Сравнительный анализ характеристик структуры самоорганизации и турбулентности в магнитосферно-ионосферной плазме с аналогичными характеристиками других гидродинамических и плазменных систем
Самоорганизованная критичность и турбулентность в магнитосферно-ионосферной плазме
В последние годы стало более очевидным, что для физического описания магнитоферно-ионосферной системы необходимо рассматривать ее как сложную систему. Один из подходов к такой системе основан на понятии самоорганизованной критичности (СК). СК была введена как универсальное свойство пороговых систем с большим числом степеней свободы, в которых основные взаимодействия локальны, однако появляются также взаимодействия на больших масштабах, из-за тенденции к формированию лавинообразных переходных процессов, возникающих при приближении системы к критическому состоянию вблизи порога неустойчивости. В состоянии СК все масштабы взаимодействуют друг с другом, и динамика системы на различных пространственных масштабах является самоподобной. Это самоподобие проявляется в виде степенных зависимостей различных характеристик от пространственного/временного масштаба. Вместе с тем, до сих пор нет четкого разделения между СК состоянием и турбулентностью.
Эти представления были использованы при анализе наземных телевизионных наблюдений полярных сияний и флуктуаций электрических поле по данным низковысотных спутников.
Основные результаты:
а) По данным наземных оптических наблюдений ПГИ получено, что статистические распределения пространственно-временных характеристик индивидуальных пятен аврорального свечения на ночной стороне авроральной зоны имеют степенной вид для масштабов более 1 сек по времени жизни и более 8 км2 по площади. Это является экспериментальным подтверждением гипотезы о существовании режима самоорганизованной критичности в магнитосферно-ионосферной плазме.
Телевизионные наблюдения полярных сияний в обс.Баренцбург, 19 января 2001г.: кеограмма север-юг; отдельные кадры.
Лавинная динамика в полярных сияниях: плотность распределения времени жизни авроральных пятен; плотность распределения максимальной площади пятна в течении его жизни. Сравнение рапределений, полученных по наземным и спутниковым данным.
б) По данным наземных телевизионных наблюдений ПГИ в обс. Баренцбург были исследованы статистические свойства флуктуаций интенсивности полярных сияний в различных условиях: во время суббуревой активизации и в трансполярной дуге. Были рассчитаны распределения плотности вероятности флуктуаций интенсивности на пространственных масштабах 1.5 – 100 км. Показано, что эти распределения имеют не-гауссову форму, причем эксцесс распределений растет с уменьшением пространственного масштаба. Анализ обобщенной структурной функции исследуемых пространственных флуктуаций показал, что для первых 6 статистических моментов на масштабах 3-20 км наблюдается самоподобие. Полученные статистические закономерности могут быть интерпретированы как свидетельство режима перемежающейся турбулентности в магнитосферно-ионосферной плазме, приводящего к образованию би- или мульти-фрактальных структур в полярных сияниях.
Признаки перемежающейся турбулентности в статистических характеристиках флуктуаций интенсивности полярных сияний.
в) По данным измерений вариаций магнитного и электрических полей на спутнике DE-2 (с частой оцифровки 16 Гц) и с помощью вэйвлет-анализа исследовано поведение флуктуаций величин электрического и магнитного полей, а также их отношения. Характер флуктуаций соответствует перемежающейся турбулентности. Показано, что турбулентность обусловлена не волновой природой флуктуаций, а пересечением статических структур продольных токов. В этом случае отношение электрического и магнитного полей характеризует интегральную по высоте педерсеновскую проводимость, оценки которой согласуются с величинами, полученным другими методами.
Признаки перемежающейся турбулентности в статистических характеристиках флуктуаций электрических полей. Педерсеновская проводимость вдоль пролета спутника DE-2, оценки для разных пространственных масштабов.
Возникновение СК и турбулентности в распределенных системах
а) Проведена серия экспериментов по исследованию явления самоорганизации в вязкой жидкости с термической конвекцией и шировым течением. Показано различие распределений числа конвективных ячеек в зоне ширового течения и вне его, что интерпретируется как результат разрушения (разрывов) конвективных ячеек шировым течением.
Экспериментальная установка. Выделенные границы конвективных ячеек. Развертка структуры конвективных ячеек при наличии и отсутствии сдвига скорости.
б) Общие свойства явлений самоорганизованной критичности (СК) и турбулентности исследовались по данным лабораторных и численных экспериментов: пылевой плазмы, двумерного хаотического течения жидкости, СК моделей Занга и Бака-Танга–Вейзенфельда. Из проведенного анализа структурных функций и статистики пространственно-временных лавин активности сделан вывод о том динамика пылевой плазмы обладает свойствами как турбулентной, так и лавинной (СК) системы.
Движение частиц пылевой плазмы: (a) эксперимент, (b) модель.
Структурные функции и оценки степенных показателей для пылевой плазмы: (a) эксперимент, (b) модель
Лавинная динамика пылевой плазмы.
Динамические структуры в модели Занга. Моделирование с использованием NVIDIA CUDA.
Двумерная турбулентность. Уравнения Навье-Стокса решалось с использованием NVIDIA CUDA.
Лавинная динамика в двумерной турбулентности.
Kozelov B.V., Kozelova T.V. Spontaneous and Stimulated Events in the Self-organizing System and Their Similarity to Magnetospheric Substorms // Geomagnetism and aeronomy,V.42, # 1, 59-66, 2002
Kozelov B.V., Kozelova T.V. Positive Feedback in the Self-Organizing Model as an Analog for the MagnetosphereIonosphere Coupling during a Substorm // Geomagnetism and aeronomy, V.42 #4, 460-467, 2002.
Kozelov B.V. and Kozelova T.V. Cellular automata model of magnetospheric-ionospheric coupling // Annales Geophysicae, V. 21, P. 1931-1938, 2003.
Kozelov B.V. Fractal approach to description of the auroral structure // Annales Geophysicae, V. 21, P. 2011-2023, 2003.
B. V. Kozelov,V. M. Uritsky, and A. J. Klimas Power law probability distributions of multiscale auroral dynamics from ground-based TV observations // GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS, VOL. 31, L20804, doi:10.1029/2004GL020962, 2004.
Kozelov B. V., Golovchanskaya I. V. Scaling of electric field fluctuations associated with the aurora during northward IMF // Geophys. Res. Lett., V. 33, L20109, doi:10.1029/2006GL027798, 2006.
Golovchanskaya I. V., Ostapenko A. A., and Kozelov B. V. Relationship between the high-latitude electric and magnetic turbulence and the Birkeland field-aligned currents // J. Geophys. Res., V. 111, A12301, doi:10.1029/2006JA011835, 2006.
Kozelov B.V. and Rypdal K. Spatial scaling of optical fluctuations during substorm-time aurora // Ann. Geophys. -2007. -V. 25. -P.915–927.
B. V. Kozelov, I. V. Golovchanskaya, A. A. Ostapenko, and Y. V. Fedorenko. Wavelet analysis of high-latitude electric and magnetic fluctuations observed by the Dynamic Explorer 2 satellite // J. Geophys. Res., 113, A03308, doi:10.1029/2007JA012575, 2008.
Rypdal K., B.Kozelov, S. Ratynskaia, B. Klumov, C. Knapek and M. Rypdal Scale-free vortex cascade emerging from random forcing in a strongly coupled system // New J. Phys. V.10, 093018 (18pp), doi: 10.1088/1367-2630/10/9/093018. 2008.
Golovchanskaya, I. V., B. V. Kozelov, T. I. Sergienko, U. Brändström, H. Nilsson, and I. Sandahl Scaling behavior of auroral luminosity fluctuations observed by Auroral Large Imaging System (ALIS) // J. Geophys. Res., 113, A10303, doi:10.1029/2008JA013217. 2008.