Тема ТЕОРИЯ Физика многомасштабных нелинейных процессов в атмосферах планет солнечной системы.

Гос.рег. №01.20.03 02941

Науч. Руководитель: к.ф.-м.н. А.С.Петросян

Разработан метод крупных вихрей для сжимаемой МГД турбулентности электро- и теплопроводящей жидкости и показано, что появляются принципиально новые подсеточные слагаемые в отфильтрованном уравнении полной энергии вследствие наличия магнитного поля. Предложена теория подсеточных турбулентных течений для новых подсеточных слагаемых для замыкания системы отфильтрованных по Фавру МГД уравнений. Проведено моделирования сжимаемой МГД турбулентности при различных числах Маха и показана применимость метода крупных вихрей к моделированию теплопроводящей плазмы при малых и умеренных числах Маха.

А. С. Петросян, 333-54-78, apetrosy@iki.rssi.ru

Исследована динамика флуктуаций плотности в космической плазме методом крупных вихрей. Установлено, что исходно сильно сжимаемые флуктуации становятся слабо сжимаемыми и спектр флуктуаций плотности воспроизводит спектр кинетической энергии, это соответствует тому, что флуктуации плотности переносятся магнитогидродинамическим течением в режиме пассивной примеси. Это позволило подтвердить гипотезу о слабо сжимаемой природе флуктуаций плотности наблюдаемых в межзвездной среде.

А. А. Чернышов, 333-54-78, achernyshov@iki.rssi.ru

Исследованы свойства спектров кинетической энергии со временем. Установлено, что со временем уменьшаются энергосодержащие крупные масштабы турбулентности, амплитуда спектров также ослабевает. Показано, что увеличивается диссипативный интервал в энергетическом каскаде и уменьшается инерционный интервал. Исследованы свойства анизотропии МГД турбулентности космической плазмы в условиях межзвездной среды. Показано, что крупномасштабное МГД течение является анизотропным, а мелкомасштабное - изотропным в турбулентности межзвездного газа.

А. А. Чернышов, 333-54-78, achernyshov@iki.rssi.ru

Разработана модель описания вращающейся мелкой воды, позволяющая изучать крупномасштабные явления в атмосфере и океане. Для реализации предложенной модели была использована квазидвухслойная модель течений жидкости над ступенчатой границей с учетом физических процессов вблизи ступеньки. Влияние силы Кориолиса учитывалось в виде фиктивной подстилающей поверхности, которая разбивается на конечное число ступенек. Было проведено численное моделирование различных физических явлений, таких как геострофическая адаптация, сохранение потенциальной завихренности,

А. С. Петросян, 333-54-78, apetrosy@iki.rssi.ru

Используя модель описания вращающейся мелкой воды, был разработан метод описания течений атмосферы/океана над произвольной подстилающей поверхностью. Произвольная подстилающая поверхность аппроксимируется кусочно-постоянной функцией, разбивающей ее на конечное число областей со ступенчатой границей. Было рассчитано течение атмосферы/океана над неоднородной подстилающей поверхностью в виде горы за один оборот всей системы в целом.

К. В. Карельский, 333-54-78, kkarelsk@iki.rssi.ru

Исследован процесс возникновения термодиффузионной конвекции в неподвижной двухкомпонентной сжимаемой вязкой теплопроводной смеси (вода и растворённая в ней соль), под действием сил тяжести. Получены уравнения движения смеси для данных предположений. Проведён анализ системы на устойчивость к малым возмущениям в линейном приближений. Получена нейтральная кривая. Выведены малые параметры для построения слабо-нелинейной теории.

А. С. Петросян, 333-54-78, apetrosy@iki.rssi.ru

Получена система уравнений на изменения флуктуаций магнитного поля и поля скорости в приближении теории быстрых искажений для несжимаемой МГД турбулентности. Получены спектры магнитного поля и поля скорости при применении сдвигового потока к турбулентности в приближении теории быстрых искажений. Полученные спектры затухают во времени: магнитный - пропорционально e^(-t^3); скорости – пропорционально e^(-t^3), начиная с некоторого t0.

К. В. Карельский, 333-54-78, kkarelsk@iki.rssi.ru

A. A. Chernyshov, K. V. Karelsky, A. S. Petrosyan “Large eddy simulations of compressible MHD turbulence in space plasma.” 8^th International School/Simposium for Space Simulations (ISSS-8), February 25 - March 3, 2007, Kauai, Hawaii, USA

A. A. Chernyshov, K. V. Karelsky, A. S. Petrosyan «Development of large eddy simulation for modeling of decaying compressible MHD turbulence», Physics of Fluids, Vol. 19, Issue 5, 055106, 2007

A. A. Chernyshov, K. V. Karelsky, A. S. Petrosyan «Large Eddy Simulation of Compressible Magnetohydrodynamic Turbulence in Heat-conducting Plasma» in Advances in Turbulence XI \ Proceedings of the EUROMECH European Turbulence Conference, June 25-28, 2007, Porto, Portugal, 20-22 pp, ISSN 0930-8989, ISBN 978-3-540-72603-6 Springer Berlin Heidelberg New York, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2007

A. A. Chernyshov, K. V. Karelsky, A. S. Petrosyan “Assessment of subgrid-scale models for decaying compressible MHD turbulence.” Flow, Turbulence and Combustion, DOI 10.1007/s10494-007-9100-8, 2007

A. A. Chernyshov, K. V. Karelsky, A. S. Petrosyan «Modeling of compressible magnetohydrodynamic turbulence in electrically and heat conducting fluid using large eddy simulation, Physics of Fluids, представлена в печать

Karelsky K.V, Petrosyan A.S, Slavin A.G. Numerical simulation of flows of a heavy nonviscous fluid with a free surface in the gravity field over a bed surface with an arbitrary profile // Russian journal of Numerical Analysis and Mathematical modeling. V. 22, №6, 2007, pp 1-23.

Karelsky K.V, Petrosyan A.S, Slavin A.G. Quasi-two-layer model for numerical analysis of shallow water flows over a step boundary. The Fifth International Symposium on Environmental Hydraulics. Arizona, 2007.

Новый механизм фундаментального явления мультистабильности и оригинальный метод анализа нелинейных систем на мультистабильность.

1. Выявлен новый механизм возникновения фундаментального явления мультистабильности в нелинейных системах обладающих порогом возбуждения и находящихся под периодическим внешним воздействием. Явление мультистабильности заключается в том, что в нелинейной системе возможно одновременное сосуществование нескольких устойчивых состояний при идентичных параметрах стимуляции, при этом разные устойчивые состояния реализуются из различных начальных условий. При умеренной частоте стимуляции на каждый стимул система откликаются одиночным импульсом, который характеризуется тремя параметрами: временем активности (длительность импульса выше порога возбуждения), временем восстановления (ниже порога возбуждения) и амплитудой. Однако, при увеличении частоты стимуляции устойчивость такого «правильного режима» (1 стимул→ 1 отклик) теряется, и отклик системы начинает меняться от стимула к стимулу, принимая сложный характер (2:2; 2:1; 4:3 и т.д. см. рис.1). В некотором интервале значений периода стимуляции из определенных начальных условий могут быть реализованы, как «правильный», так и неправильные сложные режимы, т.е. проявляется мультистабильность. Новизна обнаруженного механизма заключается в том, что сосуществование двух режимов связано в данном случае с синхронизацией периода стимуляции и внутренней структуры отклика системы (соотношением времен активности и восстановления).

Рис. 1. Явление мультистабильности в модели Luo и Rudy (на всех графиках по оси абсцисс отложен период стимуляции (, мсек), а по оси ординат время активности (, мсек)). A и B: бифуркационные диаграммы для амплитуды стимуляции: , обе диаграммы получены на одной модели при идентичных параметрах стимуляции, но из разных начальных условий: A) =120 ms, B) =150 ms, что привело к сосуществованию режимов 1:1 с 2:2, 2:1, 4:2. C и D: бифуркационные диаграммы для , начальные условия: C) =120 ms, D) =150 ms, сосуществующие режимы: 1:1 с 2:2, 2:1. 4:2 и 4:3.

2. Показано, что введение шума в параметр стимуляции приводит к усилению мультистабильности, что, в частности, связано с перекрыванием областей бистабильности разных режимов (рис. 2). Перекрывание областей обусловлено усилением флуктуационных процессов при приближении к точкам бифуркации [Kravtsov, Surovyatkina, Phys. Let. A, 2003; Surovyatkina, Phys. Let. A, 2004].

Рис. 2. Эффект усилия мультистабильности под воздействием шума. A: бифуркационная диаграмма в отсутствии шума (при тех же параметрах, как на рисунке 1А). B, C, D: бифуркационные диаграммы в присутствии шума в периоде стимуляции со средним квадратичными значениями , соответственно. Красными прямоугольниками на графиках B, C, и D отмечены области усиленной мультистабильности.

Обнаруженный механизм мультистабильности является фундаментальным и не зависит от формы импульса – отклика системы на периодическое возбуждение, тогда как наличие порога возбуждения в системе является обязательным условием для реализации такого типа мультистабильности. Исследования проведены на модели трансмембранного потенциала действия одиночного миоцита (Luo-Rudy model). Полученный механизм мультистабильности хорошо согласуется с многочисленными данными электрофизиологических экспериментов и вмещает в себя все рассмотренные ранее частные случаи проявления бистабильности в электрофизиологии.

3. Предложен оригинальный метод анализа нелинейной системы на мультистабильность, основанный на использовании двухэтапной процедуры стимуляции (рис. 3) и размещении бассейнов притяжения устойчивых режимов непосредственно на кривых сигнала (рис. 4) (под бассейнами притяжения устойчивых режимов понимают множество начальных значений, при которых реализуется каждое из возможных устойчивых состояний). Такой метод позволяет преодолеть проблему многомерности бассейнов притяжения.

Fig. 3. Двухэтапная процедура стимуляции: подготовительный этап стимуляции, приводящий систему к заданным начальным условиям, проведен с периодом стимуляции =180 ms (S1) (значение одинаковое на всех 3 графиках), второй этап стимуляции «операционный» проведен при =152 ms (S2) ( также одинаковое на всех графиках), на обоих этапах использовалась амплитуда стимуляции =30 μA/cm². Величина интервал сцепления двух этапов стимуляции по существу определяет начальные условия для второго этапа стимуляции: преждевременный стимул =62 ms (A), преждевременный стимул=120 ms (B), запаздывающий стимул =270 ms (C). Звездочками показаны значения времени активности (APD). Вследствие различных значений интервалов сцепления система приходит в разные устойчивые состояния 1:1 (А) и 2:2 (В, С), демонстрируя мультистабильность.

4. Метод реализован на указанной выше модели (Luo-Rudy model) – бассейны притяжения устойчивых состояний получены на кривых отклика системы на периодическое воздействие, что вмещает в себя информацию обо всем множестве начальных значений, которых в данной системе 9 (рис. 4). Обнаружено, что полученные бассейны притяжения устойчивых режимов трансмембранного потенциала действия одиночного миоцита непосредственно связаны с «окнами уязвимости» на электрокардиограммах сердца, которые выявлены экспериментально и хорошо известны в электрокардиографии, как опасные сегменты на ЕКГ - сигнале, в течение которых приложенный импульс при процедуре электрокардиостимуляции может вызвать опасную для жизни аритмию. Однако физического обоснования появления таких «окон» до сих пор не существовало. Полученный результат важен как для электрокардиографии, так и для фармакологии, например, для тестирования сердечных препаратов.

Рис. 4. Бассейны притяжения устойчивых состояний системы, размещенные на кривых трансмембранного потенциала действия. (A) – кривые потенциала действия, соответствующие последнему биту первой стадии стимуляции при , где подается преждевременный или запаздывающий импульс (см. рис. 3). Необходимо отметить, что первая стадия стимуляции одинаковая для всех экспериментов, поэтому все кривые одинаковые, тогда как вторая стадия стимуляции проводиться с периодом стимуляции в интервале [100; 180]. Черные бассейны притяжения соответствуют устойчивому «правильному» ритму 1:1, который получен на второй стадии стимуляции и продемонстрирован на рис. B, другие «цветные» бассейны притяжения, приводят к сложным режимам: 2:2, 2:1, 4:2, 4:3, которые показаны на рисунках C - F. Линия a) показывает начальные значения для бифуркационной диаграммы на рис. 1A, где присутствуют все возможные устойчивые состояния; линия b) соответствует рис. 1 B, где отсутствуют состояния 2:2, 2:1, 4:2, а состояние 1:1 переходит в состояние 4:3.

Полученные результаты имеют фундаментальный характер и действительны для других нелинейных систем обладающих порогом возбуждения и находящихся под периодическим внешним воздействием.

Е. Д. Суровяткина, д. ф.-м. н., т. (495)7440436, E-mail: selena@iki.rssi.ru

Результаты работы опубликованы в двух статьях:

1. Elena Surovyatkina, Roman Egorchenkov, and Guennady Ivanov. Multistability as intrinsic property of a single cardiac cell: a simulation study. IEEE EMBS, V. 1-4244-0788-5/07, 927-930, 2007.
2. Elena Surovyatkina, Roman Egorchenkov, and Guennady Ivanov. Noisy Unmaskers of Multistability of Periodic Rhythms in a Model of the Ventricular Cardiac Action Potential. Noise and Fluctuations in Biological, Biophysical, and Biomedical Systems, ed. by S. M. Bezrukov, SPIE, Bellingham, WA, Vol. 6602, 660211-1-9, 2007.

Результаты работы были представлены на следующих международных конференциях:

1. Elena Surovyatkina, Multistability of cardiac excitation: a simulation study of a model of ventricular cardiac action potential. PhysCon 2007, The 3-rd International IEEE Scientific Conference on Physics and Control, Potsdam, Germany, 3 – 7 September 2007.
2. E. Surovyatkina, Pre-bifurcation amplification and Nonlinear Saturation of Noise Correlation Time. American Mathematical Society - Mathematical Association of America Joint Mathematics Meetings, New Orleans, Louisiana, USA January 5-8, 2007.
3. E. Surovyatkina, Roman Egorchenkov, and Guennady Ivanov, Multistability as intrinsic property of a single cardiac cell: a simulation study, 29th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, Lyon, France, 23 - 26 August 2007.
4. E. Surovyatkina, Noisy Unmaskers of Multistability of Periodic Rhythms in a Model of the Ventricular Cardiac Action Potential, Noise and Fluctuations in Biological, Biophysical, and Biomedical Systems, Florence, Italy, 1-3 May 2007.

на Российской конференции:

1. Е. Суровяткина, Г. Иванов. Мультистабильность как электрофизиологический феномен миокарда. Всероссийский конгресс «Неивазивная электрокардиология в клинической медицине» и 8 Конгресс Российского Общества холтеровского мониторирования и неинвазивной электрокардиологии, Москва, 19 - 20 апреля 2007.

Тема МАРСЕС Электромагнитное зондирование криолитозоны МАРСА

Гос.рег. №01.20.0307399

Научные руководители: к-ф.-н.м. Ю.Р.Озорович, к.ф.-м.н. О.Ф.Прилуцкий

В рамках данной темы в 2007 году были проведены дальнейшие технологические и инструментальные работы по выявлению оптимальной конструкции полевого комплекса.

В связи с недостаточным финансированием, работы по изготовлению опытного прототипа полевого прибора перенесены на 2008 год. Подготовлены ряд заявок на выделение специальных грантов для финансирования дальнейших работ по изготовлению прототипа полевого прибора.

По данной теме подготовлены 3 публикации и сделаны 3 доклада на международных конференциях.

Тема ДИАГНОСТИКА Диагностика поверхностей объектов Солнечной системы по изучению вторичных эффектов, возникающих под активным воздействием искусственного или природного происхождения

Гос.рег. № 0120.0 501195

Научный руководитель: д-ф.-м.н. Манагадзе Г.Г.

В рамках темы «Диагностика» были выполнены следующие научно-исследовательские работы, получены результаты, подготовлены и опубликованы представленные ниже статьи.

В лабораторных экспериментах по моделированию CВC-удара с помощью лазерного воздействия на мишень, состоящую только из С, N, О, Н, были синтезированы высокомолекулярные, разветвленные полимерные ОС, достигающие 5000 а.е.м. Эти соединения были интерпретированы как ацетиленовые углероды, пептиды и гетерогенные дендримеры и были получены для эквивалентного диаметра микрометеорита ~ 100 мкм.

Экстраполяция полученных результатов к более крупным метеоритным частицам показала, что ОС соизмеримые по массе с ДНК, РНК или протеинам равные ~ от100000 до 500000 а.е.м. могут быть синтезированы при диаметре ударника ~ 10 мм.

Добавление к указанному выше составу мишени фосфора позволило синтезировать ОС, которые были интерпретированы как нуклеиды и их олигомеры.

Совместное рассмотрение новых результатов исследований с результатами экспериментов ранее проведенных, позволяют сделать заключение, что плазменный факел CВC-удара может рассматриваться как наиболее оптимальная среда для синтеза сложных ОС, необходимых для обеспечения возникновения живой материи. Свойства такой среды обеспечивают самосборку и упорядочение ОС в процессе синтеза. Плазменный факел также обладает высокой каталетической активностью, в которой, предположительно, может происходить нарушение симметрии при синтезе изомеров. Эта среда, предположительно, способна обеспечить зарождение коротких самореплицирующихся ОС за время одного воздействия.

Новый подход к проблеме возникновения жизни и результаты лабораторного моделирования позволили создать новую концепцию предыстории жизни, которая хорошо сочетается с возможными физическими процессами и начальными условиями на ранней Земле [1,2].

Подтвержденная экспериментально возможность синтеза сложных ОС в плазменном факеле ударной природы позволила предложить гипотезу о возникновении микробной жизни на планетах, спутниках планет и малых тел Солнечной системы, в том числе и лишенных атмосферы обладающих сверхнизкой (-180⁰С) или относительно высокой (<100⁰С) поверхностной температурой. С этой целью рассматривалась возможность попадания синтезированных в плазменном факеле сложных ОС в подповерхностные объемы, в которых вода находится в жидкой фазе или образуется за счет растопления подповерхностного льда в процессе проникающего CВC-удара.

С учетом того, что в процессе CВC-удара метеорит диаметром в 1 км способен обеспечить проникновение факела в подповерхностные пустоты, расположенные на глубине до 3 км, явление на начальном этапе формирования планет следует отнести к высоковероятным.

Возможность возникновения ОС массой до 2000 а.е.м., при генерации плазменного факела под водой, впервые была подтверждена экспериментально и представлена в работах [4,5,8].

Изложенные выше результаты могут сыграть определенную роль в процессе разработки и выбора научных задач для планируемой миссии полета на Европу.

За отчетный период были также существенно усовершенствована лабораторная и бортовая научная аппаратура.Эти результаты изложены в работах [6,7] . Была предложена концепция создания космического ударного масс-спектрометра, бортовой системы нового поколения на двух ИСЗ, запущенных на встречных орбитах [8,9].

Полученные результаты экспериментальных исследований и их интерпретация были опубликованы в научных журналах, докладывались на национальных и международных конференциях, обсуждались в России и за рубежом.

Основные результаты по части разработки новой концепции предыстории жизни опубликованы в работе:

1. G.Managadze. A new universal mechanism of organic compounds synthesis during prebiotic evolution. Planetary and Spase Science 55 {2007}134-140.

2. G.Managadze. A nоvel scenario of prebiotic stage of evоlution of life and universal mechanism of its realization in the meteorite impact. International Journal of Impact Engineering. (направлено 19 июля 2007 г, принято в печать).

3. Г.Г. Манагадзе, В.Бринкерхофф, А.Е.Чумиков, Н.Г. Манагадзе. Синтез высокомолекулярных органических соединений в плазменном факеле, моделирующем факел сверхвысокоскоростного удара. Препринт -2132. Москва. ИКИ РАН. 2007 г.

Докладывались на международных конференциях и симпозиумах:

4. Г.Г.Манагадзе. Новый сценарий этапа предбиологической эволюции и универсальный механизм его реализации в процессах метеоритного удара (от неорганической субстанции к протоклетке). Масс-спектрометрия в химической физике, биофизике и экологии. 3-я Международная Конференция – школа. Звенигород, Россия, Апрель, 16-21, 2007.

5. Г.Г. Манагадзе Роль масс-спектрометрии в создании новой концепции предистории жизни на Земле и в гипотетических сценариях ее зарождения на спутниках Юпитера и Сатурна. Третий съезд ВМСО. II Всероссийская конференция с международным участием «Масс-спектрометрия и ее прикладные проблемы». 03-07 сентября 2007 года, г. Москва.

6. Манагадзе Г.Г., Чумиков А.Е., Романюк В.А., Шандицев А.А., Стецко И.П. Масс-рефлектрон «ЛАЗМА», модифицированный для количественных измерений состава проб на всех стадиях металлургического производства. Третий съезд ВМСО. II Всероссийская конференция с международным участием «Масс-спектрометрия и ее прикладные проблемы». 03-07 сентября 2007 года, г. Москва.

7. Манагадзе Г.Г., Чумиков А.Е., Манагадзе Н.Г., Бондаренко А.Л., Саралидзе Г.З. Масс-спектрометрические исследования природы аномально-высокого поглащения света поверхностью Фобоса с борта космической станции. Третий съезд ВМСО. II Всероссийская конференция с международным участием «Масс-спектрометрия и ее прикладные проблемы». 03-07 сентября 2007 года, г. Москва.

8. G.Managadze. Prof., PhD. A nоvel scenario of prebiotic stage of evоlution of life based on the universal mechanism of organic compounds synthesis in the plasma torch of meteorite impact. II International Cоnference. Biosphere Origin fnd Evolution/ October 28 – November 2, 2007. Loutraca, Greece.

9. G.G.Managadze. Past and future of impact and laser mass-spectrometry in Space. Доклад на международной конференции, посвященной 50 летию запуска первого исскуственного спутника Земли.

10. G.Managadze. New scenario for the prebiologic stage of evolution and the universal mechanism of its realization. 7 Международный симпозиум по снижению стоимости наземных систем обеспечения и управления космическими аппаратами. Москва. ИКИ РАН. 11-15 июня, 2007 г.

Были доложены на семинарах:

1. В институте Элементо-Органических соединений РАН на чтениях, посвященных памяти А.М.Сладкова. Москва, май 2007 г.

2. В институте Микробиологии им. С.Н.Виноградова. Москва, апрель 2007 г.

3. В Университете Мериленд на расширенном семинаре участников международного эксперимента Deep Impact. США. Вашингтон. Ноябрь 2007 г.