Турбулентні процеси у хвості магнітосфери Землі: статистичний та спектральний аналіз

Рубрика: 
Космічна й атмосферна фізика
Козак, Л/, Петренко, Б, Кронберг, О, Прохоренков, А, Григоренко, О, Черемних, О, Черемних, С, Луї, Е, Козак, П, Кунделько, І
Косм. наука технол. 2018, 24 ;(3):55-68
https://doi.org/10.15407/knit2018.03.055
Мова публікації: Українська
Анотація: 
Дослідження процесів у хвості магнітосфери істотно ускладнюються наявністю турбулентності за рахунок розвитку нестійкостей, у результаті яких відбувається «катастрофічна» перебудова потоку і структури магнітного поля. Складні турбулентні процеси, які спостерігаються у магнітосфері Землі, не вдається описати в рамках аналітичних моделей МГД-течій. Для розгляду властивостей турбулентності на великих часових і просторових масштабах слід залучати методи статистичної фізики і каскадні моделі, розвинені в гідродинамічних теоріях. При цьому з експерименту вдається визначити статистичні властивості турбулентності, пов’язані з масштабною інваріантністю. Даний підхід дозволяє отримати уявлення про фізичні властивості турбулентності плазми і дає можливість якісно і кількісно описати процеси переносу в турбулентних областях. В ході роботи проаналізовано властивості дрібномасштабної розвиненої турбулентності у хвості магнітосфери Землі за вимірами ферозондових магнітометрів трьох космічних апаратів місії «Кластер-2» з частотою опитування 22.5 Гц для 17 жовтня 2005 року.
                Для досягнення поставленої цілі було використано фрактальні та мультифрактальні методи дослідження, які були доповнені спектральним та вейвлет-аналізом. Зокрема було проведено: аналіз крил функції густини ймовірності флуктуацій магнітного поля (фрактальний розгляд); аналіз розширеної самоподібності (ESS-аналіз, мультифрактальний розгляд); аналіз спектральної густини потужності (спектральні дослідження); аналіз амплітуди та wavelet power spectral сигналу (вейвлет-аналіз). В ході виконання роботи отримані залежності порівнювалися з наявними на сьогодні моделями опису як однорідних, так і неоднорідних турбулентних процесів. В результаті проведеного аналізу можна зробити висновок, що функція розподілу флуктуацій магнітного поля під час суббурі вказує на негауссову статистику процесів, а також на надлишок великомасштабних збурень, що генеруються джерелом. При порівнянні структурних функцій флуктуацій магнітного поля під час ініціації суббурі із моделями Колмогорова, Крейчнана та ізотропною логпуасонівською 3D-моделлю із параметрами Ше і Левека отримано, що дані турбулентні процеси неможливо описати ізотропними однорідними моделями, і, крім того, вони характеризуються наявністю супердифузії. Відмічається суттєва відмінність спектрального індексу для моментів до і під час ініціювання суббурі: так, до суббурі спектральний індекс приблизно відповідає до моделі Колмогорова, а під час суббурі він близький до індексу у моделі електрон-магніто-гідродинамічної турбулентності. Вейвлет-аналіз показав наявність як прямих, так і зворотних каскадних процесів, а також наявність Pс-пульсацій. 
Ключові слова: моделі розвитку суббурі, Рс-пульсації, спектри турбулентності у хвості магнітосфери Землі, турбулентні процеси, хвіст магнітосфери Землі
Повний текст (PDF)
 
References: 
1. Barenblatt G. I. Turbulent boundary layers at very high Reynolds numbers. Progress Math. Sci, 59 (1), 45—62 (2004), [In Russian].
2. Kozak L.V. Methods and approaches for determination of turbulent environment characteristics. Space Science and Technology, 22 (99), 60—77 (2016).
3. Kozak L.V., Pilipenko V. A., Chugunova O. M., Kozak P. N. Statistical analysis of the turbulence of a forshock region and earth’s magnetosheet. Cosmic Research, 49 (3), 202—212 (2011).
4. Kozak L. V., Savin S. P., Budaev V. P., Pilipenko V. A., Lezhen L. A Character of turbulence in the boundary regions of the Earth’s magnetosphere. Geomagnetism and Aeronomy, 52 (4), 445—455 (2012).
5. Kolmogorov A.N. The local structure of turbulence in incompressible viscous fluid for very large Reynolds numbers. USSR Academy Report, 30 (4), 299—303 (1941).
6. Cosmic geoheliophysic / Eds L. M. Zelenyi, I. S. Veselovskiy. 624 p. (Physmatlit, Moscow, 2008). 1,
7. Nishida A. Geomagnetic diagnose of the magnetosphere. Mir (Moscow), 300 P. (1980).
8. Frick P. G. The turbulence: models and approaches. Perm’s State Tech. Univ. Part II, 139 P. (1999).
9. Frish U. The turbulence: the heritage of A.N. Kolmogorov. Phasic (Moscow), 343 P. (1998).
10. Biskamp D., Schwarz E., Drake J. F. two-dimensional electron magnetohydrodynamic turbulence. Phys. Rev. Lett. 76, 1264—1272 (1996).
11. Benzi R., Ciliberto S., Tripiccione R., Baudet C., Massaioli F., Succi S. Extended self-similarity in turbulent flows. Phys. Rev. E. 48 (1), 29—32 (1993).
12. Chechkin A. V. Gonchar V. Y., Gorenflo R., Korabel N., Sokolov I. M. Generalized fractional diffusion equations for accelerating subdiffusion and truncated Levy flights. Phys. Rev. E. Stat. Nonlinear, Soft Matter Phys. 78 (2), 290—302 (2008).
13. Consolini G., Kretzschmar M., Lui A. T. Y., Zimbardo G., Macek W. M. On the magnetic field fluctuations during magnetospheric tail current disruption: A statistical approach. J. Geophys. Res. Sp. Phys. 110 (A7), 1—12 (2005).
14. Dubrulle B. Intermittency in fully developed turbulence: Log-poisson statistics and generalized scale covariance. Phys. Rev. Lett. 73 (7), 959—962 (1994).
15. Farge M. Wavelet Transforms and their Applications to Turbulence. Annu. Rev. Fluid Mech. 24 (1), 395—458 (1992).
16. Grinsted A. Moore J. C., Jevrejeva S. Application of the cross wavelet transform and wavelet coherence to geophysical time series. Nonlinear Process. Geophys. 11 (5/6), 561—566 (2004).
17. Hadid L.Z. Sahraoui F., Kiyani K. H., Retinò A., Modolo R., Canu P., Masters A., Dougherty M. K. Nature of the MHD and Kinetic Scale Turbulence in the Magnetosheath of Saturn: Cassini Observations. Astrophys. J. 813 (2) 29 p. (2015).
18. Handbook of the Solar-Terrestrial Environment. Eds Kamide Y., Chian A. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg. 539 P. (2007).
19. Jevrejeva S. Moore J. C., Grinsted A. Influence of the Arctic Oscillation and El Ni o-Southern Oscillation (ENSO) on ice conditions in the Baltic Sea: The wavelet approach. J. Geophys. Res. Atmos. 108 (D21), 4677—4708 (2003).
20. Kiyani K. H. Chapman S. C., Khotyaintsev Y. V., Dunlop M. W., Sahraoui F. Global Scale-Invariant Dissipation in Collisionless Plasma Turbulence. Phys. Rev. Lett. 103 (7), 75006 (4 p.) (2009).
21. Kiyani K. H. Chapman S. C., Sahraoui F., Hnat B., Fauvarque O., Khotyaintsev Y. V. Enhanced magnetic compressibility and isotropic scale invariance at sub-ion Larmor scales in solar wind turbulence. Astrophys. J. 763 (1), 10 p. (2013).
22. Kozak L. V., Lui A. T. Y., Kronberg E. A., Prokhorenkov A.S. Turbulent processes in Earth’s magnetosheath by Cluster mission measurements. J. Atmos. Solar-Terrestrial Phys. 154, 115—126 (2017).
23. Kozak L. V. Prokhorenkov A. S, Savin S. P. Statistical analysis of the magnetic fluctuations in boundary layers of Earth’s magnetosphere. Adv. Sp. Res. 56(10), 2091—2096 (2015).
24. Kraichnan R. H. The structure of isotropic turbulence at very high Reynolds numbers. J. Fluid Mech. 5, 497—543 (1959).
25. Kraichnan R. H. Convergents to turbulence functions. J. Fluid Mech. 41(1), 189—217 (1970).
26. Kronberg E .A., Ashour-Abdalla M., Dandouras I., Delcourt D. C., Grigorenko E. E., Kistler L. M., Kuzichev I. V., Liao J., Maggiolo R., Malova H. V., Orlova K. G., Peroomian V., Shklyar D. R., Shprits Y. Y., Welling D. T., Zelenyi L. M. Circulation of Heavy Ions and Their Dynamical Effects in the Magnetosphere: Recent Observations and Models. Space Sci. Rev. 184(1), 173—235 (2014).
27. Lopez R. E. Magnetospheric substorms. Johns Hopkins APL Tech. Dig. 11, 264—271 (1990).
28. Lui A. T. Y. Multiscale phenomena in the near-Earth magnetosphere. J. Atmos. Solar-Terrestrial Phys. 64 (2), 125—143 (2002).
29. Lui A. T. Y. Potential plasma instabilities for substorm expansion onsets. Space Sci. Rev. 113 (1), 127—206 (2004).
30. Lui A. T. Y., Zheng Y., Zhang Y., Livi S., Rème H., Dunlop M. W., Gustafsson G., Mende S. B., Mouikis C., Kistler L. M. Cluster observation of plasma flow reversal in the magnetotail during a substorm. Ann. Geophys. 24 (7), 2005—2013 (2006).
31. Paschmann G., Daly P. W. Spectral Analysis, Reprinted from Analysis Methods for Multi-Spacecraft Data. ISSI Scientific Report SR-001 (Electronic edition 1.1). 491 p. (2000).
32. Prokhorenkov A., Kozak L. V., Lui A. T. Y., Gala I. Diffusion processes in the transition layer of the Earth’s magnetosphere. Adv. Astron. Sp. Phys. 5(2), 99—103 (2015).
33. Rae I. J., Mann I. R., Angelopoulos V., Murphy K. R., Milling D. K., Kale A., Frey H. U., Rostoker G., Russell C. T., Watt C. E. J., Engebretson M. J., Moldwin M. B., Mende S. B., Singer H. J., Donovan E. F. Near-Earth initiation of a terrestrial substorm. J. Geophys. Res. Sp. Phys. 114 (7), 2156—2202 (2009).
34. Runov A., Angelopoulos V., Zhou X.-Z. Multipoint observations of dipolarization front formation by magnetotail reconnection. J. Geophys. Res. Sp. Phys. 117 (A5), 2156—2202 (2012).
35. Savin S., Amata E., Zelenyi L., Lutsenko V., Safrankova J., Nemecek Z., Borodkova N., Buechner J., Daly P. W., Kronberg E. A., Blecki J., Budaev V., Kozak L., Skalsky A., Lezhen L. Super fast plasma streams as drivers of transient and anomalous magnetospheric dynamics. Ann. Geophys. 30 (1), 1—7 (2012).
36. Savin S., Budaev V., Zelenyi L., Amata E., Sibeck D., Lutsenko V., Borodkova N., Zhang H., Angelopoulos V., Safrankova J., Nemecek Z., Blecki J., Buechner J., Kozak L., Romanov S., Skalsky A., Krasnoselsky V. Anomalous interaction of a plasma flow with the boundary layers of a geomagnetic trap. JETP Lett. 93 (12), 754—762 (2011).
37. She Z.-S., Leveque E. Universal scaling laws in fully developed turbulence. Phys. Rev. Lett. 72 (3), 336—339 (1994).
38. THOR Exploring plasma energization in space turbulence. Assessment Study Report ESA/SRE. 109 p. (2017).
39. Torrence C., Compo G. P. A Practical Guide to Wavelet Analysis. Bull. Am. Meteorol. Soc. 79 (1), 61—78 (1998).
40. Treumann R. A., Brostrom L., LaBelle J., Sckopke N. The plasma wave signature of a “magnetic hole” in the vicinity of the magnetopause. J. Geophys. Res. 95 (A11), 19099—19144 (1990).