Моделирование мультифрактального турбулентного электромагнитного поля в космической плазме

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Предложена двумерная модель мультифрактального турбулентного электромагнитного поля, позволяющая гибко варьировать ширину мультифрактального спектра и уровень перемежаемости. Моделирование электромагнитного поля происходит при помощи суперпозиции вейвлетов, которые распределяются равномерно по всей вычислительной области. Путем специального распределения амплитуд мы добиваемся того, чтобы результирующее поле было мультифрактальным и перемежаемым. При помощи данной модели исследовалось влияние мультифрактальности и перемежаемости на ускорение заряженных частиц в турбулентном поле в хвосте магнитосферы Земли. Показано, что в случае мультифрактального поля отдельные частицы способны достичь больших значений энергии по сравнению с монофрактальной турбулентностью.

Об авторах

Н. Н. Левашов

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова; Институт космических исследований РАН

Email: nn.levashov@physics.msu.ru
Россия, Москва; Россия, Москва

В. Ю. Попов

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова; Институт космических исследований РАН; Национальный исследовательский университет “Высшая школа экономики”

Email: nn.levashov@physics.msu.ru
Россия, Москва; Россия, Москва; Россия, Москва

Х. В. Малова

Институт космических исследований РАН; Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына МГУ им. М.В. Ломоносова

Email: hmalova@yandex.ru
Россия, Москва; Россия, Москва

Л. М. Зеленый

Институт космических исследований РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: nn.levashov@physics.msu.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Lui A. Multifractal and intermittent nature of substorm-associated magnetic turbulence in the magnetotail // J. Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2001. V. 63. Iss. 13. P. 1379–1385. https://doi.org/10.1016/S1364-6826(00)00239-X
  2. Wawrzaszek A., Echim M., Bruno R. Multifractal Analysis of Heliospheric Magnetic Field Fluctuations Observed by Ulysses // The Astrophysical J. 2019. V. 876. № 2. P. 153–166. https://doi.org/10.3847/1538-4357/ab1750
  3. Chang T. Self-organized criticality, multi-fractal spectra, sporadic localized reconnections and intermittent turbulence in the magnetotail // Physics of Plasmas. 1999. № 6. P. 4137–4145. https://doi.org/10.1063/1.873678
  4. Zelenyi L.M., Bykov A.M., Uvarov Y.A. et al. Intermittency of magnetic field turbulence: Astrophysical applications of in-situ observations // J. Plasma Physics. 2015. V. 81. № 4. Art. № 395810401.https://doi.org/10.1017/S0022377815000409
  5. Zelenyi L.M., Rybalko S.D., Artemyev A.V. et al. Charged particle acceleration by intermittent electromagnetic turbulence // Geophysical Research Letters. 2011. V. 38. Iss. 17. Art. № L17110.https://doi.org/10.1029/2011GL048983
  6. Левашов Н.Н., Попов В.Ю., Малова Х.В., Зеленый Л.М. Моделирование турбулентности с перемежаемостью в космической плазме // Космич. исслед. 2022. Т. 60. № 1. С. 11–16. https://doi.org/10.31857/S0023420622010083. (Cosmic Research. 2022. V. 60. № 1. С. 9–14).
  7. Левашов Н.Н., Попов В.Ю., Малова Х.В., Зеленый Л.М. Исследование процессов ускорения заряженных частиц в турбулентной космической плазме с перемежаемостью // Ученые записки физ. фак. Московского ун-та. 2021. № 4. № 2140802.
  8. Perri S., Lepreti F., Carbone V. et al. Position and velocity space diffusion of test particles in stochastic electromagnetic fields // Europhysics Letters. 2007. V. 78. № 4. Art. № 40003. https://doi.org/10.1209/0295-5075/78/40003
  9. Perri S., Greco A., Zimbardo G. Stochastic and direct acceleration mechanisms in the Earth’s magnetotail // Geophysical Research Letters. 2009. V. 36. Iss. 4. Art. № L04103.https://doi.org/10.1029/2008GL036619
  10. Павлов А.Н., Анищенко В.С. Мультифрактальный анализ сигналов на основе вейвлет-преобразования // Изв. Саратовского ун-та. 2007. Т. 7. № 1. С. 3–25.
  11. Frisch U. Turbulence: The Legacy of A.N. Kolmogorov. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1995. 296 p. https://doi.org/10.1017/CBO9781139170666
  12. Божокин С.В., Паршин Д.А. Фракталы и мультифракталы. Ижевск: НИЦ Регулярная и хаотическая динамика, 2001. 128 с.
  13. Короленко П.В., Маганова М.С., Меснянкин А.В. Новационные методы анализа стохастических процессов и структур в оптике. М.: НИИЯФ МГУ, 2004. 82 с.
  14. Dudok de Wit T., Krasnosel’skikh V.V. Non-Gaussian statistics in space plasma turbulence: Fractal properties and pitfalls // Nonlinear Processes Geophysics. 1996. V. 3. № 6. P. 262–273. https://doi.org/10.5194/npg-3-262-1996
  15. Keith D.W., Pettit C.L., Vecherin S.N. Wavelet-based cascade model for intermittent structure in terrestrial environments // Data Analysis, Statistics and Probability. 2013.https://doi.org/10.48550/arXiv.1312.5649
  16. Федер Е. Фракталы. М.: Мир, 1991. 254 с.
  17. Будаев В.П., Савин С.П., Зелёный Л.М. Наблюдения перемежаемости и обобщенного самоподобия в турбулентных пограничных слоях лабораторной и магнитосферной плазмы: на пути к определению количественных характеристик переноса // УФН. 2011. Т. 181. № 9. С. 905–952. https://doi.org/10.3367/UFNr.0181.201109a.0905
  18. Kozak L.V., Petrenko B.A., Lui A. Turbulent processes in the Earth’s magnetotail: spectral and statistical research // Annales Geophysicae. 2018. V. 36. № 5. P. 1303–1318. https://doi.org/10.5194/angeo-36-1303-2018
  19. Zelenyi L.M., Artemyev A.V., Malova H.V. et al. Particle transport and acceleration in a time-varying electromagnetic field with a multi-scale structure // Physics Letters. 2008. V. 372. Iss. 41. P. 6284–6287. https://doi.org/10.1016/j.physleta.2008.08.035
  20. Artemyev A.V., Zelenyi L.M., Malova H.V. et al. Acceleration and transport of ions in turbulent current sheets: formation of non-Maxwelian energy distribution // Nonlinear Processes in Geophysics. 2009. V. 16. P. 631–639. https://doi.org/10.5194/npg-16-631-2009
  21. Chiaravalloti F., Milovanov A.V., Zimbardo G. Self-similar transport processes in a two-dimensional realization of multiscale magnetic field turbulence // Physica Scripta. 2006. V. 122. P. 79–88. https://doi.org/10.1088/0031-8949/2006/T122/012
  22. Зеленый Л.М., Милованов А.В. Фрактальная топология и странная кинетика. От теории перколяции к проблемам космической электродинамики // УФН. 2004. Т. 174. № 8. С. 809–852.

Дополнительные файлы


© Н.Н. Левашов, В.Ю. Попов, Х.В. Малова, Л.М. Зеленый, 2023