Космические исследования, 2020, T. 58, № 6, стр. 503-512

Характеристики турбулентного потока солнечного ветра в областях компрессии плазмы

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

1 Институт космических исследований РАН
г. Москва, Россия

* E-mail: orearm@gmail.com

Поступила в редакцию 25.03.2020
После доработки 05.05.2020
Принята к публикации 29.05.2020

Аннотация

Работа посвящена исследованию свойств спектров турбулентных флуктуаций солнечного ветра в областях компрессии плазмы таких как CIR – области сжатия плазмы перед высокоскоростными потоками из корональных дыр, и SHEATH – области сжатия перед межпланетными проявлениями корональных выбросов массы EJECTA и магнитными облаками MC. Рассматриваются спектры флуктуаций потока ионов как на магнитогидродинамических, так и на ионно-кинетических масштабах на основе данных спектрометра БМСВ на КА СПЕКТР-Р с высоким вплоть до 31 мс временным разрешением. Сравнение турбулентных характеристик в областях сжатия плазмы и в невозмущенном солнечном ветре проводится как на отдельном примере, так и на обширном статистическом материале. В работе показано, что характеристики турбулентного каскада на кинетическом интервале могут значительно меняться в областях компрессии плазмы, в них выявлены признаки смены основных процессов определяющих диссипацию энергии, что может быть причиной усиления нагрева в рассматриваемых областях.

DOI: 10.31857/S0023420620060096

Список литературы

  1. Bruno R., Carbone V. The solar wind as a turbulence laboratory // Living Reviews in Solar Physics. 2013. V.10. № 2. https://doi.org/10.12942/lrsp-2013-2

  2. Matthaeus W.H., Velli M. Who Needs Turbulence? // Space Science Reviews. 2011. V. 160. P. 145–168. https://doi.org/10.1007%2Fs11214-011-9793-9

  3. Riazantseva M.O., Budaev V.P., Rakhmanova L.S. et al. Variety of shapes of solar wind ion flux spectra: Spektr-R measurements // J. Plasma Physics. 2017. V. 83. № 4. P.705830401. https://doi.org/10.1017/S0022377817000502

  4. Alexandrova O., Chen C.H.K., Sorisso-Valvo L. et al. Solar wind turbulence and the role of ion instabilities // Space Science Reviews. 2013. V. 178. P. 101–139. https://doi.org/10.1007/s11214-013-0004-8

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

  6. 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. A. 2015. V. 373. P. 20140146. https://doi.org/10.1098/rsta.2014.0146

  7. Budaev V.P., Zelenyi L.M., Savin S.P. Generalized self-similarity of intermittent plasma turbulence in space and laboratory plasmas // J. Plasma Physics. 2015. V. 81. P. 395810602. https://doi.org/10.1017/S0022377815001099

  8. Schekochihin A.A., Cowley S.C., Dorland W. et al. Astrophysical gyrokinetics: kinetic and fluid turbulent cascades in magnetized weakly collisional plasmas // Astrophysical J. Supplement Series. 2009. V. 182. P. 310–377. https://doi.org/10.1088/0067-0049/182/1/310

  9. Safrankova J., Nemecek Z., Nemec F. et al. Solar wind density spectra around the ion spectral break // Astrophysical J. 2015. V. 803. P. 107. https://doi.org/10.1088/0004-637X/803/2/107

  10. 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. (Cosmic Research. P. 434–442.) https://doi.org/10.1134/S0010952519060078

  11. Smith C.W., Hamilton K., Vasquez B.J., Leamon R.J. Dependence of the Dissipation Range Spectrum of Interplanetary Magnetic Fluctuationson the Rate of Energy Cascade // Astrophysical J. 2006. V. 645(1). P. 85–88. https://doi.org/10.1086/506151

  12. Alexandrova O., Saur J., Lacombe C. et al. Universality of solar-wind turbulent spectrum from MHD to electron scales // Physical Review Letters. 2009. V. 103. P. 165 003. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.103.165003

  13. Chen C.H.K., Salem C.S., Bonnel J.W. et al. Density fluctuation spectrum on solar wind turbulence between ion and electron scales // Physical Review Letters. 2012. V. 109. P. 035001. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.109.035001

  14. Boldyrev S., Perez J.C. Spectrum of kinetic-Alfvén turbulence // Astrophysical J. 2012. V. 758. P. 44. https://doi.org/10.1088/2041-8205/758/2/L44

  15. 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 // J. Geophysical Research. 2008. V. 113 (A12). P. 5103. https://doi.org/10.1029/2007JA012665

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

  17. Ермолаев Ю.И., Николаева Н.С., Лодкина И.Г., Ермолаев М.Ю. Каталог крупномасштабных явлений солнечного ветра для периода 1976–2000 // Космич. Исслед. 2009. Т. 47 № 2. С. 99–113. (Cosmic Research. P. 81–94.) https://doi.org/10.1134/S0010952509020014

  18. 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.) https://doi.org/10.1134/S0010952515010098

  19. 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. https://doi.org/10.1007/s11214-013-9979-4

  20. 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.) https://doi.org/10.1134%2FS0010952513020093

  21. Unti T.W.J., Neugebauer M., Goldstein B.E. Direct measurements of solar-wind fluctuations between 0.0048 and 13.3 Hz // Astrophysical J. 1973. V.180, P. 591–598. https://doi.org/10.1086/151987

  22. Celnikier L.M., Muschietti L., Goldman M.V. Aspects of interplanetary plasma turbulence // Astronomy and Astrophysics. 1987. V. 181. № 1. P. 138–154.

  23. Smirnov V.N., Vaisberg O.L. Further analysis of non-linear density fluctuations in the foot of quasi-perpendicular shock // Advances in Space Research. 1995. V. 15. № 8/9. P. 297. https://doi.org/10.1016/0273-1177(94)00109-E

  24. Kellogg P.J., Horbury T.S. Rapid density fluctuations in the solar wind // Annales Geophysicae. 2005. V. 23. № 12. P. 3765–3773. https://doi.org/10.5194/angeo-23-3765-2005

  25. Bandyopadhyay R., Chasapis A., Chhiber R. et al. Solar Wind Turbulence Studies Using MMS Fast Plasma Investigation Data // Astrophysical J. 2018. V. 866. № 2. https://doi.org/10.3847/1538-4357/aade93

  26. Ogilvie K., Chornay D., Fritzenreiter R. SWE, a comprehensive plasma instrument for the wind spacecraft // Space Science Reviews. 1995. V. 71. № 1–4. P. 55–77. https://doi.org/10.1007/BF00751326

  27. Lepping R.P., Acuna M.H., Burlaga L.F. et al. The WIND magnetic field investigation // Space Science Reviews. 1995. V. 71. P. 207. https://doi.org/10.1007/BF00751330

  28. Ермолаев Ю.И., Лодкина И.Г., Николаева Н.С., Ермолаев М.Ю. Статистическое исследование влияния межпланетных условия на геомагнитные бури. 2. Вариации параметров // Космич. исслед. 2011. Т. 49. № 1. С. 24–37. (Cosmic Research. P. 21–34.) https://doi.org/10.1134/S0010952511010035

  29. Leamon R.J., Matthaeus W.H., Smith C.W. et al. MHD-driven Kinetic Dissipation in the Solar Wind and Corona // Astrophysical J.2000. V. 537. № 2. P. 1054–1062. https://doi.org/10.1086/309059

  30. Ирошников П.С. Турбулентность в потоке проводящей жидкости в сильном магнитном поле // Астрономический журнал. 1963. V. 40. P. 742. (Sov. Astron. 1964. V. 7 P. 566.)

  31. Kraichnan R.H. Inertial-range spectrum of hydromagnetic turbulence // Physics of Fluids. 1965. V. 8. P. 1385. https://doi.org/10.1063/1.1761412

  32. Borovsky J. The velocity and magnetic field fluctuations of the solar wind at 1 AU: statistical analysis of Fourier spectra and correlations with plasma properties // J. Geophysical Research. 2012. V. 117. P. A05104. https://doi.org/10.1029/2011JA017499

  33. Bruno R., Trenchi L., Telloni D. Spectral Slope Variation at Proton Scales from Fast to Slow Solar Wind // Astrophysical J. Letters. 2014. V. 793. № 1. P. L15. https://doi.org/10.1088/2041-8205/793/1/L15

  34. Рязанцева М.О., Рахманова Л.С., Застенкер Г.Н. и др. Особенности спектральных характеристик плазменных флуктуаций в различных крупномасштабных потоках солнечного ветра // Геомагнетизм и аэрономия. 2019. Т. 59. № 2. С. 139–147. https://doi.org/10.1134/S0016793219020117

  35. Pitna A., Safrankova J., Nemcek Z. et al. Density fluctuations upstream and downstream of interplanetary shocks // Astrophysical J. 2016. V. 819. P. 41. https://doi.org/10.3847/0004-637X/819/1/41

  36. 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 J. 2008. V. 675. № 2. P. 1576–1583. https://doi.org/10.1086/527431

  37. Safrankova J., Nemecek Z., Nemec F. et al. Power spectral density of fluctuations of bulk and thermal speeds in the solar wind // Astrophysical J. 2016. V. 825. № 2. P. 121. https://doi.org/10.3847/0004-637X/825/2/121

  38. Leamon R.J., Smith C.W., Ness N.F. et al. Observational constraints on the dynamics of the interplanetary magnetic field dissipation range // J. Geophysical Research. 1998. V. 103. №A3. P. 4775–4787. https://doi.org/10.1029/97JA03394

  39. Chen C.H.K., Leung L., Boldyrev S. et al. Ion-scale spectral break of solar wind turbulence at high and low beta // Geophysical Research Letters. 2014. V. 41. P. 8081–8088. https://doi.org/10.1002/2014GL062009

Дополнительные материалы отсутствуют.