с 01.01.2014 по настоящее время
Москва, Россия
Москва, Россия
Москва, Россия
Москва, Россия
Москва, Россия
Магнитослой, являясь переходной областью между солнечным ветром и магнитосферой, может вносить вклад в степень геоэффективности различных крупномасштабных явлений в межпланетной среде. В настоящей работе на основе статистического анализа характеристик турбулентности плазмы в магнитоcлое на разной удаленности от головной ударной волны рассматривается динамика спектра турбулентных флуктуаций при стационарном течении солнечного ветра и при взаимодействии с магнитосферой коронального выброса массы и области коротирующего взаимодействия. Показано, что при пересечении головной ударной волны для всех типов солнечного ветра происходит изменение свойств спектров и при дальнейшем распространении плазмы к флангам магнитослоя характеристики турбулентности, как правило, восстанавливаются. Однако в периоды корональных выбросов массы в развитии турбулентного каскада наблюдаются особенности. Кроме того, для событий, относящихся к возмущенному солнечному ветру, имеется связь между характеристиками турбулентности на субионных масштабах и параметрами окружающей космической среды, такими как плазменный параметр β, угол θBN между нормалью к ударной волне и вектором межпланетного магнитного поля, скорость плазмы солнечного ветра, а также расстояние до границ магнитослоя.
солнечный ветер, магнитослой, турбулентность, космическая плазма
1. Бархатов Н.А., Беллюстин, Н.С., Бужере, Ж.-Л. и др. Влияние магнитного поля солнечного ветра на турбулентность переходной области за отошедшей ударной волной. Известия вузов. Радиофизика. 2001. Т. 44, № 12. С. 993–1002.
2. Бархатов Н.А., Воробьев В.Г., Ревунов С.Е. и др. Cуббуревая активность и ориентация фронта ударной волны межпланетного магнитного облака. Геомагнетизм и аэрономия. 2019. Т. 59, № 4. С. 427–436.
3. Бархатова О.М., Воробьев В.Г., Бархатов Н.А., Ревунов С.Е. УНЧ-возмущения, вызванные турбулентной оболочкой межпланетных магнитных облаков. Известия РАН. Серия физическая. 2021. Т. 85, № 3. С. 331–335.
4. Ермолаев Ю.И., Николаева Н.С., Лодкина И.Г., Ермолаев М.Ю. Каталог крупномасштабных явлений солнечного ветра для периода 1976–2000 гг. Космические исследования. 2009. Т. 47, № 2. С. 99–113.
5. Ирошников Р.С. Турбулентность проводящей жидкости в сильном магнитном поле. Советская астрономия. 1963. Т. 40. С. 742–750.
6. 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.
7. Рахманова Л.С., Рязанцева М.О., Застенкер Г.Н. и др. Влияние характеристик турбулентности плазмы солнечного ветра на свойства турбулентного каскада в магнитослое. Космические исследования. 2019. Т. 57, № 6. С. 461–468.
8. Рахманова Л.С., Рязанцева М.О., Застенкер Г.Н. и др. Зависимость свойств турбулентного каскада за околоземной ударной волной от динамики параметров солнечного ветра. Космические исследования. 2020. Т. 58, № 6. С. 1–9.
9. Рязанцева М.О., Рахманова Л.С., Застенкер Г.Н., Ермолаев Ю.И. и др. Мелкомасштабные флуктуации плазмы солнечного ветра в быстрых и медленных потоках. Космические исследования. 2019. Т. 57, № 6. С. 451–460.
10. Alexandrova O., Mangeney A., Maksimovic M., et al. Alfvén vortex filaments observed in magnetosheath downstream of a quasi-perpendicular bow shock. J. Geophys. Res. 2006. Vol. 111. A12208. DOI:https://doi.org/10.1029/2006JA011934.
11. Alexandrova O., Carbone V., Veltri P., Sorriso-Valvo L. Solar wind cluster observations: turbulent spectrum and role of Hall effect. Planetary Space Sci. 2007. Vol. 55. P. 2224–2227. DOI:https://doi.org/10.1016/j.pss.2007.05.022.
12. Alexandrova O., Lacombe C., Mangeney A. Spectra and anisotropy of magnetic fluctuations in the Earth’s magnetosheath: cluster observations. Ann. Geophys. 2008. Vol. 26. P. 3585–3596. DOI:https://doi.org/10.5194/angeo-26-3585-2008.
13. Alexandrova O., Saur J., Lacombe C., Mangeney A. Universality of solar-wind turbulent spectrum from MHD to electron scales. Phys. Rev. Lett. 2009. Vol. 103, no. 16. 165003. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.103.165003.
14. Alexandrova O., Chen C.H.K., Sorriso-Valvo L., et al. Solar wind turbulence and the role of ion instabilities. Space Sci. Rev. 2013. Vol. 178. P. 101–139. DOI:https://doi.org/10.1007/s11214-013-0004-8.
15. Angelopoulos V. The THEMIS Mission. Space Sci.Rev. 2008. Vol. 141. P. 5–34. DOI:https://doi.org/10.1007/s11214-008-9336-1.
16. Auster H.U., Glassmeier K.H., Magnes W., et al. The THEMIS fluxgate magnetometer. Space Sci. Rev. 2008. Vol. 141. P. 235–264. DOI:https://doi.org/10.1007/s11214-008-9365-9.
17. Bandyopadhyay R., Matthaeus W.H., Parashar T.N., et al. Statistics of kinetic dissipation in the Earth’s magnetosheath: MMS observations. Phys. Rev. Lett. 2020. Vol. 124. 255101. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.255101.
18. Boldyrev S., Perez J.C. Spectrum of kinetic Alfvén turbulence. Astrophys. J. Lett. 2012. Vol. 758, no. 2. 5. DOI: 10.1088/ 2041-844 8205/758/2/L44.
19. Borovsky J.E. The velocity and magnetic field fluctuations of the solar wind at 1 AU: Statistical analysis of Fourier spectra and correlations with plasma properties. J. Geophys. Res. 2012. Vol. 117. A05104. DOI:https://doi.org/10.1029/2011JA017499.
20. Bruno R., Carbone V. The solar wind as a turbulence laboratory. Living Reviews in Solar Physics. 2013. Vol. 10. P. 7. DOI: 10.12942/ lrsp-2013-2.
21. Chen C.H.K., Boldyrev S. Nature of kinetic scale turbulence in the Earth’s magnetosheath. Astrophys. J. 2017. Vol. 842. 122. DOI:https://doi.org/10.3847/1538-4357/aa74e0.
22. Chen C.H.K., Horbury T.S., Schekochihin A.A., et al. Anisotropy of solar wind turbulence between ion and electron scales. Phys. Rev. Lett. 2010. Vol. 104. 255002. DOI: 10.1103/ PhysRevLett.104.255002.
23. Chen C.H.K., Boldyrev S., Xia Q., Perez J.C. Nature of Subproton Scale Turbulence in the Solar Wind. Phys. Rev. Lett. 2013. Vol. 110, no. 22. 225002. DOI:https://doi.org/10.1103/Phys-RevLett.110.225002.
24. Chen C.H., Leung L., Boldyrev S., et al. Ion-scale spectral break of solar wind turbulence at high and low beta. Geophys. Res. Lett. 2014. Vol. 41. P. 8081–8088. DOI:https://doi.org/10.1002/2014 GL062009.
25. Goldreich P., Sridhar S. Toward a theory of interstellar turbulence. II. Strong Alfvénic turbulence. Astrophys. J. 1995. Vol. 438. P. 763–775. DOI:https://doi.org/10.1086/175121.
26. Greenstadt E.W. Binary index for assessing local bow shock obliquity. J. Geophys. Res. 1972. Vol. 77. P. 5467–5479. DOI:https://doi.org/10.1029/JA077i028p05467.
27. Gutynska O., Šafránková J., Němeček Z. Correlation properties of magnetosheath magnetic field fluctuations. J. Geophys. Res. 2009. Vol. 114, A08207. DOI:https://doi.org/10.1029/2009JA014173.
28. Howes G.G., TenBarge J.M., Dorland W., et al. Gyrokinetic simulations of solar wind turbulence from ion to electron scales. Phys. Rev. Lett. 2011. Vol. 107, no. 3. 035004. DOI: 10.1103/ PhysRevLett.107.035004.
29. Huang S.Y., Sahraoui F., Deng X.H., et al. Kinetic turbulence in the terrestrial magnetosheath: Cluster observations. Astrophys. J. 2014. Vol. 789. L28. DOI:https://doi.org/10.1088/2041-8205/789/2/L28.
30. Huang S.Y., Hadid L.Z., Sahraoui F., et al. On the existence of the Kolmogorov inertial range in the terrestrial magnetosheath turbulence. Astrophys. J. Lett. 2017, Vol. 836, no. 1. L10. DOI:https://doi.org/10.3847/2041-8213/836/1/L10.
31. Kiyani K.H., Chapman S.C., Khotyaintsev Y.V., et al. Global scale-invariant dissipation in collisionless plasma turbulence. Phys. Rev. Lett. 2009. Vol. 103, no. 7. 075006. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.103.075006.
32. Kiyani K.H., Osman K.T., Chapman S.C. Dissipation and heating in solar wind turbulence: from the macro to the micro and back again. Philosophical Trans. of the Royal Society of London. Ser. A. 2015. 373:20140155. DOI: 10.1098/ rsta.2014.0155.
33. Klein K.G., Howes G.G., Tenbarge, J.M. The violation of the taylor hypothesis in measurements of solar wind turbulence. Astrophys. J. Lett. 2014. Vol. 790. 20. DOI:https://doi.org/10.1088/2041-8205/790/2/L20.
34. Kraichnan R.H. Inertial‐Range Spectrum of Hydromagnetic Turbulence. Phys. Fluids. 1965. Vol. 8. P. 1385–1387. DOI:https://doi.org/10.1063/1.1761412.
35. Lacombe C., Belmont G. Waves in the Earth’s magnetosheath: observations and interpretations. Adv. Space Res. 1995. Vol. 15. P. 329–340. DOI:https://doi.org/10.1016/0273-1177(94)00113-F.
36. Lacombe C., Alexandrova O., Matteini L., et al. Whistler Mode Waves and the Electron Heat Flux in the Solar Wind: Cluster Observations. Astrophys. J. 2014. Vol. 796, no. 1. P. 5. DOI:https://doi.org/10.1088/0004-637X/796/1/5.
37. Lepping R.P., Acũna M.H., Burlaga L.F., et al. The WIND magnetic field investigation. Space Sci Rev. 1995. Vol. 71. P. 207–229. DOI:https://doi.org/10.1007/BF00751330.
38. Li H., Jiang W., Wang C., et al. Evolution of the Earth’s magnetosheath turbulence: a statistical study based on MMS observations. Astrophys. J. 2020. Vol. 898. L43. DOI: 10.3847/ 2041-8213/aba531.
39. Macek W.M., Krasinska A., Silveira M.V.D., et al. Magnetospheric multiscale observations of turbulence in the magnetosheath on kinetic scales. Astrophys. J. 2018. Vol. 864. L29. DOI:https://doi.org/10.3847/2041-8213/aad9a8.
40. Ogilvie K.W., Chornay D.J., Fritzenreiter R.J., et al. SWE, a comprehensive plasma instrument for the WIND spacecraft. Space Sci Rev. 1995. Vol. 71. P. 55–77. DOI: 10.1007/ BF00751326.
41. Rakhmanova L., Riazantseva M., Zastenker G. Plasma fluctuations at the flanks of the Earth’s magnetosheath at ion kinetic scales. Ann. Geophys. 2016. Vol. 34, P. 1011–1018. DOI:https://doi.org/10.5194/angeo-34-1011-2016.
42. Rakhmanova L., Riazantseva M., Zastenker G., Verigin M. Kinetic scale ion flux fluctuations behind the quasi-parallel and quasi-perpendicular bow shock. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2018. Vol. 123. P. 5300–5314. DOI:https://doi.org/10.1029/2018JA025179.
43. Rakhmanova L., Riazantseva M., Zastenker G., et al. Dynamics of plasma turbulence at Earth’s bow shock and through the magnetosheath. Astrophys. J. 2020. Vol. 901. 30. DOI: 10.3847/ 1538-4357/abae00.
44. Rakhmanova L., Riazantseva M., Zastenker G. Plasma and Magnetic Field Turbulence in the Earth’s Magnetosheath at Ion Scales. Front. Astron. Space Sci. 2021. Vol. 7. 616635. DOI:https://doi.org/10.3389/fspas.2020.616635.
45. Rakhmanova L., Riazantseva M., Zastenker G., Yermolaev Y. Large-Scale Solar Wind Phenomena Affecting the Turbulent Cascade Evolution behind the Quasi-Perpendicular Bow Shock. Universe. 2022. Vol. 8, no. 12. 611. DOI: 10.3390/ universe8120611.
46. Rakhmanova L., Riazantseva M., Zastenker G., Yermolaev Y. Role of the variable solar wind in the dynamics of small-scale magnetosheath structures. Front. Astron. Space Sci. 2023. 10:1121230. DOI:https://doi.org/10.3389/fspas.2023.1121230.
47. Riazantseva M.O., Budaev V.P., Zelenyi L.M., et al. Dynamic properties of small-scale solar wind plasma fluctuations. Philosophical Trans. of the Royal Society of London. Ser. A. 2015. Vol. 373. 20140146. DOI:https://doi.org/10.1098/rsta.2014.0146.
48. Roberts O.W., Narita Y., Nakamura R., et al. Anisotropy of the spectral index in ion scale compressible turbulence: MMS observations in the magnetosheath. Front. Phys. 2019. Vol. 7. 184. DOI:https://doi.org/10.3389/fphy.2019.00184.
49. Safránková J., Němeček Z., Němec F., et al. Solar wind density spectra around the ion spectral break. Astrophys. J. 2015. Vol. 803. 107. DOI:https://doi.org/10.1088/0004-637X/803/2/107.
50. Sahraoui F., Belmont G., Rezeau L., et al. Anisotropic turbulent spectra in the terrestrial magnetosheath as seen by the cluster spacecraft. Phys. Rev. Lett. 2006. Vol. 96. 075002. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.96.075002.
51. Sahraoui F., Hadid L., Huang S. Magnetohydrodynamic and kinetic scale turbulence in the near-Earth space plasmas: a (short) biased review. Rev. Modern Physics. 2020. Vol. 4. 4. DOI:https://doi.org/10.1007/s41614-020-0040-2.
52. Schekochihin A.A., Cowley S.C., Dorland W., et al. Astrophysical gyrokinetics: kinetic and fluid turbulent cascades in magnetized weakly collisional plasmas. Astrophys. J. Suppl. 2009. Vol. 182. P. 310–377. DOI:https://doi.org/10.1088/0067-0049/182/1/310.
53. Schwartz S.J., Burgess D., Moses J.J. Low-frequency waves in the Earth’s magnetosheath: present status. Ann. Geophys. 1996. Vol. 14. P. 1134–1150. DOI:https://doi.org/10.1007/s00585-996-1134-z.
54. Shevyrev N., Zastenker G.N., Nozdrachev M.N., et al. High and low frequency large amplitude variations of plasma and magnetic field in the magnetosheath: radial profile and some features. Adv. Space Res. 2003. Vol. 31, no. 5. P. 1389–1394.
55. Shue J.-H., Chao J.K., Fu H.C., et al. Magnetopause location under extreme solar wind conditions. J. Geophys. Res. 1998. Vol. 103, iss. A8. P. 17691–17700. DOI:https://doi.org/10.1029/98JA01103.
56. Spreiter J.R., Summers A.L., Alksne A.Y. Hydromagnetic flow around the magnetosphere. Planet. Space Sci. 1966. Vol. 14. P. 223–253.
57. Stawarz J.E., Eastwood J.P., Phan T.D., et al. Properties of the turbulence associated with electron-only magnetic reconnection in Earth’s magnetosheath. Astrophys. J. 2019. Vol. 877. L37. DOI:https://doi.org/10.3847/2041-8213/ab21c8.
58. Taylor G.I. The spectrum of turbulence. Proc. R. Soc. A Math. Phys. Eng. Sci. 1938. Vol. 164. P. 476–490. DOI:https://doi.org/10.1098/rspa. 1938.0032.
59. 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. Adv. Space Res. 2001. Vol. 28, no. 6. P. 857–862. DOI:https://doi.org/10.1016/S0273-1177(01)00502-6.
60. Vörös Z., Yordanova E., Khotyaintsev Y.V., et al. Energy conversion at kinetic scales in the turbulent magnetosheath. Frontiers in Astronomy and Space Sciences. Sci. 2019. Vol. 6. 60. DOI:https://doi.org/10.3389/fspas.2019.00060.
61. Yermolaev Y.I., Lodkina I.G., Nikolaeva N.S., Yermolaev M.Y. Dynamics of large-scale solar-wind streams obtained by the double superposed epoch analysis. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2015. Vol. 120. P. 7094–7106. DOI: 10.1002/ 2015JA021274.
62. Yordanova E., Vaivads A., André M., et al. Magnetosheath plasma turbulence and its spatiotemporal evolution as observed by the cluster spacecraft. Phys. Rev. Lett. 2008. Vol. 100. 205003. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.100.205003.
63. Yordanova E., Vörös Z., Raptis S., Karlsson T. Current sheet statistics in the magnetosheath. Frontiers in Astronomy and Space Sciences. 2020. Vol. 7. 2. DOI:https://doi.org/10.3389/fspas.2020.00002.
64. URL: https://themis.ssl.berkeley.edu/orbits (дата обращения 23 ноября 2023 г.).
65. URL: http://www.iki.rssi.ru/pub/omni (дата обращения 23 ноября 2023 г.).
66. URL: https://rscf.ru/project/22-72-00105/ (дата обращения 23 ноября 2023 г.).
