Токовые слои в космической плазме: структура, устойчивость и эволюция

Токовые Слои (ТС) в замагниченной космической плазме являются областями, в которых накопленная энергия магнитного поля высвобождается, часто взрывным образом, что приводит к нагреву окружающей плазмы и ускорению плазменных частиц до высоких энергий. В этой связи, ТС являются вторыми по важности, после бесстолкновительных ударных волн, областями трансформации энергии и ускорения плазмы во Вселенной. Несмотря на свою значимость, ряд важнейших вопросов о структуре и стабильности ТС, до сих пор окончательно не решен. К открытым вопросам, в частности, относятся проблемы влияния ионного состава плазмы, анизотропии функций распределения плазменных популяций и турбулентности на структуру слоя и его стабильность. ТС в астрофизических объектах недосягаемы для прямых наблюдений, тогда как в Солнечной системе характеристики ТС могут быть исследованы посредством прямых спутниковых измерений. В последние десятилетия накоплен большой объём статистической информации о свойствах ТС в магнитосферах планет и в солнечном ветре. Этот наблюдательный материал позволяет проводить сравнение структурных особенностей ТС, наблюдаемых в плазмах с различным ионным составом, тепловыми и энергетическими характеристиками. На протяжении многих лет структура, стабильность и развитие плазменных неустойчивостей в ТС рассматривалась с учетом равновесных конфигураций ТС в протон-электронной плазме с изотропными функциями распределения частиц по скоростям. Однако многоспутниковые исследования структуры ТС в хвосте земной магнитосферы миссией CLUSTER, выявили многомасштабную структуру ТС, в которой тонкий ТС вложен в более толстые слои. Формирование многомасштабной структуры ТС может быть связано с присутствием в плазменном составе ионов разных масс, а также с анизотропией функций распределения определенных плазменных популяций. В рамках данного проекта мы планируем впервые выполнить комплексные исследования влияния плазменного состава и анизотропии функций распределения различных плазменных популяций на структуру ТС и выяснить механизмы формирования очень тонких (с толщиной, сравнимой с электронными кинетическими масштабами) токовых структур, вложенных в более толстые токовые конфигурации. Мы также планируем исследовать проблему устойчивости и энерговыделения в таких токовых структурах. Для выполнения этих задач нами будет использован большой объем наблюдений ТС в хвосте земной магнитосферы многоспутниковыми миссиями CLUSTER и MMS, позволяющих исследовать трехмерную структуру ТС на ионных (CLUSTER) и электронных (MMS) кинетических масштабах. Хотя абсолютные параметры, характеризующие ТС в космической плазме, разнообразны, возможно, что их относительные физические характеристики, нормированные на локальные плазменные условия, окажутся сопоставимыми. Используя как спутниковые наблюдения, так и кинетические модели, мы впервые планируем выяснить вопрос об универсальности кинетических механизмов ответственных за формирование многомасштабных токовых структур. Для этого будет исследована структура ТС в плазмах с характеристиками существенно отличающимися от земной, как по ионному составу, так и по тепловым и энергетическим параметрам. В частности, структура ТС будет исследована в хвосте индуцированной магнитосферы Марса, в магнитосфере Меркурия и в солнечном ветре. Эти наблюдения обеспечивают множество сценариев по формированию структуры и эволюции ТС для проверки теорий и моделей энерговыделения в них.