Ученые из Иркутска и Пекина изучат взаимодействие ультра-низкочастотных волн и высокоэнергичных заряженных частиц в космической плазме

Ученые из Института солнечно-земной физики СО РАН и Пекинского университета реализуют совместный проект по изучению взаимодействия ультра-низкочастотных волн (УНЧ-волн) и высокоэнергичных заряженных частиц в космической плазме. Грант на исследование выделен Российским фондом фундаментальных исследований и аналогичной китайской структурой, научными коллективами руководят заведующий лабораторией изучения плазменно-волновой структуры магнитосферы ИСЗФ СО РАН, кандидат физико-математических наук Дмитрий Климушкин и профессор Пекинского университета Киуганг Зонг. Проект рассчитан на два года.

Ультра-низкочастотными волнами называются колебания плазмы и магнитного поля в земной магнитосфере с периодами от нескольких секунд до десяти минут, распространяющиеся в магнитосфере со скоростями до тысячи километров в секунду. Эти волны являются важным фактором космической погоды, так как способны переносить электромагнитную энергию в магнитосфере на огромные расстояния без существенного рассеивания. Они взаимодействуют с такими высокоэнергичными заряженными частицами, как ионы кольцевого тока, электроны радиационных поясов. С одной стороны, это взаимодействие вызывает ускорение энергичных частиц и их транспортировку между различными регионами магнитосферы. С другой стороны, некоторые популяции частиц неустойчивы в магнитосфере и могут быть источником свободной энергии для генерации волн. При определенных условиях частицы могут вступать в резонанс с волнами, и именно в этих случаях возможны как генерация волн частицами, так и эффективное ускорение заряженных частиц. Проявления этих резонансов ученые изучают с помощью таких спутниковых миссий, как THEMIS (Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms), Van Allan Probe и MMS (Magnetospheric Multi Scale), а также с помощью радаров, находящихся в распоряжении Института солнечно-земной физики.

- При этом некоторые важные вопросы взаимодействия УНЧ-волн и частиц остаются неясными, - подчеркнул Дмитрий Климушкин. – Например, где расположены области ускорения, насколько эффективны эти процессы, какие типы волн представляют собой самые результативные ускорительные механизмы и в каких областях магнитосферы? Эти вопросы являются ключевыми в понимании транспорта и ускорения электронов радиационных поясов и ионов кольцевого тока. Ответы на эти вопросы мы и хотим получить при работе над проектом.

Ученые планируют исследовать поведение и совместную динамику волн и частиц с помощью спутниковых и радарных наблюдений. Кроме того, будут проведены теоретические и численные исследования взаимодействия УНЧ-волн с частицами, чтобы сопоставить их с данными экспериментов.

- В результате, мы должны выйти на новый уровень понимания высокоэнергетических процессов в космической плазме, – подчеркнул Дмитрий Климушкин. – А физику этого взаимодействия надо знать, в том числе из прикладных соображений: плазма магнитосферы – это среда, где перемещаются космические аппараты.

В числе участников проекта как маститые ученые, так и молодые талантливые исследователи и даже один студент физического факультета Иркутского государственного университета. Члены коллектива – авторы значительного числа публикаций в ведущих журналах по физике космического пространства; полученные ими результаты неоднократно представлялись на российских и международных конференциях.

На 2020 год запланировано изучение поведения альфвеновских волн в космической плазме и анализ взаимодействия этих волн с энергичными частицами. Обмен данными с китайскими коллегами осуществляется постоянно, на апрель был намечен совместный семинар, однако он, скорее всего, будет перенесен из-за распространения в Китае коронавирусной инфекции.