Turbulent processes in the Earth’s magnetotail: statistical and spectral analysis

Abstract

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.

Processes in the Current Disruption Region: From Turbulence to Dispersion Relation

“…Wavelet analyses conducted on CD events show a wide spectrum of waves and nonMHD behaviors (Cao et al., 2013; Chen et al., 2003; Cheng & Lui, 1998; Hwang et al., 2014; L. Kozak, Petrenko, Kronberg, Porokhorenkov, et al., 2018; L. Kozak, et al., 2018a, 2018b; Le Contel et al., 2009; Lui, 2013, 2015; Lui et al., 1988; Lui et al., 1999; Lui & Najmi, 1997; Lui et al., 2008). These disturbances are associated with a whole chain of unsteady processes and emergence of anomalous resistivity, forming a turbulent region characterized by intermittency (Consolini, 2005; L. V. Kozak, et al., 2018).…”

“…Wavelet analyses conducted on CD events show a wide spectrum of waves and nonMHD behaviors (Cao et al, 2013;Chen et al, 2003;Cheng & Lui, 1998;Hwang et al, 2014;L. Kozak, Petrenko, Kronberg, Porokhorenkov, et al, 2018;L.…”