Создание самосогласованной модели токового диска в магнитосфере Юпитера на основе последних доступных данных КА Juno в рамках многостороннего сотрудничества в программе "Горизонт 2020"

Полное название: Создание самосогласованной модели токового диска в магнитосфере Юпитера на основе последних доступных данных КА Juno с участием научно-исследовательских организаций и университетов стран-членов ЕС в рамках многостороннего сотрудничества в программе "Горизонт 2020".

На 1 этапе выполнения проекта "Создание самосогласованной модели токового диска в магнитосфере Юпитера на основе последних доступных данных КА Juno с участием научно-исследовательских организаций и университетов стран- членов ЕС в рамках многостороннего сотрудничества в программе "Горизонт 2020" (проект H2020 #871149 Europlanet 2024 Research Infrastructure; 2020-2024 гг.)" проведены работы, связанные как с выбором решения поставленных задач, так и с выполнением запланированных задач, которые должны быть решены для достижения целей проекта.

Юпитер обладает самым сильным магнитным полем среди планет солнечной системы, поэтому у него самая большая магнитосфера. Быстрое вращение планеты и наличие дополнительного источника магнитосферной плазмы – вулканического спутника Ио – приводят к появлению магнитодиска Юпитера, значительно усиливающего магнитосферное магнитное поле и размеры магнитосферы. Поскольку магнитодиск является основным элементом юпитерианской магнитосферы, его изучению уделяется большое внимание. Токовые слои в космической плазме представляют собой достаточно тонкие структуры шириной порядка нескольких гирорадиусов носителей тока, поэтому на передний план выдвигается кинетический подход. Магнитодиск имеет толщину порядка нескольких радиусов Юпитера, что на один – два порядка меньше размеров магнитосферы ~100 радиусов Юпитера. Особенностью кинетических токовых слоев, имеющих толщины порядка ларморовского радиуса, является наличие меандровых траекторий у частиц, которые пересекают всю толщу диска, периодически оказываясь в радиальном магнитном поле противоположного знака.

Нами было показано сохранение магнитного момента и эффективность ускорения частиц при взаимодействии с двумерным плоским токовым слоем. Отталкиваясь от этих результатов, мы провели массовые расчеты пробных частиц в реальной цилиндрической геометрии токового диска и показали схожесть полученных траекторий с плоской геометрией. Это позволяет надеяться, что обобщение ускорения частиц в плоском токовом диска на цилиндрическую геометрию даст аналогичное продольное ускорение, и диск будет выполнять роль специфической линзы, которая фокусирует потоки ускоренных частиц, прижимая их к направлению магнитного поля. Именно такие продольные пучки электронов и ионов регистрируются детекторами Джуно на силовых линиях, уходящих за 11 – 15 радиусов Юпитера. Они дают основной вклад в ток требуемого направления в тонком диске вблизи экваториальной плоскости. Мы сможем в дальнейшем по рассчитанным траекториям получить связь этого тока с плотностью частиц и вычислить распределение тока по толщине диска. Равновесные распределения тока обычно имеют несколько масштабов, причем ионы и электроны смещаются в противоположных направлениях, поэтому проинтегрированный по толщине ток суммируется. Именно этот параметр - плотность поверхностного тока - определяет магнитное поле вдали от диска выше и ниже от него, где выполняются условия дрейфового приближения при расчете траекторий частиц, поскольку неоднородность поля в этой области определяется радиальным интервалом, занятым диском. Он сравним с размером магнитосферы и на 1-2 порядка превышает толщину диска.

На первом этапе были сформулированы основные задачи, которые должны быть решены при реализации основной цели проекта - построению кинетической модели диска Юпитера. Были проведены патентные исследования, которые показали, что создание этой модели может содержать в себе патентоспособные результаты. Построен план исследований на последующие два года. Созданы локальные архивы данных космического аппарата Джуно, которые позволяют проводить тестирование модели и улучшать ее прогностические возможности. Была создана асимметричная (по долготе) модель магнитосферно-ионосферного взаимодействия, которая описывает передачу энергии и импульса вращения Юпитера и крутящего момента его атмосферы магнитосферной плазме. Эти работы создают базу для практической реализации целей проекта.

В результате выполнения запланированных работ по первому этапу иностранным партнёром проведены работы по обеспечению функционирования сервера НИИЯФ МГУ с данными КА Juno в составе инфраструктуры виртуальной обсерватории VESPA. Были созданы новые региональные хабы для распараллеливания и концентрации запросов пользователей и сокращения времени отклика системы, проведено формирование и распространение внутренних стандартов VESPA. Проведены работы по расширению возможностей VESPA за счет увеличения числа доступных архивов и имеющихся сервисов для работы с данными планетарных исследований в 2021 году.