Изучение магнитного пересоединения, универсального и фундаментального многомасштабного процесса в горячей космической плазме, отвечающего за взрывообразное высвобождение накопленной магнитной энергии с преобразованием ее в энергию плазмы в различных областях плазменной вселенной, включая околоземное пространство, является одной из главных задач физики космической плазмы и ее приложений к прогнозированию последствий космической погоды. В настоящее время реализуется активная фаза многоспутникового международного проекта MMS, в фокусе которого - процессы малого (электронного) масштаба "в сердце" магнитного пересоединения (в его электронной и ионной диффузионной областях). Хотя пока программа наблюдений спутников MMS была сконцентрирована на измерениях в областях пересоединения на дневной магнитопаузе, начиная с 2017 г. будут проведены уникальные измерения в хвосте магнитосферы, где эпизоды интенсивного пересоединения вызывают интенсивные магнитосферные суббури, события глобального взрывного энерговыделения оказывающие значительные воздействия на функционирование спутниковых систем и пр.
В данном синергетическом проекте мы объединим опыт теоретического (аналитического и численного, в т.ч. кинетического PIC и глобального МГД) моделирования проявлений пересоединения и обширный опыт спутниковых многомасштабных исследований магнитосферных явлений и предлагаем, опираясь на уникальные инструментальные и конфигурационные возможности спутников MMS, рассмотреть ряд нерешенных вопросов необходимых для более глубокого понимания процесса пересоединения и его средне- и крупномасштабных последствий в магнитосфере в периоды суббурь. Вкратце, на основе теоретического (аналитического и численного) анализа и экспериментального исследования (данных спутников MMS, а также THEMIS, DMSP, POES и наземных сетевых наблюдений) мы построим многомасштабную полуаналитическую модель процесса квазистационарного пересоединения (решим прямую и обратную задачу), и изучим его последствия, включая кинетические масштабы (процессы, контролирующих высыпания электронов в ионосферу из плазменного выброса пересоединения (BBF)), среднемасштабные структуры (структуру и движения внешней границы плазменного слоя и инжекций плазменных трубок) и заканчивая крупномасштабной динамикой (объединение выбросов BBF и формирование обширной области диполизации). В результате проекта мы ожидаем получить следующие новые результаты:
(1) Разработать первую полуаналитическую многомасштабую модель квазастационарного пересоединения, справедливую на электронном, ионном и глобальном масштабах, протестировать ее на синтетических данных PIC моделирования и опробовать на данных спутникеов MMS. Для достижения этой цели будет проведена серия PIC моделирований параметров электромагнитного поля и плазмы внутри электронной диффузионной области и построена полуаналитическая модель граничных условий, необходимых для построения решения в ионной диффузионной области и на глобальном матабе. При этом будут найдены условия формирования альфвеновского разрыва и аналога медленной ударной волны в зависимости от праметра Холла. В результате будет развита теория квазистационарного пересоединения в космической бесстолкновительной плазме, которая будет проверена на результатах PIC моделирования и сопоставлена с данными проекта MMS.
(2) Полуаналитическая многомасштабная модель квазастационарного пересоединения будет использована для разработки алгоритма решения обратной задачи восстановления параметров электромагнитного поля и плазмы по данным одного спутника пересекающего слой пересоединения. Будет разработан програмный код, опробован на синтетических данных PIC моделирования и затем протестирован на данных MMS миссии. Результаты предполагается обобщить и опробывать на несимметричных токовых слоях применительно к событиям пересоединения на магнитопаузе.
(3) Структура ионных и электронных пучков и электромагнитного поля в окрестности магнитной сепаратрисы вдали от активной области пересоединения будет исследована по измерениям спутников MMS (и других спутников); на основе этих данных будут установлены связь этих проявлений с многомасштабной структурой области пересоединения и определены возможности дистанционного зондирования характеристик пересоединения при пересечениях спутниками удаленных участков сепаратрисы. Для понимания природы быстрых перемещений границы плазменного слоя (PSBL) будут изучены влияния вариаций интенсивности пересоединения и изменений токовых систем суббури на перемещения границы PSBL.
(4) Используя глобальное МГД моделирование в комбинации со спутниковыми наблюдениями, будет изучена динамика на средних и макро- масштабах замкнутых трубок плазменного слоя, выбрасываемых из области пересоединения; основное внимание будет уделено заключительной стадии инжекции трубок во внутреннюю магнитосферу. В результате анализа мы ожидаем установить основные причины наблюдаемых радиальных колебаний трубок в области торможения, количественно описать предикторы инжекций и зависимость глубины их проникновения от магнитной конфигурации и энтропийного параметра инжектируемых трубок, а также различия эффективности инжекций от фазы суббури.
(5) Исследуя в струйных течениях взаимодействия электронов с волновой активностью, оказывающей влияние на нагрев и высыпания электронов в ионосферу, и тем самым формирующую оптические изображения струйных течений (авроральные стримеры), мы рассчитываем получить статистическую информацию о связи анизотропии электронов с коэффициентами питч-угловой диффузии разных мод волн и их распределении в BBF структуре, и установить моды волн, дающие основной вклад в рассеяние электронов и их высыпание в ионосферу.
.
(6) При исследовании глобальной динамики магнитосферных процессов (по спутниковым измерениям) и их ионосферных проявлений (электроджеты, сияния) в событиях сильных суббурь с использованием многопозиционных многомасштабных измерений магнитосферной динамики, адаптивных магнитосферных моделей и алгоритмов обработки сетевых геомагнитных данных (и с поддержкой глобальным МГД моделированием этих событий), мы изучим – как локализованные выбросы пересоединения (BBF) взаимодействуют, формируя азимутально-протяженные области токового клина суббури и инжекций во внутреннюю магнитосферу, и получим прямые наблюдательные подтверждения связи генерации BBF с эпизодами быстрого пересоединения (по измерениям MMS). Для обеспечения пространственно-непрерывной диагностики активности будет разработан новый метод получения региональных характеристик авроральных электроджетов.
Все упомянутые результаты являются новыми в мировой практике, их общественно-научная значимость определяется важной ролью магнитного пересоединения во взрывообразных явлениях в природных плазменных системах (астрофизика, Солнце, околоземное пространство), включая магнитосферные бури и суббури в магнитосфере Земли. Практический же интерес связан с сильным влиянием экстремальных процессов космической погоды (в т.ч. магнитосферных суббурь) на спутниковые системы разного назначения, на функционирование длинных проводящих систем (трубопроводы, электросети, ЖД и пр) в высоких широтах, и с необходимостью учета закономерностей процесса пересоединения при построении методик мониторинга\прогноза воздействий космической погоды в практических целях.
