ВАЖНЕЙШИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ЗАВЕРШЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ РАБОТ

Астрофизика

Результаты получены коллективом сотрудников под руководством академика Р.А. Сюняева

Физика космической плазмы

  1. Открытие нового явления - пучков почти моноэнергетических ионов (ПМИ) с энергиями 50-200 кэВ в переходной области и солнечном ветре. Статистический анализ свойств ПМИ показал, что они могут быть ионами солнечного ветра, ускоренными во всплеске электростатического поля на магнитопаузе или на ударной волне.

    Открытие в ходе эксперимента ДОК-2 (Интербол, Хвостовой зонд) нового явления - пучков почти моноэнергетических ионов (ПМИ) с энергиями 50-400 кэВ в переходной области и солнечном ветре. Спектры ПМИ состоят из 1-3 узких линий, значения энергий которых почти не меняются за время события (~ 1мин). За 3 года работы было зарегистрировано более 200 таких событий. Отношение энергий пиков в спектре составило 1:2 для спектров с 2 пиками и 1:2:(5-6) для спектров с 3 пиками. Это позволило предположить, что ПМИ могут быть ионами солнечного ветра H+, He++ и (C,N,O)+(5-6), ускоренными во всплеске электростатического поля на магнитопаузе или на ударной волне. Была предложена модель ускорения ПМИ, объясняющая их основные свойства. Эта модель предполагает существование механизма концентрации разности потенциалов ~ 100 кэВ, существующей на магнитосфере (от конвекционого электрического поля) в малой области на магнитопаузе с размерами ~ 1000 км. Открытие ПМИ стало возможным благодаря высокому энергетическому разрешению аппаратуры ДОК-2. (снс, к.ф-м.н Луценко В. Н., 333-20-00)

  2. Открыт турбулентный пограничный слой (ТПС) как постоянная структура на высокоширотной границе магнитосферы.

    Статистика по магнитному полю (эксперимент АСПИ на КА Интербол-1) за март 1997- март 1998 гг. показывает, что в 83% случаев регистрируются КНЧ волны с амплитудой свыше 10 нТ, причем над полярным каспом ТПС может быть аппроксимирован пятном размером 6 радиусов Земли (Re) с усредненным за год максимумом амплитуды 37 нТ в диапазоне 0,05 – 2 Гц. Оценки диффузии показывают, что, по порядку величины, ТПС может обеспечить наполнение солнечной плазмой как каспов, так и низкоширотных погранслоев. ТПС простирается также и в геомагнитный хвост до расстояний Х = - 20 Re, причем амплитуда магнитной турбулентности спадает с расстоянием от Земли. Однако, эта амплитуда является достаточно высокой, чтобы обеспечить диффузию солнечной плазмы в ТПС до расстояний Х = - 15 Re. Предварительное сравнение данных с нескольких космических аппаратов (Интербол-1,2, ПОЛАР, ГЕОТЕЙЛ, ВИНД и др.) показывает, что ТПС обеспечивает заполнение магнитосферы солнечной плазмой параллельно с глобальным пересоединением магнитных силовых линий. В условиях возмущенного геомагнитного поля и солнечного ветра турбулентная диффузия может иметь место также и на низкоширотной магнитопаузе. Для сравнения, мощность колебаний магнитного поля на головной ударной волне в среднем за год в 1,3 раза меньше, чем в ТПС. (зав. лаб. 545, д.ф-м.н. Климов С. И., 333-11-00)

  3. Определена структура плазмы и магнитных полей в локализованных магнитных силовых трубках (FTE), образующихся про пересоединении межпланетного и магнитосферного магнитных полей, которая принципиально отличается от ранее исследованных.

    По данным наблюдений прибора СКА-1 на хвостовом зонде Интербол 15 февраля 1996 г была проанализирована плазменная структура магнитосферного FTE. Показано, что она принципиально отличается от структуры FTE, детально проанализированной в литературе по результатам измерений на спутнике AMPTE-UKS. В отличие от случая симметричного FTE, интерпретированного как прохождение спутником AMPTE-UKS выступа в слое нестационарного пересоединения, FTE, наблюдавшийся на спутнике Интербол, имеет несимметричный характер. Детальный анализ плазменной структуры FTE показывает, что его более плотная головная часть менее разогрета и имеет большую и более стабильную скорость, чем хвостовая часть. Хвостовая часть более турбулентна, чем головная часть. Дискретные плазменные образования в низкоширотном пограничном слое, одними из которых является обсуждаемые FTE, составляют монотонную последовательность, в которой они сохраняют двойную структуру, но в то же время закономерным образом меняют свои концентрацию и температуру, одновременно теряя конвективную скорость. Это явление интерпретируется как внедрение плазменных сгустков в низкоширотный пограничный слой в результате нестационарного пересоединения, их отрыв от потока плазмы в переходной области и дальнейшая ассимиляция в магнитосфере. Часть этих дискретных плазменных образований имеет магнитную структуру FTE. (зав. лаб. 546, д.ф-м.н. Вайсберг О. Л., 333-34-56)

  4. Наблюдения прохождения плазмоида, выполненные на двух КА во время фазы развития суббури позволяют предполагать, что впервые, по-видимому, зарегистрировано новое динамическое явление в хвосте: асимметричный плазмоид.

    Удачное расположение спутников ИНТЕРБОЛ-1 и Geotail в магнитном хвосте Земли во время фазы развития суббури позволило зарегистрировать прохождение плазмоида необычной топологии. ИНТЕРБОЛ-1, находившийся в северной доле хвоста на расстоянии 28 RЕ от Земли, на 2 мин. раньше зарегистрировал плазмоид чем GEOTAIL, находившийся в южной доле хвоста на расстоянии 22 RЕ. Наблюдения на двух КА позволяют предполагать, что впервые, по-видимому, зарегистрировано новое динамическое явление в хвосте: асимметричный плазмоид, образовавшийся в результате антисимметричного магнитного возмущения. Существуют теоретические работы, показывающие, что при антисимметричных возмущениях магнитные острова образуются по обе стороны от нейтрального слоя и развиваются колебания типа твистинг моды. (н.с. Бородкова Н. Л., 333-13-88)

  5. На спутнике ИНТЕРБОЛ-2 на высотах 2-3 радиуса Земли обнаружены диспергированные по скорости нисходящие пучки ионов Н+ и Не+ в диапазоне тепловых и сверхтепловых энергий (~ 1-50 эВ) Они возникают на высотах в несколько радиусов Земли и более в области каспа и на флангах магнитосферы. Нагрев и ускорение тепловых ионов являются результатом взаимодействия разреженной тепловой плазмы магнитосферы с интенсивными пучками энергичных частиц.

    Обнаружены дисперсионные структуры в нисходящих пучках ионов Н+ и Не+ могут занимать диапазон энергий вплоть до тепловых и сверхтепловых энергий (~ 1-50 эВ). Они возникают на высотах в несколько радиусов Земли и более, в основном, при вспышечных прорывах в магнитосферу обтекающей ее горячей плазмы солнечного ветра через касп и на флангах магнитосферы. Показано, что картина на малых энергиях формируется в результате нагрева и локального ускорения частиц тепловой плазмы, которые возникают в результате взаимодействия разреженной тепловой плазмы с интенсивными пучками энергичных частиц. Во многих случаях эти дисперсионные структуры ионов сопровождаются восходящими коническими пучками ионов Н+, Не+ и О+, ускоренными в верхней ионосфере. (зав. лаб. 547, д.ф-м.н. Гальперин Ю. И., 333-14-22)

  6. Внутренняя изменчивость плазменных распределений в магнитосферном хвосте. Обнаружен новый эффект вариаций магнитосферного хвоста с характерным временем 3-5 мин. даже при стационарных условиях в солнечном ветре.

    Результаты полного кинетического крупномасштабного моделирования равновесных состояний магнитосферного хвоста при длительном южном направлении ММП привели к необычному результату: даже при абсолютной стационарности внешних плазменных источников, пополняющих хвост, он никогда не достигает полностью равновесного состояния. Внутренняя изменчивость проявляется в квазипериодических колебаниях удалённой Х-линии между двумя предельными положениями (40-70 радиусов Земли в типичных расчётах) с периодом 4-5 минут. Физический механизм таких колебаний связан с неадиабатичностью ионов, переносящих ток в области ускорения вблизи возникающей Х-линии. Сильное ускорение приводит к потере токопереносящих частиц и разрыву токового слоя. Нейтральная линия возникает в другом месте до тех пор, пока конвекция не принесёт новые частицы, способные восстановить ток и воссоздать предшествующую конфигурацию. Подобная переменность, отражающая внутреннюю динамику частиц в хвосте, очень часто наблюдается при измерениях на ИСЗ Интербол-1 и других КА в так называемые спокойные периоды. Учтено и влияние электронной компоненты плазмы на этот процесс. Электроны приводят к уширению токового слоя и некоторому замедлению внутренних колебаний. (зав. отделом, д.ф-м.н. Зеленый Л. М., 333-51-22)

  7. Получены убедительные доказательства открытой топологии магнитосферы в районе каспа и существование пересоединения на магнитных силовых линиях полярной шапки при северном межпланетном магнитном поле.

    Исследована эволюции функции распределения ионов вблизи магнитопаузы в области внешнего каспа по мере продвижения вглубь магнитосферы - от D-типа к плоской и далее к имеющей форму тора. Эта эволюция подтверждает справедливость открытой модели магнитосферы и объясняется постепенным "закрытием" области "открытой" магнитопаузы для данной силовой линии в процессе конвекции. Подтверждено наличие пересоединений к северу от каспа при северном направлении межпланетного магнитного поля и соответственно существование открытой магнитосферы и при этих условиях. Экспериментально показано, что положение области пересоединения зависит от ориентации ММП. Любое изменение направления ММП ведет к изменению тополгии внешнего поля и к изменению характеристик потоков частиц. При бытрых изменениях ММП внешние области каспа кажутся тубулентными. В области внешнего каспа, в области предсказанного моделями минимума геомагнитного поля обнаружена область с резкой границей, содержащая надтепловую плазму с питч-углами 90 град. (снс А.Федоров 333-14-67)

  8. Проведен детальный анализ корреляций потоков ионов и магнитного поля солнечного ветра на основе данных многоспутниковых измерений.

    На основе сопоставления одновременных наблюдений как плазмы, так и магнитного поля на широко разнесенных космических аппаратах (ИНТЕРБОЛ-1, WIND, IMP 8) показано, что средние значения коэффициентов кросс корреляции для величин, измеренных на двух аппаратах - потока ионов и амплитуды магнитного поля, примерно одни и те же (около 0.7). Однако, несмотря на общепринятое представление о вмороженности магнитного поля в плазму солнечного ветра, конкретные уровни корреляций (т.е. масштабы структур) для одновременных измерений плазмы и поля отличаются очень значительно. (с.н.с., к.ф-м.н Застенкер Г. Н., 333-13-88)

  9. Предложен новый механизм генерации низкочастотных электростатических волн в нейтральном слое хвоста магнитосферы Земли, связанный со специфическим видом функции распределения ионов вблизи области обращения магнитного поля.

    Изучен механизм генерации низкочастотных электростатических волн в нейтральных слоях. Показано, что причиной возбуждения электростатических колебаний является неизотропный вид ионной функции распределения, обусловленный наличием практически пустых зон в фазовом пространстве, вблизи области обращения магнитного поля. В квазилинейном приближении исследовано обратное воздействие возбуждаемых волн на распределение ионов и вычислена энергия электростатических колебаний в зависимости от начального вида функции распределения ионов. (с.н.с., к.ф-м.н. Буринская Т. М., 333-45-34)

  10. Регистрация прямым методом в эксперименте на станции МИР нейтральных атомов гелия He-4 межзвездного происхождения.

    На основе детального лабораторного масс-спектрометрического анализа, получены убедительные доказательства того, что захваченные в образцах фольги, доставленных на Землю после экспозиции весной 1996 г. на станции МИР (прибор КОМЗА), атомы He-4 имеют межзвездное происхождение. Получена оценка полного числа зарегистрированных атомов - 1.4 E+09 см-2 , что соответствует концентрации межзвездных атомов гелия на границе Солнечной системы около 0.02 част./см3. (с.н.с., к.ф-м.н Застенкер Г. Н., 333-13-88)

  11. По результатам измерений энергичных частиц на борту КА Джотто при встрече с кометой Григ-Скеллерап 10 июля 1992 г. показано, что после пролета основного ядра на расстоянии 90x103 км вдоль траектории КА Джотто наблюдалась вторая комета, которая либо имеет независимое происхождение, либо является результатом расщепления основного ядра.

    На борту КА Джотто при встрече с кометой Григ-Скеллерап 10 июля 1992 г. прибором ЭПОНА были зарегистрированы значительные возрастания потоков энергичных частиц в диапазоне энергий 60-260 кэВ. Эти возрастания имели тонкую внутреннюю структуру, которая отражала пересечение характерных областей околокометного пространства. Кроме того, аналогичное возрастание потоков в диапазоне энергий 60-100 кэВ с примерно одинаковой амплитудой и внутренней структурой было зарегистрировано и после пролета кометы на расстоянии 90x103 км вдоль траектории КА Джотто. Анализ возможных причин второго возрастания потоков привел к заключению, что оно свидетельствует о пролете другой кометы меньшего размера, которая либо имеет независимое происхождение, либо является результатом расщепления основного ядра. (к.ф.-м.н. В.В. Афонин, т. 333-10-23)

Исследования планет и малых тел Солнечной системы

Геофизическая гидродинамика и атмосфера

На основе анализа результатов дистанционных и гидрометеорологических наблюдений за 1997г. впервые сформирован банк данных по первичным и развитым формам тропических возмущений в активных акваториях Северного и Южного полушарий. Введены и определены количественные (помесячного и годового усреднения ) характеристики, описывающие темп генерации развитых форм и степень неравновесности локальных регионов системы океан-атмосфера. Проанализирован годовой ход темпа генерации для каждой активной акватории. Показано существенное различие в темпах генерации ( и, соответственно, в степени неравновесности ) для акваторий Северного и Южного полушарий : средне-годовой темп генерации развитых форм для акваторий Северного полушария составил 0,23, для акваторий Южного - 0,33 и для всех акваторий Мирового океана (глобальный циклогенез ) - 0,25 . (д.ф-м.н. Шарков Е.А., Покровская И.В. 333-13-66)

Нелинейная динамика и проблемы устойчивости


На основании развитой модели доказано, что при некоторых условиях в турбулентной среде перенос примесей может происходить значительно быстрее, чем это было показано ранее в классических работах. ( д.ф.-м.н. Моисеев С.С., Гордиенко С.Н. 333-41-00)

Интегрированные информационно-телекоммуникационные сети и системы