Simulation of a Multifractal Turbulent Electromagnetic Field in Cosmic Plasma

N. N. Levashov; Левашов Н. Н.; V. Yu. Popov; Попов В. Ю.; H. V. Malova; Малова Х. В.; L. M. Zelenyi; Зеленый Л. М.

doi:10.31857/S0023420622100089

Моделирование мультифрактального турбулентного электромагнитного поля в космической плазме

Авторы: Левашов Н.Н.¹^,2, Попов В.Ю.¹^,2^,3, Малова Х.В.²^,4, Зеленый Л.М.²
Учреждения:
1. Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова
2. Институт космических исследований РАН
3. Национальный исследовательский университет “Высшая школа экономики”
4. Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына МГУ им. М.В. Ломоносова
Выпуск: Том 61, № 2 (2023)
Страницы: 116-123
Раздел: Статьи
URL: https://ogarev-online.ru/0023-4206/article/view/137328
DOI: https://doi.org/10.31857/S0023420622100089
EDN: https://elibrary.ru/LSFWRA
ID: 137328

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Предложена двумерная модель мультифрактального турбулентного электромагнитного поля, позволяющая гибко варьировать ширину мультифрактального спектра и уровень перемежаемости. Моделирование электромагнитного поля происходит при помощи суперпозиции вейвлетов, которые распределяются равномерно по всей вычислительной области. Путем специального распределения амплитуд мы добиваемся того, чтобы результирующее поле было мультифрактальным и перемежаемым. При помощи данной модели исследовалось влияние мультифрактальности и перемежаемости на ускорение заряженных частиц в турбулентном поле в хвосте магнитосферы Земли. Показано, что в случае мультифрактального поля отдельные частицы способны достичь больших значений энергии по сравнению с монофрактальной турбулентностью.

Список литературы

Lui A. Multifractal and intermittent nature of substorm-associated magnetic turbulence in the magnetotail // J. Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2001. V. 63. Iss. 13. P. 1379–1385. https://doi.org/10.1016/S1364-6826(00)00239-X
Wawrzaszek A., Echim M., Bruno R. Multifractal Analysis of Heliospheric Magnetic Field Fluctuations Observed by Ulysses // The Astrophysical J. 2019. V. 876. № 2. P. 153–166. https://doi.org/10.3847/1538-4357/ab1750
Chang T. Self-organized criticality, multi-fractal spectra, sporadic localized reconnections and intermittent turbulence in the magnetotail // Physics of Plasmas. 1999. № 6. P. 4137–4145. https://doi.org/10.1063/1.873678
Zelenyi L.M., Bykov A.M., Uvarov Y.A. et al. Intermittency of magnetic field turbulence: Astrophysical applications of in-situ observations // J. Plasma Physics. 2015. V. 81. № 4. Art. № 395810401.https://doi.org/10.1017/S0022377815000409
Zelenyi L.M., Rybalko S.D., Artemyev A.V. et al. Charged particle acceleration by intermittent electromagnetic turbulence // Geophysical Research Letters. 2011. V. 38. Iss. 17. Art. № L17110.https://doi.org/10.1029/2011GL048983
Левашов Н.Н., Попов В.Ю., Малова Х.В., Зеленый Л.М. Моделирование турбулентности с перемежаемостью в космической плазме // Космич. исслед. 2022. Т. 60. № 1. С. 11–16. https://doi.org/10.31857/S0023420622010083. (Cosmic Research. 2022. V. 60. № 1. С. 9–14).
Левашов Н.Н., Попов В.Ю., Малова Х.В., Зеленый Л.М. Исследование процессов ускорения заряженных частиц в турбулентной космической плазме с перемежаемостью // Ученые записки физ. фак. Московского ун-та. 2021. № 4. № 2140802.
Perri S., Lepreti F., Carbone V. et al. Position and velocity space diffusion of test particles in stochastic electromagnetic fields // Europhysics Letters. 2007. V. 78. № 4. Art. № 40003. https://doi.org/10.1209/0295-5075/78/40003
Perri S., Greco A., Zimbardo G. Stochastic and direct acceleration mechanisms in the Earth’s magnetotail // Geophysical Research Letters. 2009. V. 36. Iss. 4. Art. № L04103.https://doi.org/10.1029/2008GL036619
Павлов А.Н., Анищенко В.С. Мультифрактальный анализ сигналов на основе вейвлет-преобразования // Изв. Саратовского ун-та. 2007. Т. 7. № 1. С. 3–25.
Frisch U. Turbulence: The Legacy of A.N. Kolmogorov. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1995. 296 p. https://doi.org/10.1017/CBO9781139170666
Божокин С.В., Паршин Д.А. Фракталы и мультифракталы. Ижевск: НИЦ Регулярная и хаотическая динамика, 2001. 128 с.
Короленко П.В., Маганова М.С., Меснянкин А.В. Новационные методы анализа стохастических процессов и структур в оптике. М.: НИИЯФ МГУ, 2004. 82 с.
Dudok de Wit T., Krasnosel’skikh V.V. Non-Gaussian statistics in space plasma turbulence: Fractal properties and pitfalls // Nonlinear Processes Geophysics. 1996. V. 3. № 6. P. 262–273. https://doi.org/10.5194/npg-3-262-1996
Keith D.W., Pettit C.L., Vecherin S.N. Wavelet-based cascade model for intermittent structure in terrestrial environments // Data Analysis, Statistics and Probability. 2013.https://doi.org/10.48550/arXiv.1312.5649
Федер Е. Фракталы. М.: Мир, 1991. 254 с.
Будаев В.П., Савин С.П., Зелёный Л.М. Наблюдения перемежаемости и обобщенного самоподобия в турбулентных пограничных слоях лабораторной и магнитосферной плазмы: на пути к определению количественных характеристик переноса // УФН. 2011. Т. 181. № 9. С. 905–952. https://doi.org/10.3367/UFNr.0181.201109a.0905
Kozak L.V., Petrenko B.A., Lui A. Turbulent processes in the Earth’s magnetotail: spectral and statistical research // Annales Geophysicae. 2018. V. 36. № 5. P. 1303–1318. https://doi.org/10.5194/angeo-36-1303-2018
Zelenyi L.M., Artemyev A.V., Malova H.V. et al. Particle transport and acceleration in a time-varying electromagnetic field with a multi-scale structure // Physics Letters. 2008. V. 372. Iss. 41. P. 6284–6287. https://doi.org/10.1016/j.physleta.2008.08.035
Artemyev A.V., Zelenyi L.M., Malova H.V. et al. Acceleration and transport of ions in turbulent current sheets: formation of non-Maxwelian energy distribution // Nonlinear Processes in Geophysics. 2009. V. 16. P. 631–639. https://doi.org/10.5194/npg-16-631-2009
Chiaravalloti F., Milovanov A.V., Zimbardo G. Self-similar transport processes in a two-dimensional realization of multiscale magnetic field turbulence // Physica Scripta. 2006. V. 122. P. 79–88. https://doi.org/10.1088/0031-8949/2006/T122/012
Зеленый Л.М., Милованов А.В. Фрактальная топология и странная кинетика. От теории перколяции к проблемам космической электродинамики // УФН. 2004. Т. 174. № 8. С. 809–852.