлёта плазменных облаков вдоль и поперёк внешнего магнитного поля. Изменения выполнялись в режиме «безграничного» разлёта плазмы, имитировавшего космические условия. За счёт применения методов оптической спектроскопии и микроволновой интерферометрии удалось определить ионный состав, концентрацию и температуру плазменного облака. На основе экспериментальных результатов дана характеристика динамики диамагнитной каверны, возникающей при вытеснении магнитного поля плазменным облаком; исследованы электромагнитные шумы, возникающие в каверне, а также особенности структуры плазмы облака во время инжекции и на стадии его распада [4].

5. Отработаны методики исследования распространения электромагнитных импульсов вдоль волноводных структур – коаксиальных и ленточных линий с заполнением изотропной, либо магнитоактивной плазмой в линейном и нелинейном режиме, в т.ч. в условиях пробоя газа полем электромагнитного импульса [5,6].

6. На Комплексном высоковольтном стенде ВНИЦ 900 (РФЯЦ-ВНИИТФ, г. Истра) проведены экспериментальные исследования электрических разрядов на физической модели грозового облака, направленные на изучение электромагнитного излучения разрядов. Использование улучшенной экспериментальной методики позволило выполнить синхронные измерения различных компонент электромагнитного поля в СВЧ диапазоне совместно со скоростной фотосъёмкой и измерениями тока разряда. Установлено, что развитие разрядов сопровождается генерацией сверхширокополосных импульсов наносекундной длительности, частотный спектр которых простирается до 10 ГГц.

7. Выполнено экспериментальное исследование электродинамических свойств резонатора, выполненного в виде четвертьволнового отрезка двухпроводной линии, один из концов которой замкнут, а другой открыт, помещённого в замагниченную плазму. Установлено, что в случае, когда участок линии, образующей резонатор, ориентирован вдоль внешнего магнитного поля, резонансная частота определяется длиной резонатора и значением показателя преломления необыкновенной волны, распространяющейся вдоль внешнего магнитного поля. Полученные результаты могут быть использованы для развития методов диагностики замагниченной плазмы [7].

Публикации:

[1] Evtushenko A. Parameterization and global distribution of sprites based on the WWLLN data // A. Evtushenko, N. Ilyin, E. Svechnikova // Atmospheric Research. – 2022. – Vol. 276. – 106272.
[2] Chilingarian A. Transient luminous events in the lower part of the atmosphere originated in the peripheral regions of a thunderstorm / A. Chilingarian, G. Hovsepyan, T. Karapetyan, B. Sargsyan, E. Svechnikova // Universe (MDPI). – 2022. – Vol. 8, no. 8. – 412.
[3] Зудин И.Ю. «Особенности турбулентности, возбуждаемой импульсной высокочастотной накачкой в замагниченной плазме» / И.Ю. Зудин, М.Е. Гущин, А.В. Стриковский, С.В. Коробков, И.А. Петрова, А.Н. Катков, В.В. Кочедыков // Письма в ЖЭТФ. – 2022. – Т. 116, вып. 1. – Cтр. 46.
[4] Николенко А.С. «Микроволновая и оптическая диагностика плазменных облаков при лабораторном моделировании активных экспериментов в околоземной плазме» // А.С. Николенко, М.Е. Гущин, С.В. Коробков, И.Ю. Зудин, А.В. Стриковский, И.Ф. Шайхисламов, М.С. Руменских // Труды семнадцатой ежегодной конференции «Физика плазмы в Солнечной системе», ИКИ РАН (г. Москва). – 7–11 февраля 2022 г. – Стр. 181.
[5] M. Gushchin, A. Palitsin, A. Strikovskiy, I. Zudin, S. Korobkov, K. Loskutov, A. Gromov, M. Goykhman, Y. Rodin, V. Korchagin, S. Kornishin, A. Kotov, A. Kuzin, and V. Terekhin. Gigantic coaxial line for experimental studies of the interaction of nanosecond electromagnetic pulses with an ionized gas medium // Applied Sciences (MDPI). – 2022. – Vol. 12, no. 1. – 59.
[6] М.Б. Гойхман, А.В. Громов, В.И. Гундорин, М.Е. Гущин, И.Ю. Зудин, С.Ю. Корнишин, С.В. Коробков, А.В. Котов, А.В. Кузин, К.Н. Лоскутов, А.В. Палицин, А.В. Стриковский, Е.А. Мареев «Идея и практическая реализация «гигантской» коаксиальной линии с плазменным заполнением для моделирования эффектов взаимодействия электромагнитных импульсов с частично ионизированной газовой средой» // ДАН. Физика, технические науки. – 2022. – Т. 503, № 1. – Стр. 3.
[7] Галка А.Г., Малышев М.С., Костров А.В. «Развитие метода резонансного СВЧ-зонда в диагностике параметров магнитоактивной плазмы» // Труды семнадцатой ежегодной конференции «Физика плазмы в Солнечной системе», ИКИ РАН (г. Москва). – 7–11 февраля 2022 г. – Стр. 172.