🔧На сайте запланированы технические работы
25.12.2025 в промежутке с 18:00 до 21:00 по Московскому времени (GMT+3) на сайте будут проводиться плановые технические работы. Возможны перебои с доступом к сайту. Приносим извинения за временные неудобства. Благодарим за понимание!
🔧Site maintenance is scheduled.
Scheduled maintenance will be performed on the site from 6:00 PM to 9:00 PM Moscow time (GMT+3) on December 25, 2025. Site access may be interrupted. We apologize for the inconvenience. Thank you for your understanding!

 

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ТУРБУЛЕНТНОГО КАСКАДА В МАГНИТОСЛОЕ В ПЕРИОДЫ ICME

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Крупномасштабные возмущения в межпланетном пространстве являются главной причиной глобальных возмущений внутри магнитосферы Земли. Как известно, перед магнитосферой располагается магнитослой — переходная область, в которой характеристики плазмы и магнитного поля, а также их вариации существенно отличаются от таковых в солнечном ветре. В частности, ранее было показано, что прохождение плазмы через магнитослой может существенно изменять характеристики каскада турбулентных флуктуаций солнечного ветра, причем характер изменений отличается для спокойных и возмущенных условий в межпланетной среде. В настоящей работе на основе анализа нескольких случаев взаимодействия межпланетных корональных выбросов массы (ICME) с магнитосферой проанализированы особенности формирования турбулентного каскада в магнитослое в эти периоды. Анализ проводился на основе сопоставления одновременных измерений вариаций магнитного поля в солнечном ветре и в дневном магнитослое спутниками Wind, Cluster, THEMIS и MMS в 2016–2017 гг. Показано, что взаимодействие ICME с магнитосферой сопровождается наименьшим изменением мощности флуктуаций в случае наличия области сжатия перед ним и, напротив, при отсутствии области сжатия мощность флуктуаций значительно возрастает. Определено, что ICME, вызывающие значительные изменения индекса Dst, сопровождаются слабой модификацией турбулентного каскада в магнитослое, тогда как наиболее значимые изменения свойств турбулентности наблюдаются для ICME, которые не приводят к сильным геомагнитным возмущениям.

Об авторах

Людмила Сергеевна Рахманова

Институт космических исследований РАН

Email: rakhlud@gmail.com
кандидат физико-математических наук 2019

Мария Олеговна Рязанцева

Институт космических исследований РАН

Email: orearm@gmail.com

Александр Андреевич Хохлачев

Институт космических исследований РАН

Email: aleks.xaa@yandex.ru

Юрий Иванович Ермолаев

Институт космических исследований РАН

Email: yermol@iki.rssi.ru
доктор физико-математических наук

Георгий Наумович Застенкер

Институт космических исследований РАН

Email: gzastenk@iki.rssi.ru
доктор физико-математических наук

Список литературы

  1. 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.
  2. 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.
  3. Рахманова Л.С., Хохлачев А.А., Рязанцева М.О. и др. Развитие турбулентности за околоземной ударной волной в периоды спокойного и возмущенного солнечного ветра. Солнечно-земная физика. 2024, т. 10, № 2, с. 15–28. doi: 10.12737/szf-102202402 / Rakhmanova L., Khokhlachev A., Riazantseva M., et al. Turbulence development behind the bow shock during disturbed and undisturbed solar wind. Sol.-Terr. Phys. 2024, vol. 10, no. 2, pp. 13–25. doi: 10.12737/stp-102202402.
  4. Рязанцева М.О., Рахманова Л.С., Застенкер Г.Н. и др. Мелкомасштабные флуктуации плазмы солнечного ветра в быстрых и медленных потоках. Космические исследования. 2019, т. 57, № 6, с. 451–460.
  5. Рязанцева М.О., Рахманова Л.С., Застенкер Г.Н. и др. Характеристики турбулентного потока солнечного ветра в областях компрессии плазмы. Космические исследования. 2020, т. 58, № 6, с. 503–512.
  6. Alexandrova O., Lacombe C., Mangeney A. Spectra and anisotropy of magnetic fluctuations in the Earth’s magnetosheath: Cluster observations. Ann. Geophys. 2008, vol. 26, iss. 11, pp. 3585–3596. doi: 10.5194/angeo-26-3585-008.
  7. Auster H.U., Glassmeier K.H., Magnes W., et al. The THEMIS fluxgate magnetometer. Space Sci. Rev. 2008, vol. 141, pp. 235–264. doi: 10.1007/s11214-008-9365-9.
  8. Balogh A., Carr C.M., Acuna M.H., et al. The Cluster Magnetic Field Investigation: Overview of inflight performance and initial results. Ann. Geophys. 2001, vol. 19, pp. 1207–1217. doi: 10.5194/angeo-19-1207-2001.
  9. Boldyrev S., Perez J.C. Spectrum of kinetic Alfven turbulence. Astrophys. J. Lett. 2012, vol. 758, no. 2, 5 p. doi: 10.1088/2041-8448205/758/2/L44.
  10. Borovsky J.E., Denton M.H. The differences between CME-driven storms and CIR-driven storms. J. Geophys. Res. 2006, vol. 111, A07S08.
  11. Boynton R.J., Balikhin M.A., Billings S.A., et al. Data derived NARMAX Dst model. Ann. Geophys. 2012, vol. 29, iss. 6, pp. 965–971. doi: 10.5194/angeo-29-965-2011.
  12. Bruno R., Trenchi L., Telloni D. Spectral slope variation at proton scales from fast to slow solar wind. Astrophys. J. Lett. 2014, vol. 793, L15.
  13. Burlaga L.F. Magnetic clouds. Physics of the Inner Heliosphere: vol. 2. Еds R. Schwenn and E. Marsch. Springer-Verlag, 1991, р. 1. doi: 10.1007/978-3-642-75364-0_1.
  14. Czaykowska A., Bauer T.M., Treumann R.A., Baumjohann W. Magnetic field fluctuations across the Earth’s bow shock. Ann. Geophys. 2001, vol. 19, iss. 3, pp. 275–287. doi: 10.5194/angeo-19-275-2001.
  15. D’Amicis R., Telloni D., Bruno R. The effect of solar-wind turbulence on magnetospheric activity. Front. Phys. 2020, vol. 8, 604857. doi: 10.3389/fphy.2020.604857.
  16. Ervin T., Jaffarove K., Badman S.T., et al. Characteristics and source regions of slow Alfvénic solar wind observed by Parker Solar Probe. Astrophys. J. 2024, vol. 975, no. 2, 156. doi: 10.3847/1538-4357/ad7d00.
  17. Greenstadt E.W. Binary index for assessing local bow shock obliquity. J. Geophys. Res. 1972, vol. 77, pp. 5467–5479. doi: 10.1029/JA077i028p05467.
  18. 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: 10.3847/2041-8213/836/1/L10.
  19. Karimabadi H., Roytershteyn V., Vu H.X., et al. The link between shocks, turbulence, and magnetic reconnection in collisionless plasmas. Phys. Plasmas. 2014, vol. 21, 062308. doi: 10.1063/1.4882875.
  20. Kilpua E., Koskinen H.E.J., Pulkkinen T.I. Coronal mass ejections and their sheath regions in interplanetary space. Living Rev. Solar Phys. 2017, vol. 14, article number 5. doi: 10.1007/s41116-017-0009-6.
  21. Lacombe C., Belmont G. Waves in the Earth’s magnetosheath: observations and interpretations. Adv. Space Res. 1995, vol. 15, pp. 329–340. doi: 10.1016/0273-1177(94)00113-F.
  22. Lepping R.P., Acũna M.H., Burlaga L.F., et al. The WIND Magnetic Field Investigation. Space Sci Rev. 1995, vol. 71, pp. 207–229. doi: 10.1007/BF00751330.
  23. McFadden J.P., Carlson C.W., Larson D., et al. The THEMIS ESA plasma instrument and in-flight calibration. Space Sci. Rev. 2008, vol. 141, pp. 277–302. doi: 10.1007/s11214-008-9440-2.
  24. 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, pp. 55–77. DOI: 10.1007/ BF00751326.
  25. Pallocchia G., Amata E., Consolini G., et al. Geomagnetic Dst index forecast based on IMF data only. Ann. Geophys. 2006, vol. 24, pp. 989–999. doi: 10.5194/angeo-24-989-2006.
  26. Palmroth M., Ganse U., Pfau-Kempf Y., et al. Vlasov methods in space physics and astrophysics. Living Reviews in Computational Astrophysics. 2018, vol. 4, article number 1. doi: 10.1007/s41115-018-0003-2.
  27. Podladchikova T.V., Petrukovich A.A. Extended geomagnetic storm forecast ahead of available solar wind measurements. Space Weather. 2012, vol. 10, S07001. doi: 10.1029/2012 SW000786.
  28. Pollock C., Moore T., Jacques A., et al. Fast Plasma Investigation for Magnetospheric Multiscale. Space Sci. Rev. 2016, vol. 199, pp. 331–406. doi: 10.1007/s11214-016-0245-4.
  29. Pulinets M.S., Antonova E.E., Riazantseva M.O., et al. Comparison of the magnetic field before the subsolar magnetopause with the magnetic field in the solar wind before the bow shock. Adv. Space Res. 2014, vol. 54, pp. 604–616. doi: 10.1016/j.asr.2014.04.023.
  30. 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, pp. 5300–5314. doi: 10.1029/2018JA025179.
  31. 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: 10.3389/fspas.2020.616635.
  32. Rakhmanova L., Khokhlachev A., Riazantseva M., et al. Modification of the turbulence properties at the bow shock: Statistical results. Front. Astron. Space Sci. 2024a, vol. 11, 1379664. doi: 10.3389/fspas.2024.1379664.
  33. Rakhmanova L., Khokhlachev A., Riazantseva M., et al. Changes in and recovery of the turbulence properties in the magnetosheath for different solar wind streams. Universe. 2024b, vol. 10, no. 5, 194. doi: 10.3390/universe10050194.
  34. Rème H., Aoustin C., Bosqued J.M., et al. First multispacecraft ion measurements in and near the Earth’s magnetosphere with the identical Cluster Ion Spectrometry (CIS) experiment. Ann. Geophys. 2001, vol. 19, pp. 1303–1354. doi: 10.5194/angeo-19-1303-2001.
  35. Riazantseva M.O., Treves T.V., Khabarova O., et al. Linking turbulent interplanetary magnetic field fluctuations and current sheets. Universe. 2024, vol. 10, no. 11, 417. doi: 10.3390/universe10110417.
  36. Richardson I.G., Cane H.V. Near-Earth interplanetary coronal mass ejections during solar cycle 23 (1996–2009): Catalog and summary of properties. Solar Phys. 2010, vol. 264, pp. 189–237. doi: 10.1007/s11207-010-9568-6.
  37. Russell C.T., Anderson B.J., Baumjohann W., et al. The Magnetospheric Multiscale Magnetometers. Space Sci Rev. 2016, vol. 199, pp. 189–256. doi: 10.1007/s11214-014-0057-3.
  38. 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, pp. 310–377. doi: 10.1088/0067-0049/182/1/310.
  39. Šafránková J., Hayosh M., Gutinska O., et al. Reliability of prediction of the magnetosheath Bz component from the interplanetary magnetic field observations. J. Geophys. Res. 2009, vol. 114, A12213. doi: 10.1029/2009A014552.
  40. Sahraoui F., Hadid L., Huang S. Magnetohydrodynamic and kinetic scale turbulence in the near-Earth space plasmas: a (short) biased review. Rev. Mod. Phys. 2020, vol. 4, article number 4. doi: 10.1007/s41614-020-0040-2.
  41. Schwartz S.J., Burgess D., Moses J.J. Low-frequency waves in the Earth’s magnetosheath: Present status. Ann. Geophys. 1996, vol. 14, pp. 1134–1150. doi: 10.1007/s00585-996-1134-z.
  42. Shevyrev N.N., Zastenker G.N. Some features of the plasma flow in the magnetosheath behind quasi-parallel and quasi-perpendicular bow shocks. Planet. Space Sci. 2005, vol. 53, pp. 95–102. doi: 10.1016/j.pss.2004.09.033.
  43. Spreiter J.R., Summers A.L., Alksne A.Y. Hydromagnetic flow around the magnetosphere. Planet. Space Sci. 1966, vol. 14, pp. 223–253.
  44. Turc L., Fontaine D., Escoubet C.P., et al. Statistical study of the alteration of the magnetic structure of magnetic clouds in the Earth’s magnetosheath. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2017, vol. 122, pp. 2956–2972. doi: 10.1002/2016JA023654.
  45. Tóth G., Sokolov I., Gombosi T., et al. Space Weather Modeling Framework: A new tool for the space science community. J. Geophys. Res. 2005, vol. 110, A12226. doi: 10.1029/2005JA011126.
  46. Woodham L.D., Wicks R.T., Verscharen D., Owen C.J. The role of proton cyclotron resonance as a dissipation mechanism in solar wind turbulence: A statistical study at ion-kinetic scales. Astrophys. J. 2018, vol. 856, no. 1, 49. doi: 10.3847/1538-4357/aab03d.
  47. 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, pp. 7094–7106. doi: 10.1002/2015JA021274.
  48. Zimbardo G., Greco A., Sorriso-Valvo L., et al. Magnetic turbulence in the geospace environment. Space Sci. Rev. 2010, vol. 156, pp. 89–134. doi: 10.1007/s11214-010-9692-5.
  49. URL: http://iki.rssi.ru/pub/omni/catalog/ (дата обращения 8 апреля 2025 г.).
  50. URL: https://cdaweb.gsfc.nasa.gov/sp_phys/ (дата обращения 8 апреля 2025 г.).
  51. URL: https://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/dstdir/ (дата обращения 8 апреля 2025 г.).

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».