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

Основная тема проекта – теоретическое и экспериментальное исследование процессов энергообмена в бесстолкновительной плазме, с фокусом на изучении одного из важнейших объектов космической плазмы - ударной волны на примере головной ударной волны земной магнитосферы. Этот проект является логичным продолжением проекта 2019 года, в котором основной упор был сделан на теоретическом описании другой плазменной системы - горячей плазмы внутренней магнитосферы Земли. В меньшей степени были затронуты процессы на ударной волне и в хвосте магнитосферы. Главной особенностью энергообмена на головной ударной волне, происходящего посредством резонансного взаимодействия волна-частица, является тот факт, что основная энергия в данной системе запасена в кинетической энергии холодного (с температурами существенно ниже кинетической энергии) потока солнечного ветра. Как следствие, самым актуальным вопросом является исследование механизмов трансформации этой кинетической энергии в тепловую энергию плазмы и в ускорение заряженных частиц. В целом трансформация энергии солнечного ветра на головной ударной волне обеспечивается таким механизмом на гидродинамических (макро) масштабах, но его эффективность существенным образом определяется "микрофизикой" взаимодействия заряженных частиц с широким спектром волновой активности и когерентных плазменных структур (от электростатических солитонов с масштабами в несколько метров до разрывов солнечного ветра и магнитных дыр с масштабами в тысячи километров). Первичный анализ и сбор статистики таких волн и структур был осуществлён в рамках проекта 2019 года, и теперь основной задачей представляется разработка теоретических моделей взаимодействия заряженных частиц с наблюдаемыми волнами/структурами и экспериментальное исследование роли волн/структур в динамике ударной волны в целом, в нагреве плазмы и ускорении заряженных частиц. Новизна поставленной задачи обеспечена как самыми современными спутниковыми данными по наблюдению волновой активности на головной ударной волне, так и достаточно прогрессивными теоретическими наработками нашего коллектива, апробированными для внутренней магнитосферы и заложенными в основу моделей взаимодействия волна-частица на ударной волне. Так, в рамках проекта планируется исследовать роль электростатических солитонов, относительно недавно обнаруженных и детально измеренных в эксперименте, в рассеянии и нагреве электронов солнечного ветра до первых сотен эВ - энергий, необходимых для начала процессов диффузионного ускорения на ударной волне. Популяции таких сверхтепловых электронов часто наблюдаются на ударной волне и именно с этих энергий “запускаются” различные механизмы ускорения, включая малоизученный, но крайне перспективный механизм ускорения электронов до первых десятков кэВ за счёт нелинейного резонансного взаимодействия с интенсивными свистовыми волнами. Экспериментальное и теоретическое исследование данного механизма также входит в план работ по проекту. Актуальность задачи проекта сложно переоценить, так как процессы нагрева и ускорения на головной ударной волне лежат в основе моделей «космической погоды» - дисциплины, описывающей роль взаимодействия магнитосферы Земли и солнечного ветра в динамике околоземной плазмы. Кроме того, головная ударная волна Земли является общепризнанным «полигоном» для изучения различных астрофизических ускорительных процессов, и понимание деталей данных процессов представляет собой фундаментальную задачу физики плазмы.