Космические исследования, 2020, T. 58, № 6, стр. 513-521

Зависимость свойств турбулентного каскада за околоземной ударной волной от динамики параметров солнечного ветра

Л. С. Рахманова 1*, М. О. Рязанцева 1, Г. Н. Застенкер 1, Ю. И. Ермолаев 1, И. Г. Лодкина 1

1 Институт космических исследований РАН
г. Москва, Россия

* E-mail: rakhlud@gmail.com

Поступила в редакцию 24.03.2020
После доработки 24.03.2020
Принята к публикации 29.05.2020

Аннотация

Магнитослой является неотъемлемым элементом солнечно-земных связей. В работе анализируется влияние параметров солнечного ветра и их вариабельности, а также топологии околоземной ударной волны, на характеристики турбулентности плазмы в магнитослое на масштабах, соответствующих переходу от инерционной области турбулентного каскада к диссипативной. Анализ основан на обширной статистике измерений прибора БМСВ на спутнике Спектр-Р в магнитослое в 2011–2018 гг. с высоким временным разрешением. Показано, что наибольшее влияние на вид турбулентного каскада непосредственно за околоземной ударной волной оказывает вариабельность плотности плазмы солнечного ветра и модуля межпланетного магнитного поля, а также угол между нормалью к околоземной ударной волне и межпланетным магнитным полем.

DOI: 10.31857/S0023420620060084

Список литературы

  1. Bruno R., Carbone V. The solar wind as a turbulence laboratory // Living Reviews in Solar Physics. 2003. V. 10. P. 2.

  2. Alexandrova O., Chen C.H.K., Sorriso-Valvo L. et al. Solar Wind Turbulence and the Role of Ion Instabilities // Space Science Reviews. 2013. V. 178. P. 101–139.

  3. Колмогоров А.Н. Локальная структура турбулентности в несжимаемой вязкой жидкости при очень больших числах Рейнольдса // Доклады Академии наук СССР. 1941. Т. 30. № 4. С. 299.

  4. Goldreich P., Sridhar S. Toward a theory of interstellar turbulence. 2: Strong alfvenic turbulence // Astrophysical Journal. 1995. V. 438. P. 763. https://doi.org/10.1086/175121

  5. Goldreich P., Sridhar S. MHD Turbulence Revisited // Astrophysical Journal. 1997. V. 485. № 2. P. 680–688. https://doi.org/10.1086/304442

  6. Czaykowska A., Bauer T.M., Treumann R.A., Baumjohann W. Magnetic field fluctuations across the Earth’s bow shock // Annales Geophysicae. 2001. V. 19. № 3. P. 275–287. https://doi.org/10.5194/angeo-19-275-2001

  7. Huang S.Y., Hadid L.Z., Sahraoui F. et al. On the Existence of the Kolmogorov Inertial Range in the Terrestrial Magnetosheath Turbulence // Astrophysical Journal Letters. 2017. V. 836. № 1. L10.

  8. Козак Л.В., Пилипенко В.А., Чугунова О.М., Козак П.Н. Статистический анализ турбулентности форшоковой области и магнитослоя земли // Космич. исслед. 2011. Т. 49. № 3. С. 202–212. (Cosmic Research. P. 194.)

  9. Rakhmanova L., Riazantseva M., Zastenker G., Verigin M. Kinetic-scale ion flux fluctuations behind the quasi-parallel and quasi-perpendicular bow shock // Geophysical Research: Space Physics. 2018. V. 123. P. 5300–5314. https://doi.org/10.1029/2018JA025179

  10. Рахманова Л.С., Рязанцева М.О., Застенкер Г.Н., Веригин М.И. Влияние магнитопаузы и головной ударной волны на характеристики турбулентности плазмы в магнитослое Земли // Геомагнетизм и Аэрономия. 2018. Т. 58. № 6. С. 749–758.

  11. Рахманова Л.С., Рязанцева М.О., Застенкер Г.Н. и др. Влияние характеристик турбулентности плазмы солнечного ветра на свойства турбулентного каскада в магнитослое // Космич. исслед. 2019. Т. 57. № 6. С. 461–468. (Cosmic Research. P. 443–450)

  12. Macek W.M., Krasińska A., Silveira M.V.D. et al. Magnetospheric Multiscale Observations of Turbulence in the Magnetosheath on Kinetic Scales // Astrophysical Journal. 2018. V. 864. L27.

  13. 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.)

  14. Šafránková J., Němeček Z., Přech L. et al. Fast Solar Wind Monitor (BMSW): Description and First Results // Space Science Reviews. 2013. V. 175. P. 165–182.

  15. Leamon R.J., Matthaeus W.H., Smith C.W. et al. MHD-driven Kinetic dissipation in the solar wind and corona // Astrophysical Journal. 2000. V. 537. P. 1054–1062. https://doi.org/10.1086/309059

  16. Smith C.W., Mullan D.J., Ness N.F. et al. Day the solar wind almost disappeared: Magnetic field fluctuations, wave refraction and dissipation // Geophysical Research. 2001. V. 106. P. 18625–18634. https://doi.org/10.1029/2001JA000022

  17. Howes G.G., Cowley S.C., Dorland W. et al. A model of turbulence in magnetized plasmas: Implications for the dissipation range in the solar wind // Geophysical Research. 2008. V. 113. A05103.

  18. Schekochihin A.A., Cowley S.C., Dorland W. et al. Astrophysical gyrokinetics: kinetic and fluid turbulent cascades in magnetized weakly collisional plasmas // Astrophysical Journal Supplement Series. 2009. V. 182. № 1. P. 310–377. https://doi.org/10.1088/0067-0049/182/1/310

  19. Rakhmanova L., Riazantseva M., Zastenker G. Plasma fluctuations at the flanks of the Earth’s magnetosheath at ion kinetic scales // Annales Geophysicae. 2016. V. 34. P. 1011–1018.

  20. Markovskii S.A., Vasquez B.J., Smith C.W. Statistical Analysis of the High-Frequency Spectral Break of the Solar Wind Turbulence at 1 AU // Astrophysical Journal. 2008. V. 675. № 2. P. 1576–1583. https://doi.org/10.1086/527431

  21. Šafránková J., Němeček Z., Němec F. et al. Power spectral density of fluctuations of bulk and thermal speeds in the solar wind // Astrophysical Journal. 2016. V. 825. № 2. 121. https://doi.org/10.3847/0004-637X/825/2/121

  22. Verigin M.I., Tátrallyay M., Erdős G., Kotova G.A. Magnetosheath – Interplanetary medium reference frame: Application for a statistical study of mirror type waves in the terrestrial plasma environment // Advances in Space Research. 2006. V. 37. № 3. P. 515–521. https://doi.org/10.1016/j.asr.2005.03.042

  23. Shue J.-H., Song P., Russell C.T. et al. Magnetopause location under extreme solar wind conditions // Geophysical Research: Space Physics. 1998. V. 103. № A8. P. 17 691–17 700. https://doi.org/10.1029/98JA01103

  24. Verigin M.I., Kotova G.A., Slavin J. et al. Analysis of the 3-D shape of the terrestrial bow shock by interball/magion 4 observations // Advances in Space Research. 2001. V. 28. № 6. P. 857–862. https://doi.org/10.1016/S0273-1177(01)00502-6

  25. Ogilvie K.W., Chornay D.J., Fritzenreiter R.J. et al. SWE, a comprehensive plasma instrument for the WIND spacecraft // Space Science Reviews. 1995. V. 71. № 1–4. PP. 55–77. https://doi.org/10.1007/BF00751326

  26. Lepping R.P., Ac$\tilde {u}$na M.H., Burlaga L.F. et al. The WIND magnetic field investigation // Space Science Reviews. 1995. V. 71. № 1–4. P. 207–229. https://doi.org/10.1007/BF00751330

  27. Shevyrev N.N., Zastenker G.N. Some features of the plasma flow in the magnetosheath behind quasi-parallel and quasi-perpendicular bow shocks // Planetary and Space Science. 2005. V. 53. № 1–3. P. 95–102. https://doi.org/10.1016/j.pss.2004.09.033

  28. Riazantseva M.O., Budaev V.P., Zelenyi L.M. et al. Dynamic properties of small-scale solar wind plasma fluctuations // Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2015. V. 373. № 2041. P. 20140146–20140146. https://doi.org/10.1098/rsta.2014.0146

  29. Greenstadt E.W. Binary index for assessing local bow shock obliquity // Geophysical Research. 1972. V. 77. № 28. P. 5467–5479. https://doi.org/10.1029/JA077i028p05467

  30. Formisano V. Orientation and shape of the Earth’s bow shock in three dimensions // Planetary and Space Science. 1979. V. 27. № 9. P. 1151–1161. https://doi.org/10.1016/0032-0633(79)90135-1

  31. Рязанцева М.О., Рахманова Л.С., Застенкер Г.Н. и др. Мелкомасштабные флуктуации плазмы солнечного ветра в быстрых и медленных потоках // Космич. исслед. 2019. Т. 57. № 6. С. 451–460.

  32. Boldyrev S., Perez J.C. Spectrum of Kinetic Alfven Turbulence // Astrophysical Journal Letters. 2012. V. 758. № 2. L44.

  33. Šafránková J., Němeček Z., Němec F. et al. Solar wind density spectra around the ion spectral break // The Astrophysical Journal. 2015. V. 803. № 2. 107. https://doi.org/10.1088/0004-637X/803/2/107

  34. Ермолаев Ю.И., Николаева Н.С., Лодкина И.Г., Ермолаев М.Ю. Каталог крупномасштабных явлений солнечного ветра для периода 1976–2000 гг. // Космич. исслед. 2009. Т. 47. № 2. С. 99–113.

Дополнительные материалы отсутствуют.