По данным спутника ИНТЕРБОЛ-1 был проведен детальный статистический анализ амплитуд абсолютных и относительных низкочастотных и высокочастотных вариаций потоков ионов и модуля магнитного поля в магнитослое.

Shevyrev N.N., Zastenker G.N., Some features of the plasma flow in the magnetosheath behind quasi-parallel and quasi-perpendicular bow shock, submitted to Planet. Space Sci.)

Эта работа, выполнявшаяся совместно с сотрудниками Института механики БАН, заключалась в проведении числовых расчетов по разработанной ими модели поведения плазмы и магнитного поля в магнитослое для нескольких конкретных событий - прохождений спутника Интербол-1 через магнитослой – и сопоставлении расчетных результатов с измерениями. Показано, что разработанная новая модель магнитослоя более реалистична, свободна от ряда ранее существовавших ограничений и значительно лучше описывает положение границ магнитослоя (ударной волны и магнитопаузы), чем традиционная модель Спрайтера; эта модель дает в ряде случаев хорошее соответствие расчетных и измеренных значений потока ионов и модуля магнитного поля; однако требуется еще проведение детальных исследований для более полного понимания возможностей, преимуществ и недостатков новой модели.

Dobreva P.S., Kartalev M.D., Shevyrev N.N., Zastenker G.N., Comparison of a new magnetosphere-magnetosheath model with Interball-1 magnetosheath plasma neasurements, submitted to Planet. Space Sci.)

Проведено МГД-моделирование и сравнение с результатами наблюдений эволюции одиночного импульса плотности плазмы и модуля магнитного поля в солнечном ветре. Этот импульс наблюдался сначала на аппарате WIND (данные которого использовались как входные условия для моделирования), а затем на спутнике Интербол-1 (данные которого сравнивались с результатами расчета). Было показано, что результаты проведенного численного эксперимента успешно (качественно и количественно) описывают динамику импульса, реально наблюдавшегося в солнечном ветре; нестационарность (эволюция) импульса объясняется нарушением баланса суммы теплового и магнитного давлений в импульсе по отношению к окружающей плазме – сильное возрастание магнитного давления вызывает расширение импульса при его движении к Земле.

Продолжено сопоставление отдельных больших скачков потока ионов и динамического давления солнечного ветра, зарегистрированных на спутнике ИНТЕРБОЛ-1, с возмущениями магнитного поля на геостационарной орбите по данным спутников GOES-8,9, а также с возмущениями геомагнитного поля по данным широтных и долготных цепочек наземных магнитных станций (главным образом, в высоких широтах). Проведено детальное статистическое исследование связи быстрых изменений магнитного поля магнитосферы на геостационарной орбите с вызывающими их резкими импульсами давления солнечного ветра. Показано, что не менее 80% резких и больших скачков динамического давления плазмы вызывают соответствующие скачки магнитосферного магнитного поля по данным аппаратов GOES; знак этого скачка поля всегда совпадает со знаком изменения давления, а амплитуда скачка существенно зависит от положения спутника по местному времени – наибольшие отклики наблюдаются вблизи местного полудня; задержка скачка магнитосферного поля относительно момента начала импульса давления также зависит от местного времени, что объясняется наклоном фронтов резких возмущений плазмы солнечного ветра к линии Солнце-Земля; для событий, связанных с большими изменениями давления, влияние вариаций межпланетного магнитного поля оказывается весьма малым.

Borodkova N.L., Zastenker G.N., Riazantseva M.O., Richardson J.D., Large and sharp solar wind dynamic presssure variations as a source of geomagnetic field disturbances in the outer magnetosphere (at the geosynchronous orbits), submitted to Planet. Space Sci.)

В результате анализа совокупности наблюдений магнитопаузы спутниками Марса Фобос-2 и MGS построена аналитическая количественная модель этой границы при различных динамических давлениях солнечного ветра r V². Обнаружено, что в отличие от земной магнитопаузы форма марсианской магнитопаузы не является r V² инвариантной a ‘утоньшается’ при увеличении динамического давления солнечного ветра (см. рисунок). Характерной особенностью магнитопаузы, созданной мультипольным магнитным полем неоднородно намагниченной марсианской поверхности, является практически независимое от r V² расстояние до подсолнечной точки магнитопаузы, увеличение радиуса кривизны подсолнечной части этой границы и сжатие ареомагнитного хвоста с ростом динамического давления солнечного ветра. Показано, что столь необычная динамика марсианской магнитопаузы объясняет ранее обнаруженное уникальное свойство околомарсианской ударной волны: независимость положения этой границы от динамического давления солнечного ветра (Фобос-2, 1993г.). Подтверждена вытянутость поперечного сечения околопланетной ударной волны в направлении перпендикулярном межпланетному магнитному полю и впервые обнаружен сдвиг центра этого поперечного сечения в ‘вечернем’ направлении (+Y_mipm). Подтверждено влияние локальной намагниченности марсианской коры на толщину ареомагнитного хвоста (Фобос-2, 2001г.) и не найдено влияния этого фактора на положение ударной волны. Какого-либо влияния образовавшихся в солнечном ветре ионов марсианского происхождения на положение околопланетной ударной волны и магнитопаузы не обнаружено.

M. Verigin, D. Vignes, D. Crider, J. Slavin, M. Acuсa, G. Kotova, A. Remizov, Martian obstacle and bow shock: origins of boundaries anysotropy, Adv. Space Res., 32, 2003, принято в печать).

Анализ измерений, выполненных с помощью плазменного спектрометра СКА-1 в проекте Интербол, функций распределения ионов в пограничном слое показал существование трех основных типов распределения ионов по скоростям в местной магнитной системе координат: (1) распределение с отсечкой ионов со скоростями ниже некоторой (так называемое распределение D-формы), (2) распределения, состоящие из двух встречных компонентов, движущихся одна вдоль магнитного поля и другая – противоположно направлению магнитного поля и (3) распределения, состоящие из трех компонентов, когда к двум встречно движущимся компонентам добавлена третья, имеющая нулевую скорость по направлению магнитного поля. Только тип распределения (1) соответствует пересоединению магнитосферного магнитного поля и поля обтекающего магнитосферу потока в отдельном изолированном месте. Второй компонент в случае существования встречных компонентов, как мы показываем, не может быть объяснен отражением инжектированного в магнитосферу потока от магнитной пробки на малых высотах, вопреки существующей точке зрения. Также в существующей схеме однократного пересоединеия трудно объяснить появление компонента с нулевой скоростью по магнитному полю. Распределения типов (2) и (3) могут образовываться в магнитных жгутах, образующихся при многократном пересоединении двух магнитных полей и состоящих из перемежающихся сегментов с магнитосферной плазмой и плазмой обтекающего потока. Мы предлагаем простую геометрическую схему, поясняющую возникновение распределений типов (2) и (3). Формы наблюдаемых распределений по скоростям и их эволюция в зависимости от плотности указывают, что значительная часть пограничного слоя состоит из длинных спиральных магнитных силовых трубок у магнитопаузы, как это следует из некоторых модельных численных расчетов. Мы рассматриваем данные наблюдений как свидетельство существования многократного пересоединения между межпланетным и магнитосферным магнитными полями.

(д.ф.-м.н., профессор О.Л. Вайсберг 333-34-56, olegv@iki.rssi.ru; к.ф.-м.н. В.Н. Смирнов, к.ф.-м.н. Л.А.Аванов;

O.L. Vaisberg, L.A. Avanov, T.E. Moore, and V.N. Smirnov, Ion velocity distributions within LLBL and their possible implication to multiple reconnections, Annales Geophysicae, 2003)

Известно, что события переноса потока (FTE) возникают в результате пересоединения силовых линий магнитных полей солнечного ветра и поля Земли. В таком случае функции распределения внутри FTE должны обладать признаками пересоединения. Наблюдение одного события FTE на космическом аппарате POLAR, при пересечении низкоширотной магнитопаузы, показало, что функции распределения внутри данного FTE обладают всеми классическими признаками пересоединения: (1) Ускоренные функции распределения с характерной отсечкой по скорости, так называемые D функции распределения; (2) Достаточно надежно определенная скорость де Хоффмана-Теллера; (3) Выполнение условий Валлена. Это событие наблюдалось, практически, на магнитном экваторе в ~ 13 часов местного магнитного времени. При этом в течение времени наблюдения данного события на аппарате POLAR, Bz компонента межпланетного магнитного поля (ММП), по данным космического аппарата Интербол, который находился на расстоянии нескольких радиусов Земли от головной ударной волны в невозмущенном солнечном ветре, была строго положительна и, так называемый, “часовой угол” (сlock angle), был не более 10^о. Свойства функций распределения, а также совпадение отсечки по скорости с вычисленной скоростью де Хоффмана-Теллера показывает, что инжекция ионов под магнитопаузу была локальной. Это, с учетом того факта, что ММП имело преимущественно северное направление, приводит к выводу, что данное событие возникло в результате компонентного пересоединения магнитного поля солнечного ветра и геомагнитного поля Земли.

M.O. Chandler and L.A. Avanov, Observations at low latitudes of magnetic merging signatures within flux transfer event during a northward interplanetary magnetic field,. принято в печать в J. Geophys. Res., 108 (0), doi: 10.1029/2003JA009852, 2003.)

• При исследовании взаимодействия потока бесстолкновительной плазмы с покоящейся плазмой на границе геомагнитной ловушки обнаружен погранслой с переходом сверхальфвеновского дозвукового ламинарного потока к динамическому режиму, в котором образуются ускоренные магнитозвуковые струи и замедленные альвеновские течения с характерным временем релаксации 5-20 минут (см. рис. 1). Главным процессом является нелинейное взаимодействие флуктуаций в исходном потоке с волнами, отраженными от препятствия. Магнитозвуковые струи могут уносить вниз по потоку до половины импульса невозмущенного потока. Черенковский резонанс магнитозвуковой струи с биениями колебаний погранслоя и набегающего потока является наиболее вероятным механизмом ее образования. Появление неравновесных струй и флуктуации погранслоя синхронизованы магнитозвуковыми колебаниями набегающего потока на 1-2 мГц.
• Данные Интербола-1 и Магиона-4, сопоставленные с данными CLUSTER, POLAR, GEOTAIL, DMSP и WIND на границе магнитосферы, в ионосфере и солнечном ветре при помощи экспериментально ориентированного моделирования, позволили провести статистический анализ распределения нелинейных флуктуаций вблизи магнитопаузы за период активного существования спутников Интербол. Максимум флуктуаций наблюдается над полярными каспами. На представительном статистическом материале подтверждена критическая зависимость топологии высокоширотного погранслоя от угла наклона магнитного диполя:
• летом (при положительном угле наклона геомагнитного диполя, т.е. к Солнцу) горловина каспа открыта для прямого взаимодействия потока плазмы переходной области с магнитопаузой, имеющей форму выступа над каспом.
• зимой (отрицательные углы наклона диполя) гладкая магнитопауза, расположенная почти вдвое дальше от Земли, закрывает внешнюю горловину каспа.

(к.ф.-м.н. С.П. Савин, 333-11-00, ssavin@iki.rssi.ru;

С. Савин. Л. Зеленый и др., Динамическое взаимодейцствие потока плазмы с горячим погранслоем геомагнитной ловушки, Письма в ЖЭТФ, 2003, принято в печать; S. Savin et al., Diamagnetic cavities in the outer cusp: A Interball-1 statistical study, Geophys. Res. Lett., (submitted) 2003.)

9. Проанализирована способность солнечных и межпланетных явлений возбуждать геомагнитные бури.

Показано, что сильные солнечные вспышки (класса не ниже М5 по измерениям рентгеновского излучения на спутниках GEOS) за период 1976-2000 гг. имеют геоэффективность около 35%, а направленные к Земле выбросы корональной массы (CМЕ по наблюдениям на спутнике SOHO) за период 1996-2000 гг. – 45%. Наиболее геоэффективными источниками солнечного ветра являются магнитные облака (MC) и области сжатия в области взаимодействия быстрого и медленного потоков (CIR), которые в среднем производят около 30% средних магнитных бурь. Доля сильных магнитных бурь, возбужденных МС, возрастает до 50%. Относительные доли средних магнитных бурь, возбужденных МС и CIR, меняются в противофазе и имеют по 2 максимума на каждом солнечном цикле.

Проведен выбор оптимальной для исследований геомагнитного хвоста функции связи солнечного ветра по набору данных, включающему часовые геомагнитные индексы AL и параметры солнечного ветра из базы данных OMNI за период 1966-1974 гг. и 1977-1988 гг. Примененный более сложный, чем регрессия, метод позволил обнаружить зависимости, не выявленные ранее. В дополнение к основному широко известному параметру V Bs оказались достаточно важны следующие факторы:

1) Дополнительный аддитивный вклад скорости солнечного ветра (вязкого взаимодействия) (мВ/м)/(км/с)².

Было обнаружено также незначительное влияние на индекс B_Y-компонента межпланетного магнитного поля, необходимого для правильного учета слабой геомагнитной активности; низкого динамического давления (индекс нечувствителен к изменению давления выше среднего (2 нПа)); значительных флуктуаций ММП.

A.A. Petrukovich and A.A. Rusanov, AL index dependence on the solar wind input revisited, submitted to Adv.Space.Sci, 2003)

Построена самосогласованная теория тонких токовых слоев (ТТС) в хвосте магнитосферы, позволяющая исследовать их тонкую структуру на разных этапах временной эволюции. Модель основывается на решении уравнений типа Грэда- Шафранова в квазиадиабатическом приближении. Результаты численного моделирования были сравнены с наблюдениями спутниками Geotail и Cluster расщепленных (так называемых “бифурцированных”) токовых слоев в магнитосфере Земли. Исследована нелинейная динамика частиц в “расщепленных” слоях, которые могут образовываться в подготовительной фазе суббури. Основное внимание уделяется частицам с адиабатическим параметром kappa~1 (равным квадратному корню из отношения минимального радиуса кривизны магнитной силовой линии к максимальному ларморовскому радиусу). Показано, что рассеяние магнитного момента частиц может быть представлено как результат возмущения гиродвижения импульсной центробежной силой. В двойном слое центробежная сила воздействует на частицу дважды, что может привести к существенному изменению магнитного момента. В расщепленном слое три разных режима изменения магнитного момента следуют из модели, в частности: систематическое усиление магнитного момента частиц с малыми питч-углами, пренебрежимо малое изменение моментов при больших питч-углах, и, в промежуточном случае, их уменьшение или увеличение, в зависимости от фазы гировращения. В двойных слоях двукратное применение модели центробежного импульса может приводить к непредсказуемому уменьшению или увеличению магнитных моментов частиц. Показано, что набег фазы гировращения во время и после центробежных импульсов играет критическую роль в конечном изменении магнитного момента. В частности, режим kappa>> 1, характеризующийся усиленным рассеянием в случае одногорбой конфигурации, для двойных слоев имеет квазиадиабатический характер, при этом изменения магнитного момента пренебрежимо малы.

Delcourt D.C., H.V. Malova, and L.M.Zelenyi, Dynamics of charged particles in bifurcated current sheets: the k ~1 regime, J.Geophys.Res., 2003, в печати.)

Сформулирован ряд теоретических задач для изучения физической структуры стационарных локализованных электростатических возмущений, наблюдаемых в бесстокновительной магнитоактивной плазме и определены общие подходы к описанию таких возмущений с помощью уравнений Власова-Пуассона. Выяснены основные физические закономерности структуры локализованных возмущений в зависимости от размерности и геометрии задачи, а также от интенсивности внешнего магнитного поля.

(к.ф.-м.н. В.Л. Красовский, 333-30-77, vkrasov@iki.rssi.ru;

V.L.Krasovsky, H.Matsumoto, Y.Omura. Electrostatic solitary waves as collective charges in a magnetospheric plasma, JGR, 2003, v.108, No 2, pp.1117-1136.)

1. Исследовалась связь между частотой наблюдения бимлетов (короткие высокоскоростные (10-30кэВ) пучки ионов) в хвосте магнитосферы и направлением межпланетного магнитного поля (ММП), усредненным за разные промежутки времени, предшествующие появлению бимлета. Удалось установить, что зависимость между частотой наблюдения бимлетов и направлением ММП начинает четко проявляться при усреднении данных ММП не менее чем за 1 час до наблюдения бимлета и сохраняется при периодах усреднения достигающих 2-х часов. Это может объясняться тем, что магнитосфера не успевает достаточно быстро среагировать на изменившиеся внешние условия – должно пройти определенное время с момента установления направления ММП, необходимого для реализации в хвосте ускорительных процессов, ответственных за формирование бимлетов. Кроме того, показано, что для разных секторов хвоста (полуночного, утреннего и вечернего) зависимость частоты появления бимлетов от направления ММП выглядит по-разному. А именно, для полуночного сектора максимальная частота появления бимлетов наблюдается в интервалы, когда ММП направлено строго на юг или на север (поле практически точно направлено вдоль (или против) оси Z). В вечернем секторе бимлеты чаще всего наблюдались, когда ММП имело заметный By компонент. И, наконец, в утреннем секторе максимальная частота появления бимлетов была зарегистрирована, когда ММП имело строго азимутальное направление (By компонент был доминирующим). По-видимому, для возникновения условий генерации бимлетов на утреннем и вечернем флангах хвоста, существенную роль играет By компонент ММП, в то время как для ускорения в полуночном секторе, его наличие не столь важно.

Grigorenko E.E., A.O. Fedorov, J.-A. Sauvaud, E.Yu. Budnik, L.M. Zelenyi, H. Reme, M.W. Danlop, E.Penou. The spatial structure of beamlets according to Cluster obseravtions, submitted to Planetary and Space Science, 2003.)

Проведен анализ структуры интегральных спектров ионов в диапазоне энергий от 0,1 кэВ до 3 Мэв, измеренных приборами КОРАЛЛ, ДОК-2 и СКА-2 на спутнике ИНТЕРБОЛ/Хвостовой зонд в области перехода от дипольных к вытянутым в хвост магнитным силовым линиям. Определено распределение давления плазмы вдоль траекторий полета спутника. Выявлен ряд особенностей распределения давления. Проведен анализ распределения давления, поперечных и продольных токов в магнитосфере Земли. Показано, что давление плазмы входит в число важнейших параметров, определяющих состояние <Космической погоды>.

Antonova E.E., E.Yu. Budnik, I.P Kirpichev, V.N. Lutsenko, N.F. Pissarenko, Magnetospheric plasma pressure and space weather, Adv. Space Res., 31(4), 1093-1098, 2003.)

Обнаружены вспышки потоков электронов с энергиями до ~ 1.0 кэВ и протонов с энергиями до ~ 10.0 кэВ в области силовых линий, проецирующихся в полярную шапку. Проведен анализ по данным эксперимента ИОН на спутнике “Интербол-2” с сопоставлением их с наземными наблюдениями вариаций геомагнитного поля, данными УФ-имаджера со спутника POLAR, данными по солнечному ветру и магнитному полю со спутника WIND. Вспышки частиц наблюдаются при небольших локальных возмущениях геомагнитного поля до ~ 50 нТ с временным масштабом 5-10 мин в спокойные периоды и в конце фазы восстановления суббурь. Наблюдения показали, что вспышки появляются преимущественно в послеполуденном и утреннем секторах MLT. Образование вспышечных популяций плазмы на фоне незаполненной частицами полярной шапки может быть связано с появлением ускоренных сгустков плазмы в хвосте магнитосферы. Одним из возможных механизмов ускорения частиц в таких вспышках может быть наличие локальных пересоединений в дальнем хвосте. Однако, проблема происхождения обнаруженных вспышек ускоренной плазмы требует дальнейшего теоретического анализа.

(д.ф.-м.н. Р. А. Ковражкин, 333-54-77, kovrazhkin@romance.iki.rssi.ru;

R. A. Kovrazhkin, G. A. Vladimirova, A. L. Glazunov, J.-A. Sauvaud, Burst-like precipitation of particles in the polar cap, Доклад на конференции: Magnetospheric Response to Solar Activity, September 9-12, 2003, Charle University, Prague).

Проведены исследования динамики ионных спектральных провалов (ИСП) во внутренней магнитосфере по данным эксперимента ИОН на спутнике “Итербол-2”. Впервые показано, что ИСП, существующий в магнитно-спокойное время, “замываются” протонами при инжекциях свежей плазмы, образованной и ускоренной в процессе развития магнитных бурь, а также небольших суббурь. Механизм сильной диффузии из-за взаимодействия частиц с волнами действует достаточно эффективно, поэтому протоны в области ИСП на больших энергиях (E ≥10 кэВ), имеющих замкнутые траектории вокруг Земли, быстро теряются даже в ходе больших магнитных возмущений после инжекций плазмы на L-оболочках 4-6. Заполнение ИСП протонами, имеющими большое время прохода от источника в область ИСП, в возмущенное время свидетельствует о том, что квазистационарная картина конвекции может нарушаться в такие периоды. Поэтому применение для моделирования постоянного магнитного и электрического полей может неадекватно отражать дрейфовые движения частиц, поэтому, вероятно, необходим некоторый новый теоретический подход для описания динамики частиц в суббуревые периоды.

G. A. Vladimirova, A. L. Glazunov, J.-A. Sauvaud, Fresh plasma injection into ion spectral gaps, Доклад на конференции: Magnetospheric Response to Solar Activity, September 9-12, 2003, Charle University, Prague).

Выявлен определенный тип так называемых носовых структур – областей проникновения ограниченных по энергии потоков частиц Н+ во внутреннюю магнитосферу. Такой тип носовых структур назван нами стационарными носовыми структурами. Показано, что стационарные носовые структуры определяются фундаментальными процессами дрейфовых движений протонов во внутренней магнитосфере (конвекция и градиентный дрейф), и в общем случае не связаны с развитием суббури, как считалось ранее. Выявлены и проанализированы взаимосвязи между ионными спектральными провалами и носовыми структурами. Так как процесс формирования носовых структур тесно связан с существованием электрического поля во внутренней магнитосфере, то из моделирования носовых структур и сравнения с экспериментом можно судить о картине электрических полей во внутренней магнитосфере.

Напряженность электрического поля в PJ сравнима, а часто даже превышает напряженность крупномасштабного поля конвекции, поэтому создание моделей PJ имеет большое значение, как для понимания динамики тепловой плазмы, так и для создания адекватных моделей электрических полей во внутренней магнитосфере. Предложен механизм поддержания электрического поля в полосе PJ не за счет “внешней” инжектированной плазмы, что рассматривается в существующих моделях явления, а за счет “внутреннего” источника энергии – частиц внешнего радиационного пояса. Показано, что электрическое поле PJ значительно искажает дрейфовые траектории частиц внешнего радиационного пояса, в результате чего возникают продольные токи и электрическое поле, поддерживающее исходное поле PJ. Рассмотренный механизм является самоподдерживающимся, и может объяснить большое время жизни PJ.

На основе обработки результатов эксперимента Авроральный зонд\Альфа-3, получены данные о тепловой структуре дневного и ночного секторов плазмосферы Земли, а также пограничной зоны между ночным сектором и областью вечернего выступа. Обнаружено систематическое, резкое понижение температуры протонов и ослабление зависимости температуры от величины L-параметра в ночном секторе во время магнитных возмущений и подтверждено обнаруженное ранее на спутнике ДЕ-1, но не нашедшее объяснение, существование глубокого минимума температуры протонов в дневном секторе.

По данным измерений тепловой плазмы на субспутнике МАГИОН 5 космического аппарата ИНТЕРБОЛ 2 в плазмосфере Земли были обнаружены ограниченные по долготе (D LT ~ 3 час.) области пониженного содержания плазмы, простирающиеся от L ~ 3 до границы плазмосферы. Такие "выкушенные" (byte-out) области плазмосферы впервые были "сфотографированы" на спутнике image. Данные МАГИОНА 5 свидетельствуют о том, что области пониженной плотности плазмы образуются при умеренных геомагнитных возмущениях, воздействующих на ограниченный сектор плазмосферы.

G. Kotova et al., In situ observations of low-density regions inside the plasmasphere, Доклад на конференции: Magnetospheric Response to Solar Activity, September 9-12, 2003, Charle University, Prague).

Впервые показано, что в ночной ионосфере формирование субпровалов с резкими градиентами плотности плазмы в области главного ионосферного провала в среднеширотной и субавроральной ионосфере связано с электростатической неустойчивостью (колебаниями) неоднородной замагниченной плазмы, обусловленной высыпанием потоков заряженных частиц. При распространении колебаний в области пониженной плотности высокочастотные колебания выпадают из диапазона собственных мод плазмы и рассеиваются на длине порядка длины волны, отдавая энергию частицам. Происходящий при этом нагрев плазмы приводит к ее неравномерному расширению и убеганию из области нагрева.

По данным ИСЗ КОСМОС-900 в области геомагнитного экватора в F-слое ионосферы наблюдались крупномасштабная плазменная впадина и высыпание заряженных частиц на ее стенках. Показано, что эти физические явления связаны с затуханием на геомагнитном экваторе электростатических колебаний и плазменных вихрей. Важное значение при этом, по-видимому, имеют поляризационные потоки плазмы из областей затухания электростатических колебаний.

Г.Л. Гдалевич, Н.И. Ижовкина, В.Д. Озеров, Структура плазменной каверны в F-слое ионосферы на геомагнитном экваторе по данным спутника “Космос-900”, Космические исследования, т. 41. № 6, с. 1-7, 2003.)

При помощи спектрального (вейвлет) анализа получено, что глобальный циклогенез имеет свои собственные временные масштабы. Эти масштабы образуют в частотном пространстве область S = 10-80 дней, отделенную как от “шумовой” области (временные масштабы S<10 дней), так и от годовых и полугодовых вариаций. Полугодовая структура отражает наличие ярко выраженного сезонного эффекта в тропическом циклогенезе. В пространственно-временных спектрах годовых рядов отклик глобального циклогенеза на внешнее воздействие с 27-дневным периодом наблюдается на частотах близких к этой вынуждающей частоте и ее второй гармонике и субгармоникам. В спектрах, усредненных за 19 лет в области S = 10-80 дней наиболее яркой компонентой является S = 27 дней, практически всегда наблюдаемой в северном полушарии (рис. 1). В южном полушарии максимальный отклик чаще всего наблюдается на частотах близких к гармоникам и субгармоникам основной частоты f27 (соответствующей временному масштабу S = 27 дней).

В большинстве случаев чаcтотно-временные спектры временных рядов мгновенного числа циклонов не совсем точно совпадают с f27 и ее гармониками и субгармониками, что позволяет считать, что тропический циклогенез является проявлением сложного нелинейного поведения единой термогидродинамической системы поверхность Земли-атмосфера, обладающей собственными динамическими свойствами, характерными временными масштабами и (возможно) резонансными частотами. Эти характерные частоты могут быть как cобственными, так вынужденным откликом на внешние воздействия на всю глобальную систему в целом.

Эти результаты получены путем сопоставления вычисленных вариаций притока тепла Sp (а процентах к годовому максимуму) в течение года к двум характерным областям земной поверхности, тропикам Рака и Козерога, с годовыми вариациями количества циклонов nTc для каждого дня года, усредненным за 19 лет. Прямое сосопставление nTc с притоком тепла Sp не показывает какой-либо корреляции. В то же время сдвинутые вариации количества циклонов на 76 дней в северном и на 53 дня в южном полушариях обнаруживают отчетливую нелинейную корреляцию с притоком тепла.

Проведено моделирование нового типа плазменного прибора КАМЕРА, обеспечивающего одновременный обзор полусферы и получение изображения распределения потоков ионов различных энергий по полусфере. По результатам этого моделирования изготовлен и испытан лабораторный макет датчика этого прибора. Эти испытания показали удовлетворительное соответствие макета расчетной модели. Полученные характеристики прибора показывают, что он может быть успешно использован для диагностики межпланетной и околопланетной плазмы. Выпущен внутренний отчет и публикация. Дальнейшие предварительные расчеты показывают, что прибор может быть оснащен масс-спектрометрическим устройством, которое позволяет получения изображения распределения потоков ионов различных масс по полусфере. При этом предварительная оценка массового разрешения прибора М/D M составляет ~ 100.

В этом эксперименте приемником возвратного пучка заряженных частиц будет служить плоская ловушка заряженных частиц, изготавливаемая ИКИ РАН, а в качестве источника заряженных частиц для создания зондирующего пучка – малогабаритный сильноточный инжектор заряженных частиц на основе импульсных нейтронных генераторов ВНИИА на ускорительных трубках с искровыми источниками плазмы.

Основание работы: Техническое задание на космический эксперимент “Измерения электромагнитных флуктуаций в ионосфере Земли” (Шифр “Кольцо”) утверждено директором ИКИ РАН Л.М.Зеленым и директором СПКБ Дискрет Л.М.Бандуристым в 2002 г., согласовано с зам. директора программы РКК “Энергия” А.А.Кузнецовым в 2003 г. Заключение о реализуемости космического эксперимента “Кольцо” утверждено зам. директора программы РКК “Энергия” А.А.Кузнецовым в 2003 г. Запуск – в 2006 г. (Научный руководитель – д.ф.-м.н. Г.Л. Гдалевич, 333-52-55)

26. Исследование динамики плазмы на основе кинетического описания в предельных случаях слабого и сильного магнитного поля. Построение нелинейных моделей пространственно-локализованных самосогласованных возмущений электрического поля в космической плазме с учетом влияния внешнего магнитного (геомагнитного) поля. (п.п. 1.5.3, 1.5.4 основных направлений фундаментальных исследований РАН)

V.L.Krasovsky, H.Matsumoto, Y.Omura. Electrostatic solitary waves as collective charges in a magnetospheric plasma. – JGR, 2003, v.108, No 2, pp.1117-1136.

С.н.с., к.ф.-м.н. Красовский В.Л. Тел.333-41-67. E-mail : vkrasov@mx.iki.rssi.ru

( п.п. 1.5.4, 1.6.4, 6.20 - основных направлений фундаментальных исследований РАН )

3. A.Gusev, I.Martin, M.G.S. Mello, V.Pankov, G.Pugacheva, N.J. Schuch, W. Spjeldvik, Bidecadal cycles in liquid precipitations in Brazil Adv. in Sp. Res., accepted, 2003.

( п.п. 1.6.3, 2.2.1 - основных направлений фундаментальных исследований РАН )

A.I. Neishtadt, D.J. Scheeres, V.V. Sidorenko, P. Stooke, and A.A. Vasiliev, The influence of reactive torques on comet nucleus rotation, Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy, 2003, v.86, pp.249-275.

( п.п. 1.5.4, 1.7.3, 2.2.2., 6.1., 6.20, 6.22 - основных направлений фундаментальных исследований РАН )

A.A. Vasiliev. Shock wave surfing acceleration. - Advances in Plasma Physics Research, Nova Science Publishers (принято к публикации, 2003).

( п.п. 1.5.4, 1.6.4, 2.2.2 - основных направлений фундаментальных исследований РАН )

Исследованы явления захвата в резонанс и рассеяния на резонансе в плоской кулоновской задаче трех тел, представляющей собой модель молекулярного иона водорода (две тяжелых положительно заряженных частицы (ядра) и одна легкая отрицательно заряженая (электрон)). В пределе бесконечно тяжелых ядер система сводится к классической интегрируемой задаче двух неподвижных центров. При учете конечности масс получаем гамильтонову систему, в которой одна степень свободы соответствует медленному движению ядер, а другие две степени свободы соответствуют быстрому движению электрона. В соответствии с методом усреднения, переменные “действие” в системе с неподвижными ядрами являются приближенными интегралами движения в полной системе (адиабатическими инвариантами). В ходе медленной эволюции полной системы могут выполняться определенные резонансные условия. Исследованы явления захвата и рассеяния, имеющие место при прохождении через резонансы в этой системе. Показано, что эти явления могут приводить к разрушению адиабатической инвариантности в системе.

A.P. Itin. Resonant phenomena in classical dynamics of three-body Coulomb systems. - Physical Review E, 2003, v.67, p.026601.

( п.п. 1.1.13 - основных направлений фундаментальных исследований РАН ).

A.Neishtadt. On averaging in two-frequency systems with small Hamiltonian and much smaller non-Hamiltonian perturbations, Moscow Mathematical Journal (принято к публикации, 2003).

A.P. Itin, А.I.Neishtadt. Resonant phenomena in slowly perturbed elliptic billiards.- Regular and Chaotic Dynamics, 2003, v.8, pp.59-66.

• Исследованы вопросы генерации альвеновскими волнами крупномасштабных конвективных ячеек в ионосфере Земли. В отличие от предыдущих исследований, проведенный анализ показал, что на низких высотах, где тепловая скорость электронов мала по сравнению с альвеновской возможно развитие параметрической неустойчивости инерционных альвеновских волн, приводящая к генерации конвективных ячеек. При этом генерируемые ячейки носят электростатический характер. Однако на больших высотах, где выполняется обратное условие и доминируют кинетические альвеновские волны (КАВ) устойчивы не только относительно генерации электростатических, но также и электромагнитных, в том числе, и магнитостатических конвективных ячеек.
• Исследование таких неустойчивости представляет большой интерес для космической плазмы, так и лабораторной, где наблюдение крупномасштабных структур может свидетельствовать о параметрической неустойчивости и формировании структурных элементов плазменной турбулентности. Развитая турбулентность с одновременным присутствием высоко- и низкочастотных возмущений может приводить к явлениям типа плазменной перемежаемости (intermittency) и возникновению стационарных состояний типа дорожек Кельвина-Стюарта.
• Изучены также распадная неустойчивость и слаботурбулентные колмогоровские спектры альфвеновских волн в ионосферной плазме с учетом пылевой компоненты плазмы. Показано, что упрощенные уравнения, описывающие слабонелинейные и слабодиспергирующие альфвеновские волны в такой плазме, обладают двумя интегралами движения: энергии и обобщенной энстрофии. Оба колмогоровских спектра, соответствующих стационарным спектральным потокам энергии и энстрофии, оказались нелокальными. Показано, что расходимость потоков обуслолена нелокальным взаимодействием альфвеновских волн с крупномасштабными волнами на границе интервала прозрачности. Показано, что присутствие пыли в плазме ведет к формированию энергетического спектра недиспергирующих альфвеновских волн в безпылевой плазме, полученному Ирошниковым (1963) и Крэйчнаном (1965) из простых размерностных соотношений с использованием упрощающего предположения об изотропии альфвеновской турбулентности, которое подтвергалось многочисленной критике. Особенности наблюдаемых на спутниках спектров могут быть использованы для идентификации пыли в ионосфере и в солнечном ветре.

O.A.Pokhotelov, O.G.Onishchenko, R.Z.Sagdeev and R.A.Treumann. Nonlinear dynamics of inertial Alfven waves in the upper ionosphere: Parametric generation of electrostatic convective cells. - Journal of Geophys. Res., 2003, v.108, p.1291.

O.G.Onishchenko, O.A.Pokhotelov, R.Z.Sagdeev, L.Stenflo, V.P.Pavlenko, P.K.Shukla. Modification of Kolmogorov spectra of weakly turbulent shear Alfven waves by dust grains. - Physics of Plasmas, 2003, v.10, Issue 1, pp.69-74.

O.G.Onishchenko, O.A.Pokhotelov, R.Z.Sagdeev, L.Stenflo, R.A.Treumann and M.A.Balikhin, Generation of convective cells by kinetic Alfven waves in the upper ionosphere. - Journal of Geophys. Res, 2003c (submitted).

Тема: ЯДЕРНАЯ ПЛАНЕТОЛОГИЯ.

Научный руководитель: д.ф.м.н. Митрофанов И.Г. тел.: 333-3489, imitrofa@space.ru

(отв. исполнитель к.ф.м.н. М.Л. Литвак, тел.:333-4123, max@cgrsmx.iki.rssi.ru).

*) На основе модельно-зависимой обработки данных нейтронных измерений прибором ХЕНД с борта космического аппарата “2001 Марс Одиссей” получены оценки толщины сезонных покровов углекислоты для южных и северных районов Марса. Получены временные профили изменения полной массы углекислоты на поверхности и темпа конденсации и сублимации для широтных поясов и в целом для всей планеты.

Отв. исполнитель к.ф.м.н. М.Л. Литвак, тел.:333-4123, max@cgrsmx.iki.rssi.ru

Знание средней плотности сезонного покрова позволяет перевести эффективную толщину измеряемую в г/см² в геометрические размеры измеряемые в сантиметрах. При значениях плотности порядка 0.9 г/см³ максимальные толщины северной и южной сезонных шапок колеблются около 1 м. Это результат является оценкой снизу, потому что, с одной стороны, полученные значения усреднены по большой площади заведомо превышающей площадь остаточных полярных шапок, где наблюдается максимальная толщина сезонного покрова, и с другой стороны при таких толщинах сезонного покрова начинает сказываться насыщение нейтронного потока, когда его величина становится нечувствительной к дальнейшему увеличению толщины сезонных отложений.

Ls=330о-360о	Ls=0о-30о
Ls=30о-60о	Ls=60о-90о

Полученная четырехмерная модель эффективной толщины сезонного покрова позволяет сделать независимые вычисления полной массы северной и южной сезонных шапок Марса, оценить темпы их сублимации и конденсации. Проведенный анализ показал, что выпадение максимального количества сезонных отложений атмосферной углекислоты на поверхность северного полушария происходит в промежутке времени с L_s=0^о-5^о и полная масса северной сезонной шапки в этот момент составляет около 4.0 x 10¹⁵ кг, что согласуется с измерениями сделанными командой MOLA на борту КА MGS, но меньше чем предсказаниями глобальной климатической модели.

Изучение данных для южного полушария Марса показало, что максимальная масса южной сезонной шапки накапливается в промежутке времени с L_s =150^о-160^о и составляет 6.3 x 10¹⁵ кг. Это также меньше чем предсказания глобальной климатической модели и меньше оценки полной массы сезонной шапки, полученной из анализа вариаций гравитационного поля Марса. Построенные зависимости полной массы сезонного покрова от времени позволяют оценить скорость сублимации и конденсации сезонных отложений. Предварительный анализ выявил, что максимальная скорость сублимации на севере приблизительно 1.5 раза выше, чем максимальная скорость конденсации на юге.

I. G. Mitrofanov, M. T. Zuber, M. L. Litvak, W. V. Boynton, D. E. Smith, D. Drake, D. Hamara, A. S. Kozyrev, A. B. Sanin, C. Shinohara, R. S. Saunders, V. Tretyakov, "CO₂ Snow Depth and Subsurface Water Ice Abundance in the Northern Hemisphere of Mars", Science, 27 June 2003, vol.300, p. 2081

Раздел темы: Оценка содержания воды в различных районах Марса.

(отв. исполнитель д.ф.м.н. Митрофанов И.Г.тел.: 333-3489, imitrofa@space.ru).

На основе модельно-зависимой обработки данных нейтронных измерений прибором ХЕНД с борта космического аппарата “2001 Марс Одиссей” получены оценки содержания воды в приповерхностном слое основных районов Марса. Показано, что для обширных приполярных областей выше 60° СШ и 50° ЮШ содержание воды составляет >60% по массе. Обнаружены области с высоким содержанием воды (до 16% по массе) в приэкваториальных областях планеты.

Литвак M. Л. и др., “Вертикальное распределение поверхностной воды в подповерхностном грунте Марса по данным ХЕНД/Одиссей”, 38^й Микросимпозиум Вернадского-Броуна по сравнительной планетологии, 27-28 октября, Москва, 2003.

Mitrofanov, I. G. et al, “Global Distribution of Shallow Water on Mars: Neutron Mapping of Summer-Time Surface by HEND/Odyssey”, 34th Annual Lunar and Planetary Science Conference, March 17-21, League City, Texas, abstract #.1104, 2003

Mitrofanov, I. G. et al, “The Enhancement of Water Ice Content in the Local Area Northeast from Arcadia Planitia: Evidence from Neutron Data from HEND (Mars Odyssey) and Elevation from MOLA (MGS)”, 34th Annual Lunar and Planetary Science Conference, March 17-21, , League City, Texas, abstract #.1111, 2003

Mitrofanov, I. G. et al, “Vertical Distribution of Shallow Water in the Distinguishable Regions at Low and High Latitudes of Mars: Neutron Data Deconvolution of HEND”, 6^th conference on Mars, Pasadena, Abstract # 3080. 2003

(отв. исполнитель к.ф.м.н. М.Л. Литвак, тел.:333-4123, max@cgrsmx.iki.rssi.ru).

Митрофанов И.Г. и др. “Neutron Component of Radiation Background at Interplanetary Orbit Earth-Mars, on the Orbit around Mars and in the Martian Subsurface:Data of Instrument HEND onboard NASA “2001 Mars Odyssey”, материалы конф. “

Раздел темы: Перспективные ядерные исследования планет и малых тел.

Третьяков В.И. и др. “Исследования поверхностей небесных тел Солнечной системы на спускаемых космических аппаратах с использованием нейтронных генераторов”, материалы межотраслевой научно-технической конференции "Портативные генераторы нейтронов и технологии на их основе", Москва, ВНИИА им. Н. Л. Духова, 26 – 30 мая, 2003, направлено в печать.

Тема: нестационарные гамма – источники.

Научный руководитель: д.ф.м.н. Митрофанов И.Г., тел.: 333-3489, E-mail: imitrofa@space.ru

(отв. исполнитель д.ф.м.н. Митрофанов И.Г. тел.: 333-3489, imitrofa@space.ru)

*) Предложен новый метод экспериментальной проверки вариантов теорий квантовой гравитации на основе поляриметрии космических гамма-всплесков. Показано, теоретически предсказанный эффект двулучепреломления пространства-времени вследствие квантовых флуктуаций вакуума не согласуется с обнаружением линейной поляризации излучения гамма-всплеска GRB 021206.

Отв. исполнитель д.ф.м.н. Митрофанов И.Г., тел.: 333-3489, imitrofa@space.ru

Квантовая теория пространства-времени в настоящее время является одним из наиболее быстро развивающихся разделов фундаментальной теоретической физики. Эффекты квантования пространства-времени должны проявляться на планковских масштабах, которые практически недостижимы для лабораторных экспериментов. Поэтому большое значение имеет поиск методов экспериментальной проверки квантовых теорий пространства-времени, которые могут быть реализованы в астрофизических наблюдениях. При распространении фотона с энергией Е квантование пространства-времени проявляется в виде линейных или квадратичных эффектов порядка µ (E/E_QG ) х L и µ (E/E_QG )² х L, соответственно, где E_QG = 10¹⁹ ГэВ и L - пройденный путь. Следовательно, для наблюдательной проверки эффектов квантования представляют наибольшей интерес космические источники фотонов высоких энергий, находящиеся на максимально большом космологическом расстоянии.

К таким источникам относятся космические гамма-всплески, которые вероятно связаны с наиболее удаленными источниками гамма-излучения. В декабре 2002 года при участии российского прибора ХЕНД на аппарате НАСА “Марс Одиссей” был зарегистрирован и локализован гамма-всплеск GRB 021206. После обработки данных регистрации этого всплеска на солнечном исследовательском спутнике “Рамати” был сделан вывод о том, что излучение этого всплеска имеет линейную поляризацию 80± 20% в широком энергетическом диапазоне 0.1 – 1.0 МэВ. Согласно теории, квантовое пространство-время может обладать свойством двулучепреломления для фотонов с противоположной циркулярной поляризацией. Для линейно поляризованного фотона, который можно представить, как суперпозицию двух состояний с противоположными циркулярными поляризациями, двулучепреломление приводит к вращению плоскости линейной поляризации. Этот эффект хорошо известен для замагниченной плазмы, как фарадеевское вращение.

И.Г.Митрофанов впервые обратил внимание на то, что факт обнаружения линейной поляризации фотонов космического гамма-всплеска GRB 021206 противоречит линейному эффекту квантового двулучепреломления пространства-времени µ (E/E_QG ) х L. Линейно поляризованные фотоны с различными энергиями за время распространения ~ 10¹⁰ лет испытывают различный поворот фазового угла плоскости поляризации, и результирующая поляризация излучения в широком спектральном диапазоне должна обращаться в ноль. Была сформулирована альтернатива – либо квантовая теория пространства-времени не должна приводить к линейному эффекту двулучепреломления, либо наблюдение линейной поляризации гамма-всплеска не является достоверным. Кроме этого было показано, что наблюдения поляризации космологических источников гамма-фотонов с энергиями выше 200 МэВ позволят экспериментально проверить квадратичные эффекты двулучепреломления пространства времени порядка µ (E/E_QG )² х L.

I. G. Mitrofanov, “A constraint on canonical quantum gravity”, Nature, v. 426, p.139, 2003.

Отв. исполнитель к.ф.м.н. Позаненко А.А., тел.: 333-1522, apozanen@iki.rssi.ru.

В ИКИ РАН совместно со специалистами обсерватории Космотэн и САО РАН при поддержке Фонда U.S. Civilian Research & Development Foundation (RP1-2394-MO-02) разработан, построен и введен в эксплуатацию (Июнь 2003) комплекс для автономного обнаружения быстрых (0.1 – 100с) неотождествленных оптических транзиентов. Комплекс позволяет в режиме реального времени обнаруживать быстропеременные объекты, вычислять координаты и проводить их фотометрию. Комплекс состоит из широкопольной камеры, контура управления и компьютеров объединенных локальной сетью Gigabit Ethernet. Отличительными особенностями являются невысокая стоимость проекта. Комплекс используется для поиска оптического излучения, возможно предшествующего и сопровождающего космические гамма-всплески путем синхронного слежения совместно с орбитальными рентгеновскими и гамма-телескопами, поиска и каталогизации быстрых переменных звезд, исследования переменности маломассивных рентгеновских двойных. Может быть использован для проведения долговременных обзоров, поиска и исследования нестационарных космических явлений любой природы. Основные параметры: поле зрения – 17x20 град., проницание – 12m (при экспозиции 0.13 сек), частота кадров - 7.5 кадров/с, пространственное разрешений – 1’, размер ПЗС-матрицы 1380х1024 (2/3”).

Результаты работ докладывались на российских и международных конференциях:

Pozanenko, A.; Chernenko, A.; Beskin, G.; Plokhotnichenko, V.; Bondar, S.; Rumyantsev, V., Synchronous Observations by Ground Based Optical and X-ray Space Born Telescopes, Astronomical Data Analysis Software and Systems XII ASP Conference Series, Vol. 295, H. E. Payne, R. I. Jedrzejewski, and R. N. Hook, eds., p.457, 2003.

А.В.Багров, Г.М.Бескин, А.Бирюков, С.Ф.Бондарь, И.Ю.Золотухин, Е.И.Иванов, С.В. КарповА., А.С.Позаненко, Широкоугольная высокоскоростная оптическая камера для обнаружения вспыхивающих и движущихся объектов. В трудах "Near-Earth Astronomy - 2003" Терскол, Россия, 8 – 13 сентября, 2003.

A.Pozanenko , S.Bondar’ , G.Beskin , V.Rumjantsev , A.Biryukov, K.Hurley, E.Ivanov, S.Karpov, V.Loznikov, V.Rumyantsev, Yu.Zolotukhin, Wide Field Optical Camera for search and investigation of fast cosmic transients, в трудах конференции GRB2003, Santa Fe, September 8-12, 2003.