Тонкая структура космической турбулентности

4 Авг 2021

Летом 2021 г. исполняется 10 лет с момента запуска космического аппарата «Спектр-Р» (18.07.2011–30.05.2019). Спутник успешно проработал на орбите Земли более 7 лет (с августа 2011 по январь 2019) и помог получить значительное количество ярких и интересных научных результатов. В качестве «попутной нагрузки» к радиотелескопу на космический аппарат был установлен комплекс аппаратуры «Плазма-Ф», предназначенный для мониторинга солнечного ветра (потока плазмы, распространяющегося от Солнца и генерирующего магнитные бури на Земле) и являющийся, по сути, единственным в последние годы отечественным научным экспериментом по тематике околоземного космоса и космической погоды.

Главной особенностью комплекса «Плазма-Ф» стало очень высокое для такого рода измерений плазмы временное разрешение. В частности, российско-чешский спектрометр солнечного ветра БМСВ проводил 32 измерения в секунду, что в 100 раз лучше, чем у аналогичных приборов, работавших на других космических аппаратах. Даже сейчас, по прошествии десяти лет, таких показателей не удалось достичь ни в одной из миссий, запущенных в последние годы. Поэтому плазменные данные, полученные в этом проекте, будут долгие годы оставаться уникальными и служить источником новых знаний по физике околоземной плазмы.

Высокое временное разрешение плазменного спектрометра БМСВ позволило, в частности, впервые провести систематические исследования параметров флуктуаций, ответственных за «перемешивание» солнечного ветра. В солнечном ветре формируется сложная иерархия структур различного масштаба: трубок, вихрей и пр., — называемая турбулентностью. Ранее считалось, что турбулентность в солнечном ветре развивается свободно по мере его распространения от Солнца до Земли, однако результаты измерений БМСВ поставили под сомнения эту точку зрения. Оказалось, что границы между потоками плазмы различной природы могут иметь такое же критичное воздействие на свойства турбулентного потока, как и стенки установки для лабораторной плазмы, где подобные явления являются главным препятствием для создания управляемой термоядерной реакции. Аналогично земной плазме, в солнечном ветре это также приводит к нагреву и ускорению частиц плазмы.

Кроме академического интереса, эти исследования важны для задачи предсказания космической погоды, так как дают дополнительную информацию о взаимодействии потоков солнечного ветра между собой по мере движения от Солнца. За последние 10 лет в рамках этих работ в ИКИ РАН был создан каталог данных прибора БМСВ и опубликовано более 30 научных работ, в том числе в ведущих мировых журналах.

Внешний вид прибора БМСВ на борту КА «Спектр-Р» Орбита космического аппарата «Спектр-Р» относительно околоземной ударной волны и магнитопаузы
Внешний вид прибора БМСВ на борту КА «Спектр-Р» Орбита космического аппарата «Спектр-Р» относительно околоземной ударной волны и магнитопаузы
Сравнение спектров турбулентных флуктуаций потока ионов в спокойном солнечном ветре (синий), и в переходной области на границе разноскоростных потоков CIR (красный). Пунктир — предсказания теоретических моделей
Сравнение спектров турбулентных флуктуаций потока ионов в спокойном солнечном ветре (синий), и в переходной области на границе разноскоростных потоков CIR (красный). Пунктир — предсказания теоретических моделей
Дополнительная информация: 
  1. Сайт эксперимента «Плазма-Ф»
  2. Зеленый Л.М., Застенкер Г.Н., Петрукович А.А. и др. Эксперимент ПЛАЗМА-Ф на спутнике “Спектр-Р” // Космич. исслед. 2013. Т. 51. № 2. С. 83-87. (Cosmic Research. P. 73–79)
  3. Застенкер Г.Н., Шафранкова Я. , Немечек З., и др. Быстрые измерения параметров солнечного ветра с помощью прибора БМСВ // Космич. исслед. 2013. Т.51. № 2. С. 88-99. (Cosmic Research. P. 78–89.)
  4. Safrankova J., Nemecek Z., Prech L., Zastenker G., et al. Fast solar wind monitor (BMSW): description and first results // Space Science Reviews. 2013. V. 175(1–4). P.165–182
  5. А.А. Петрукович, Х.В. Малова, В.Ю. Попов, Е.В.Маевский, В.В. Измоденов, О. Катушкина,А.В.Виноградов, Рязанцева М.О., Рахманова Л.С., Подладчикова Т.В., Застенкер Г.Н., Ермолаев Ю.И., Лодкина И.Г., Чесалин Л.С., Современный взгляд на солнечный ветер от микро- до макро-масштабов // УФН, 2020, т. 190(8) С. 859–870
  6. Rakhmanova L., Riazantseva M. and Zastenker G. (2021) Plasma and Magnetic Field Turbulence in the Earth’s Magnetosheath at Ion Scales // Front. Astron. Space Sci. 7:616635
  7. Riazantseva, M.O., Budaev, V.P., Zelenyi, L.M., Zastenker G.N., Pavlos G.P., Safrankova J., Nemecek Z., Prech L. and Nemec F., Dynamic properties of small scale solar wind plasma fluctuations // Phil. Trans. R. Soc. A, 373 (2041), 20140146, 2015