Вісник Київського національного університету імені Тараса Шевченка. Астрономія, №. 72, c. 33-38 (2025)
ПРИСКОРЕННЯ ЗАРЯДЖЕНИХ ЧАСТИНОК У ТУРБУЛЕНТНИХ ПЛАЗМОВИХ ПОТОКАХ
Людмила КОЗАК, д-р фіз.-мат. наук, проф.
ORCID ID: 0000-0001-9448-0030
е-mail: kozakliudmyla@knu.ua
Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, Україна,
Інститут космічних досліджень НАН України та ДКА України, Київ, Україна
Богдан ПЕТРЕНКО, д-р філософії
ORCID ID: 0000-0003-1073-0130
е-mail: bogdanart96@gmail.com
Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, Україна,
Інститут космічних досліджень НАН України та ДКА України, Київ, Україна
Назар ХАЛІМОНЕНКО, студ.
е-mail: nazarfifa2014@gmail.com
Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, Україна
Абстракт
Вступ. Прискорення заряджених частинок у космічній плазмі є ключовим процесом, що визначає формування енергетичних спектрів сонячних енергетичних частинок і космічних променів. Найважливішими механізмами є дифузійне ударне прискорення (Фермі-І) на фронтах ударних хвиль і стохастичне прискорення (Фермі-ІІ) у турбулентних середовищах. Їхня ефективність суттєво залежить від параметрів плазми у різних космічних областях: сонячній короні, сонячному вітрі та магнітосфері Землі.
Методи. Для дослідження стохастичного прискорення протонів застосовано тест-частинковий підхід у межах стохастичної моделі турбулентної дифузії. У моделюванні брали участь 5000 частинок із початковим нормованим імпульсом. Кількість інтеграційних кроків становила 100 за часового кроку 1 с. Коефіцієнт дифузії по імпульсу Dpp задано окремо для кожного середовища: 0.02 для сонячної корони, 0.015 для сонячного вітру та 0.01 для магнітосфери Землі.
Результати. Отримано часову еволюцію середнього нормованого імпульсу та розподіли частинок за енергіями. У сонячній короні спостерігається найінтенсивніше зростання імпульсу і формування протяжних степеневих хвостів розподілу, що відповідає потокам з енергіями до сотень МеВ. У сонячному вітрі ефективність стохастичного прискорення нижча: спектри характеризуються обмеженим підвищенням енергії до сотень кеВ, що узгоджується зі спостереженнями потоків частинок у міжпланетному просторі. У магнітосфері Землі середній імпульс зростає найповільніше, спектри мають коротші хвости, проте локальні процеси (магнітне перез’єднання, диполяризація, плазмоїди) забезпечують додаткове прискорення електронів та іонів до десятків–сотень кеВ.
Висновки. Результати підтверджують універсальність механізмів Фермі: у короні вони формують високі енергії на фронтаx корональних викидів мас і в турбулентних петлях; у сонячному вітрі домінує стохастичне “підкачування” на альфвенівських хвилях; у магнітосфері Землі процеси Фермі проявляються на малих масштабах у областях перез’єднання. Отже, відмінності у параметрах плазми зумовлюють різну ефективність прискорення, але загальні фізичні принципи залишаються спільними для всіх середовищ.
Ключові слова
Космічна плазма, прискорення частинок, механізми Фермі, сонячна корона, сонячний вітер, магнітосфера Землі, турбулентність, чисельне моделювання.
Список використаних джерел
Arnaudon, M., Cruzeiro, A. B., & Galamba, N. (2011). Lagrangian NavierStokes flows: a stochastic model. Journal of Physics A-Mathematical and Theoretical, 44(17), 175501.
Barge, A., & Gorokhovski, M. A. (2020). Acceleration of small heavy particles in homogeneous shear flow: direct numerical simulation and stochastic modelling of under-resolved intermittent turbulence. Journal of Fluid Mechanics, 892, A28.
Birn, J., Artemyev, A. V., Baker, D. N., Echim, M., Hoshino, M., & Zelenyi, L. M. (2012). Particle acceleration in the magnetotail and aurora. Space science reviews, 173(1), 49–102.
Blandford, R., & Eichler, D. (1987). Particle acceleration at astrophysical shocks: A theory of cosmic ray origin. Physics Reports, 154(1), 1–75.
Drury, L. O. C. (1983). An introduction to the theory of diffusive shock acceleration of energetic particles in tenuous plasmas. Reports on Progress in Physics, 46(8), 973.
Du, C. X., Fu, H. S., Cao, J. B., Wang, Z., Yu, Y., Fu, W. D., & Zhang, W. Z. (2024). Strong energy conversion at magnetotail plasma sheet boundary layer. Geophysical Research Letters, 51(18), e2024GL111284.
Fermi, E. (1949). On the origin of the cosmic radiation. Physical review, 75(8), 1169.
Gary, S. P. (1993). Theory of space plasma microinstabilities (No. 7). Cambridge university press.
Kozak, L. V., Lui, A. T. Y., Kronberg, E. A., & Prokhorenkov, A. S. (2017). Turbulent processes in Earth’s magnetosheath by Cluster mission
measurements. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 154, 115–126.
Kozak, L. V., Petrenko, B. A., Lui, A. T. Y., Kronberg, E. A., & Daly, P. W. (2021). Processes in the current disruption region: From turbulence to dispersion relation. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 126(1), e2020JA028404.
Petrosian, V. (2012). Stochastic acceleration by turbulence. Space science reviews, 173(1), 535–556.
Reames, D. V. (1999). Particle acceleration at the Sun and in the heliosphere. Space Science Reviews, 90(3), 413–491.
Rodean, H. C. (1996). Stochastic Lagrangian models of turbulent diffusion (Vol. 45). Boston: American Meteorological Society.
Sandroos, A., & Vainio, R. (2006). Particle acceleration at shocks propagating in inhomogeneous magnetic fields. Astronomy & Astrophysics, 455(2), 685–695.
Schlickeiser, R. (2013). Cosmic ray astrophysics. Springer Science & Business Media.
Shprits, Y. Y., Subbotin, D. A., Meredith, N. P., & Elkington, S. R. (2008). Review of modeling of losses and sources of relativistic electrons in the outer radiation belt II: Local acceleration and loss. Journal of atmospheric and solar-terrestrial physics, 70(14), 1694–1713.
Usanova, M. E., & Ergun, R. E. (2022). Electron energization by turbulent electric fields: A possible source of the outer radiation belt. Authorea Preprints.
Zank, G. P. (2014). Transport processes in space physics and astrophysics (Vol. 877). New York: Springer.