Исследование эволюции энергетического спектра флуктуаций солнечного ветра в рамках оболочечной МГД-модели

Подал: Дуканов Илья Алексеевич (очно)

Авторы
Дуканов И. А.(1) , Юшков Е. В.(2), Соколов Д. Д.(1)
Организации
(1) МГУ им М. В. Ломоносова, Физический факультет, Кафедра математики
(2) Институт космических исследований РАН
Секция
Физика солнечной системы
Подсекция
Солнечный ветер
Научный руководитель
Юшков Егор Владиславович
Место работы научного руководителя
Институт космических исследований РАН
Текст тезисов
Солнечный ветер представляет собой основное связующее звено в системе Солнце-Земля, но ни физика его формирования, ни физика эволюции еще до конца не ясны. Это факт являлся основной причиной запуска в 2018 году специальной спутниковой миссии Parker Solar Probe (PSP), по большей части сконцентрированной на вопросе исследования солнечного ветра. За первые пять лет работы эта миссия обеспечила специалистам огромный приток новых данных с высоким временным разрешением и большой вариацией гелиоцентрических расстояний. В частности, она позволила в деталях изучить спектры флуктуаций полей солнечного ветра: поля скорости и магнитного поля, и по-новому взглянуть на турбулентный каскад, формирующийся в межпланетной плазме.

Данные PSP подтвердили ранее обнаруженное наличие в картине спектральной плотности флуктуаций энергии магнитного поля двух изломов, первый из которых расположен вблизи субионного масштаба, второй - на левом конце инерционного интервала, то есть в области вихрей большого масштаба. Единого мнения на счет эволюции этих маркеров пока не сложилось, поэтому на данный момент изучение динамики этих изломов, ограничивающих инерционный интервал и определяющих турбулентный каскад, является ключевым. И если для описания околодиссипативного излома необходимым кажется привлечение кинетического подхода, то эволюцию крупномасштабного излома, видимо, можно описать, оставаясь в рамках магнитогидродинамической парадигмы. В настоящей работе, используя в качестве основы данные миссии PSP, мы описываем свободное вырождение турбулентного каскада с помощью оболочечной изотропной МГД-модели и стараемся повторить реально наблюдаемую эволюции излома спектра.

Для описания турбулентного каскада мы используем оболочечную (от англ. shell model) или, по-другому, каскадную модель, разработанную Ф. Плунианом и П.Г. Фриком. Класс оболочечных моделей для систем гидродинамического типа представляет из себя Фурье-образы системы МГД-уравнений, в которых образы нелинейных слагаемых приближены суммой квадратичных нелинейностей таким образом, чтобы в бездиссипативном случае выполнялись законы сохранения трехмерной МГД: сохранения полной энергии, магнитной и перекрестной спиральности. При этом непрерывная спектральная шкала заменяется набором дискретных спектральных оболочек, а в нелинейных слагаемых учитывается обмен энергией только между соседними оболочками. В таком подходе мы используем данные PSP вблизи Солнца как входные и изучаем в процессе свободного вырождения турбулентного каскада возможную эволюцию спектров и динамику движения крупномасштабного излома. Полученные результаты каскадного моделирования сравниваются с данными PSP на оси Солнце-Земля и на основании сравнения делается вывод о применимости оболочечного анализа и гипотезы свободного вырождения.

Авторы хотели бы выразить искреннюю благодарность П.Г. Фрику за полезные советы и предоставленную модель, а также команде Parker Solar Probe и CDAWEB за предоставленные спутниковые данные. Работа поддержана грантом фонда БАЗИС N 21-1-3-63-1

[1] Фрик П. Г. Турбулентность: подходы и модели. – 2003.
[2] Bale S. D. et al. The FIELDS instrument suite for Solar Probe Plus: measuring the coronal plasma and magnetic field, plasma waves and turbulence, and radio signatures of solar transients // Space science reviews. – 2016. – Т. 204. – С. 49-82.
[3] Bruno R., Carbone V. The solar wind as a turbulence laboratory // Living Reviews in Solar Physics. – 2013. – Т. 10. – С. 1-208.
[4] Chen C. H. K. et al. The evolution and role of solar wind turbulence in the inner heliosphere // The Astrophysical Journal Supplement Series. – 2020. – Т. 246. – №. 2. – С. 53.