Теоретическое и экспериментальное исследование долгопериодических пульсаций электромагнитного поля Земли, вызываемых процессами в магнитосфере и солнечном ветре

Проект направлен на выяснение пространственной структуры и механизмов генерации долгопериодических колебаний электромагнитного поля Земли, или ультра-низкочастотных (УНЧ) волн типов Pc4-5. Изучение этих колебаний является актуальной задачей физики околоземного космоса, поскольку они играют важную роль в ускорении ионов и электронов космической плазмы и диффузии заряженных частиц поперек магнитных оболочек, являются одним из основных каналов ионосферно-магнитосферного взаимодействия и важным звеном в процессе передачи энергии солнечного ветра земной магнитосфере. Предполагается значительная роль УНЧ-волн в инициации магнитных суббурь. С другой стороны, роль УНЧ-волн в теории земной магнитосферы аналогична роли сейсмических волн в теории внутреннего строения Земли: они позволяют исследовать удаленные области пространства, недоступные непосредственным измерениям. Источники долгопериодических колебаний электромагнитного поля Земли могут находиться в солнечном ветре или самой магнитосфере Земли. Одним из основных источников, связанных с солнечным ветром, является неустойчивость Кельвина-Гельмгольца, возникающая из-за сдвигового течения при обтекании магнитосферы солнечным ветром. Колебание, возбужденное этой неустойчивостью, распространяется вглубь магнитосферы в виде быстрого магнитного звука и возбуждает альфвеновскую волну на некоторой резонансной оболочке (явление альфвеновского резонанса). Если источники, связанные с солнечным ветром, возбуждают колебания на дневной части и на флангах магнитосферы, то внутримагнитосферные источники привлекаются в основном для генерации волн на ее ночной части. В конечном итоге внутримагнитосферные источники связаны с наличием в магнитосфере горячей плазмы и высокоэнергичных частиц. В этом случае генерация колебаний может быть обусловлена резонансным взаимодействием "волна-частица" или развитием крупномасштабной гидродинамической неустойчивости (так называемой баллонной неустойчивости). Внутримагнитосферные источники могут возбуждать как альфвеновские волны, так и дрейфово-компрессионные волны, являющиеся долгопериодическими колебаниями магнитосферного кольцевого тока. Многие вопросы физики долгопериодических колебаний электромагнитного поля Земли еще не ясны. Дело в том, что теоретическое исследование этих колебаний в основном происходило в рамках упрощенных моделей магнитосферы, не учитывающих ряд важных аспектов устройства околоземного космоса. Так, исследование альфвеновского резонанса ограничивалось одномерно- и двумерно-неоднородной моделями магнитосферы, не учитывавших неоднородность плазмы и магнитного поля в азимутальном направлении. Это не позволяет ответить на один из наиболее значимых вопросов физики магнитосферы: не является ли альфвеновский резонанс лишь артефактом чрезмерно упрощенных моделей среды. Практически неизученным является альфвеновский резонанс в ночной части магнитосферы. Теория неустойчивости Кельвина-Гельмгольца до сих пор развивалась в рамках простейших моделей, не учитывавших кривизну силовых линий, что оставляло открытым вопрос, при каких условиях эта неустойчивость развивается в реалистических моделях и соответствуют ли эти условия реально наблюдаемым в космической плазме. За небольшими исключениями, в теории баллонной неустойчивости в магнитосфере не рассматривался вопрос о поперечной структуре генерируемых колебаний, что не позволяло дать точное определение критерия неустойчивости. Все эти, и некоторые другие задачи планируется решить в ходе выполнения настоящего проекта. С другой стороны, по прежнему актуальной остается проблема верификации уже существующих теоретических представлений о пространственной структуры и механизмах генерации УНЧ-волн. В частности, в более ранних работах ученых ИСЗФ СО РАН была предсказана возможность взаимной трансформации УНЧ-волн разных типов, существования резонаторов для альфвеновских волн поперек магнитных оболочек, генерации альфвеновских волн движущимися неоднородностями кольцевого тока. Верификация разработанных теорий лишь частично может быть произведена с помощью наземных магнитометров, поскольку во многих случаях электромагнитное поле волны эффективно экранируются атмосферой и практически не проникают на поверхность Земли. Лишь в последние годы в распоряжении ученых появились средства, позволяющие значительно продвинуться в решении этой задачи. В их число входят спутниковые системы THEMIS, Van Allen и MMS, регистрирующие волны и связанные с ними потоки частиц непосредственно в магнитосфере. Спутниковые данные могут быть эффективно дополнены информацией о движении магнитосферной плазмы, поступающей с радаров системы SuperDARN, включая Екатеринбургский когерентный декаметровый радар, находящийся под оперативным управлением ИСЗФ СО РАН. Предполагаемое в проекте использование координированных данных современных спутниковых и радарных экспериментов позволит не только осуществить верификацию современных теорий о пространственной структуры и механизмах генерации УНЧ-волн, но и поставить новые вопросы о динамике плазмы земной магнитосферы.