Энергообмен в бесстолкновительной космической плазме: роль резонансного взаимодействия волн и заряженных частиц

Проект нацелен на решение проблемы описания энергообмена в космических плазменных системах, параметры которых исключают столкновительное взаимодействие между популяциями заряженных частиц и выдвигают на первый план процессы взаимодействия электромагнитных (плазменных) волн и заряженных частиц. Именно такой режим обмена энергией и импульсом между плазменными популяциями устанавливается в бесстолкновительной плазме солнечного ветра и планетных магнитосферах, в том числе во внутренней и внешней областях земной магнитосферы. Генерация электромагнитных (плазменных) волн неустойчивыми плазменными распределениями и дальнейшее взаимодействие этих волн с резонансными популяциями заряженных частиц лежит в основе таких важных процессов, как формирование и динамика крупномасштабных плазменных структур и нагрев плазмы на них (ударные волны, токовые слои, плазменные границы, и т.д.), ускорение частиц до высоких энергий (формирование в радиационном поясе Земли потоков релятивистских электронов, нарушающих работу спутников связи), «высыпание» заряженных частиц в Земную атмосферу (формирование полярных сияний, генерация наведённых токов и нарушение спутниковой связи за счёт вариации свойств ионосферной плазмы). Столь высокая актуальность исследований процессов энергообмена за счёт взаимодействия волн и частиц привела к построению ряда теорий и моделей. Однако резкий качественный скачок экспериментальных методик сбора и обработки данных спутниковых наблюдений, а также существенный рост числа спутниковых миссий, нацеленных на исследования свойств волн и плазменных распределений в околоземном пространстве за последние 20 лет выявил существенное отставание существующих теоретических описаний от данных спутниковых наблюдений. Так, современные спутниковые данные свидетельствуют о существенной роли высокоамплитудных когерентных электромагнитных (плазменных) волн в энергообмене между плазменными популяциями. При этом данные популяции могут быть представлены небольшими ансамблями резонансных частиц, которые не вносят существенный вклад в термодинамические плазменные характеристики, но за счёт быстрого и эффективного взаимодействия могут определять динамику крупномасштабных систем. Как следствие, на настоящий момент стоит задача по усовершенствованию существующих и разработке новых теоретических подходов для описания современных спутниковых наблюдений. Данный проект предусматривает проведение исследования, которое, используя комбинацию теоретических методов, обработку данных спутниковых наблюдений и численные расчёты, позволит значительно продвинуться в понимании и моделировании процессов энергообмена (генерации волн и нагрева и ускорения плазмы) в плазменных системах с существенной ролью резонансного взаимодействия волна-частица. Проект предусматривает рассмотрение трёх плазменных систем, в которых бесстолкновительный энергообмен между плазменными популяциями реализуется посредством взаимодействия электромагнитных плазменных волн и заряженных частиц: околоземная ударная волна и межпланетные ударные волны, радиационный пояс Земли, области пересоединения магнитных силовых линий в магнитосфере Земли. Работы по данным задачам включают (1) сбор и анализ спутниковых данных по волновой активности и динамики (эволюции) распределений частиц по энергии в трёх рассматриваемых плазменных системах, (2) построение моделей, описывающих наблюдаемую эволюцию распределений, как результат резонансного энергообмена между плазменными популяциями, (3) описание нелинейной и самосогласованной динамки волн и солитонов (волновой активности), определяемой резонансным энергообменом. В результате будут получены базы данных волновой активности (низкочастотных кинетических волн, ответственных за энергообмен между ионами и электронами, и высокочастотных волн и солитонов, ответственных за энергообмен между электронными популяциями) и теоретические модели, описывающие наблюдаемые процессы ускорения частит и эволюцию волн. При этом новизна проекта гарантирована тем, что данное описание должно быть основано на анализе измерений современных спутниковых миссий Magnetospheric Multiscale Mission (NASA), Плазма-Ф/Спектр-Р (Роскосмос), Radiation Belt Storm Probes (NASA), Exploration of energization and Radiation in Geo-space (JAXA), Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms (NASA), Parker Solar Probe (NASA).