1.ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОГРАММЫ ПРОГРАММНО-ЦЕЛЕВЫМ МЕТОДОМ.

Предметом исследования Программы "Плазменные процессы в Солнечной системе" являются разнообразные по временным и пространственным масштабам объекты: корона Солнца, Солнечный ветер, плазменные оболочки Земли и других планет. Все эти объекты логически связаны иерархией физических процессов, описывающих передачу кинетической и электромагнитной энергии от Солнца к Земле. В настоящее время в солнечно-земной физике накоплен значительный наблюдательный материал, полученный, как на космических аппаратах, так и на сети наземных обсерваторий. Большие успехи достигнуты в теоретических исследованиях плазменно-волновых процессов в космической плазме и существуют серьезные проработки лабораторного и компьютерного моделирования. Рассмотрение с единых позиций всего комплекса физических процессов приводит к необходимости объединения усилий ученых, занимающихся изучением каждого из вышеперечисленных направлений.

В рамках Программы предполагается осуществить комплексный подход к решению поставленных задач путем:

• экспериментальных исследований параметров плазмы, постоянного магнитного поля и электромагнитного излучения на основе измерений на космических аппаратах и наземных обсерваториях;
• теоретический анализ полученных результатов с использованием, как гидродинамического описания крупномасштабных явлений, так и кинетического - для анализа тонкой структуры процессов, и на их основе построение адекватных моделей;
• проведение лабораторного и численного моделирования физических процессов с целью определения критических элементов моделей.

2.ОСНОВНЫЕ ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ПРОГРАММЫ.

Основной целью Программы является определение иерархии физических процессов, определяющих динамику плазмы в солнечном ветре и магнитосферах планет с учетом роли волновых процессов, на основе комплексного подхода и рассмотрения с единых позиций разномасштабных явлений.

Программа сформирована из 6 направлений, которые курируют авторитетные ученые, являющиеся ведущими специалистами в соответствующих направлениях.

2.1. Направление «1. Физические процессы во внешних областях Солнца» включает в себя следующие основные задачи:

• Исследование топологии корональных структур с магнитным полем, ответственных за генерацию солнечного ветра (ГАО, САО, ИЗМИР);
• Изучение процессов генерации и возмущений солнечного ветра активными процессами на Солнце: выбросы массы, вспышки, эруптивные протуберанцы, корональные дыры и ударными волнами (ГАО, САО, ИЗМИР, ИПФ, ИРЭ);
• Детальное изучение корональных дыр как источников быстрого солнечного ветра (ГАО, САО, ИЗМИР);
• Анализ процессов нагрева внешней атмосферы Солнца (ИПФ, ГАО, САО, ИЗМИР, ФИ).

• Сопоставление крупномасштабных структур солнечного ветра с характерными структурами и явлениями солнечной короны с целью определения граничных условий, обеспечивающих значительные вариации параметров квазистационарных типов течений солнечного ветра (ИКИ, ИРЭ, ПРАО, ИЗМИРАН, ИСЗФ СО).
• Выявление механизмов передачи энергии от солнечной короны в поток солнечного ветра при неадиабатическом расширении плазмы (ИКИ, ИРЭ, ПРАО).
• Исследование вариаций физических параметров солнечного ветра для определения роли различных масштабов процессов на динамику солнечного ветра (ИКИ, ГАО).
• «Зондирование» условий в различных частях солнечной короны по анализу массового (включая изотопный) и ионизационного состава ионной компоненты солнечного ветра (ИКИ, ФТИ, ИЗМИР).
• Исследование модификации солнечного ветра вблизи планет (в области форшока, на головной ударной волне, в магнитослое) и изучение роли такой модификации на взаимодействие солнечного ветра с планетными магнитосферами (ИКИ, ИРЭ).
• Изучение взаимодействия солнечного ветра с немагнитными телами солнечной системы и кометами (ИКИ, ИСЗФ).
• Исследование физических механизмов передачи энергии солнечного ветра вовнутрь магнитосферы и выявление геоэффективных явлений и параметров солнечного ветра с целью построение прогностических моделей для задач «Космической погоды» (ИКИ, ИПГ КГЦ)
• Роль малых ионных составляющих, нейтральной и пылевой компонент в динамике гелиосферы (ИКИ, ИДГ)

• Динамические процессы в лобовой части и в хвосте магнитосферы, поступление энергии во внутренние области (ИКИ, ПГИ).
• Формирование и динамика радиационных поясов, ускорение и нагрев магнитосферной плазмы (ИПФ, ИКИ);
• Магнитосферные циклотронные мазеры, формирование и динамика радиационных поясов (ИПФ, ИКИ, ПГИ).
• Спорадические электромагнитные излучения магнитосферы (ИПФ, ИКИ).
• Турбулентность и самоорганизация замагниченной плазмы, формирование мелкомасштабных структур (ИКИ, ИПФ, ПГИ, ИСЗФ).
• Формирование и устойчивость магнитосфер планет и, в том числе, с наведенным магнитным полем (ИКИ, ИРЭ, ИЗМИРАН, ИСЗФ).
• Генерация и распространение излучений, роль волновых процессов в динамике магнитосферной плазмы (ИПФ, ИКИ, ПГИ).

В 2009 году, по решению Совета программы, в рамках направления «Динамика магнитосфер Земли и планет» будут проводиться исследования радиоизлучения экзопланет – планет, расположенных вне солнечной системы. Предпосылками этих исследований является открытие более 200 экзопланет, которые могут иметь собственное магнитное поле и, соответственно, в результате его взаимодействия с потоками плазмы от звезды должно генерироваться излучение, аналогичное АКР от Земли и ДРИ от Юпитера. В рамках исследований будет сделана оценка регистрации такого излучения на орбите Земли.

2.4. Направление «4. Ионосферные эффекты взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой Земли и планет земной группы»

Солнечный ветер воздействует на магнитосферно-ионосферную систему, вызывая резкие изменения структуры околоземного пространства. Влияние оказывают вариации всех параметров солнечного ветра – скорости, плотности и вмороженного в него магнитного поля. Энергия солнечного ветра поступает в ионосферу Земли через разные каналы посредством потоков ускоренных частиц, волновых возмущений разных типов, электрических полей и токов. В результате отклик ионосферы на воздействие солнечного ветра носит очень сложный характер, многие аспекты которого до сих пор изучены слабо, несмотря на большое количество исследований. Солнечный ветер контролирует состояние магнитосферно-ионосферной системы и в спокойное время, но наиболее сильно его влияние сказывается во время интенсивных магнитных бурь. Поэтому наибольший интерес и внимание в проекте будет уделено исследованию реакции ионосферы на сильные магнитные бури, вызванные вариациями параметров солнечного ветра. Экспериментальной базой исследования являются данные спутников (Интеркосмос-19, Космос-1809, Космос-900, Болгария-Интеркосмос-1300, DMSP, АЕ-С, ISS-b, Интербол, Geotail, GOES и IRM), данные глобальной сети магнитных станций, а также станций наземного зондирования и данные радаров некогерентного рассеяния, доступные в Интернет.

2.5. Направление «5. Лабораторное моделирование плазменных процессов» данной программы, включающее четыре два проекта, посвящено постановке и проведению лабораторных экспериментов по динамике токовых слоев, моделированию солнечных вспышек и других вспышечных явлений, а также взаимодействию радиоизлучения с замагниченной плазмой.

Одна из задач этого направления (ИОФ) состоит в исследовании закономерностей формирования и эволюции токовых слоев в плазме и характеристик магнитного пересоединения, т.е. процессов, ответственных за многие нестационарные явления в солнечной короне, в хвосте магнитосферы Земли, в области магнитопаузы и т.д. Особое внимание будет сконцентрировано на изучении условий и характерных особенностей разрушения токового слоя – нестационарного процесса взрывного типа, в котором должна происходить генерация высокоэнергичных потоков плазмы и ускоренных частиц. Динамика токовых слоев будет исследоваться преимущественно в трехмерных (3D) неоднородных магнитных полях различной структуры. Подчеркнем, что имеется глубокая аналогия между процессами разрушения токового слоя, с одной стороны, и такими явлениями, как вспышки на Солнце и суббури в магнитосфере Земли, с другой стороны. Для проведения экспериментальных исследований будет использоваться специально созданная в ИОФ РАН уникальная экспериментальная установка ТС-3D, которая позволяет варьировать в широких пределах структуру и параметры 3D магнитных конфигураций и другие условия эксперимента. Планируется развитие прогрессивных многоканальных методов диагностики плазмы, включая рентгеновские, спектральные и магнитные, а также методов голографической интерферометрии, которые обеспечивают получение объемных массивов информации о структуре и свойствах плазменных образований. Это позволит исследовать самоорганизацию замагниченной плазмы и формирование мелкомасштабных структур, что имеет принципиальное значение для космической плазмы. Результаты экспериментов по динамике токовых слоев будут анализироваться и сопоставляться с астрофизическими явлениями типа магнитосферных суббурь и солнечных вспышек на основе использования безразмерных параметров.

2.6. Направление «6. Применение методов нелинейной физики для исследования физических явлений в гелиосфере» было включено в программу впервые.

Последние экспериментальные результаты и развитие теории наглядно демонстрируют, что гелиосфера является открытой нелинейной системой. Поэтому применение методов и подходов, принятых в нелинейной физике, является довольно плодотворным при изучении различных плазменных процессов в гелиосфере, и с их помощью уже получены и будут получены важные научные результаты.

Программа рассчитана на 3 года. Основные этапы выполнения Программы формируются на основе составляющих ее проектов, длительность каждого этапа не превышает один год. Подготовка отчетных материалов будет сделана по результатам ежегодного совещания по Программе (см. п.4.) и представлена в ОФН.

4. МЕХАНИЗМ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОГРАММЫ.

Общая координация работ по проекту будет проводиться советом Программы, в состав которого помимо ведущих научных сотрудников Институтов РАН, принимающих участие в Программе, входят представители ВУЗов, других ведомств и стран. Для выработки общих подходов, уточнения постановки задач и обмена полученными результатами в рамках Программы будут проводиться ежегодные совещания всех участников Программы (ответственные - координатор и совет Программы), Кроме этого планируется проведение совместных семинаров и рабочих встреч по направлениям и/или отдельным проектам (ответственные - координаторы направлений и руководители проектов).

Результаты работ по программе будут представлены для опубликования в ведущие научные издания.

В рамках Программы будет продолжено поддержание специального сайта в сети ИНТЕРНЕТ (http://solarwind.cosmos.ru/), который будет содержать:

• научную часть, открытую для всех пользователей сети, в которой будут содержаться основные результаты и файлы статей;
• рабочую часть для участников программы (обмен текущей информацией, данными и пр.)
• научно-популярную часть, рассказывающую о предмете исследований и о новостях в этой области,
• образовательная часть (словарь терминов и их объяснение)

Для более широкой информации о результатах Программы будут подготовлены научно-популярные статьи (в ТЗ на выполнение проектов будет включена подготовка научно-популярных статей для опубликования в средствах массовой информации).

5. ОЦЕНКА НАУЧНОЙ ЗНАЧИМОСТИ И СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОГРАММЫ.

Научная значимость Программы определяется как поставленными задачами, так и высокой квалификацией и опытом коллективов, участвующих в выполнении Программы, заведомо достаточными для успешной реализации основных направлений Программы, как в теории, так и в эксперименте.

В частности, экспериментальные и теоретические исследования ИКИ по динамике магнитосферных токовых слоев и плазменных неустойчивостей занимают передовые позиции в мировой науке. Хорошо известны работы по структуре и динамике солнечного ветра и его связи с солнечной короной и магнитосферными явлениями, химическому и ионизационному составу солнечного ветра. Результаты космических экспериментов ИКИ в магнитосфере Земли и солнечном ветре являются общепризнанными мировым научным сообществом.

Научному коллективу из ИПФ принадлежат передовые позиции в мире в исследованиях магнитосферных циклотронных мазеров, начиная с пионерских работ 1963 года и кончая рядом новых идей и результатов последнего времени. Высокий потенциал и уже имеющийся задел ИПФ в экспериментальных исследованиях по физике плазмы позволяет надеяться на успешную постановку работ по лабораторному моделированию многих магнитосферных явлений, особенно в области циклотронных мазеров. Первые успешные результаты в этой области были получены в 2002 г.

Коллектив ИЗМИР обладает большим опытом и имеет признанные достижения в исследованиях ионосферы, экспериментальных исследованиях электромагнитных полей в космосе и физике Солнца.

Высоким авторитетом в нашей стране и за рубежом пользуются работы коллектива ИРЭ по исследованию плазменных оболочек планет солнечной системы радиофизическими методами. Близкими задачами, но c использованием другой экспериментальной базы, занимается ПРАО АКЦ ФИАН, и ее результаты также хорошо известны среди специалистов.

Широко известны экспериментальные и теоретические работы сотрудников ПГИ в исследовании плазменно-волновых процессов. Коллектив ПГИ обладает налаженной системой наземных оптических измерений и регистрацией электромагнитных излучений.

Научные результаты ИСЗФ СО РАН охватывают широкий спектр вопросов солнечно-земной физики: от проблем солнечной атмосферы и генерации различных типов течений солнечного ветра до динамики магнитосферы, связанной с вариациями параметров межпланетной среды, и эти результаты хорошо известны среди специалистов.

Многие космические эксперименты, осуществленные ФТИ, были пионерскими в исследованиях солнечного ветра. К ним в частности относятся измерения массового и изотопного состава ионов солнечного ветра.

Все участники Программы имеют теоретический и экспериментальный задел (базы данных, программные и аппаратные средства), который позволит получить результаты, не уступающие мировому уровню.

Отличительной особенностью программы «Плазменные процессы в солнечной системе» является ее комплексный многодисциплинарный характер. Факт поддержки ОФН такой программы означает, на наш взгляд, признание нового направления науки, находящегося на стыке астрофизики, физики плазмы, радиофизики, геофизики и магнитной гидродинамики. Такой комплексный подход позволяет получить качественно новое знание о физических механизмах на протяжении всей цепочки, обеспечивающей передачу массы, импульса и энергии от Солнца к Земле посредством солнечного ветра, а также отклика различных физических областей околоземного пространства на состояние межпланетной среды.

Важно также отметить, что гелиосфера, заполненная потоком солнечного ветра, представляет собой гигантскую лабораторию, в которой реализуются разнообразные физические процессы, которые невозможно реализовать в земных условиях, как в силу экстремальных значений некоторых параметров, так и в силу отсутствия стенок у такой природной экспериментальной установки. В силу этого исследования солнечного ветра и его взаимодействия с различными структурами внешних областей планет и других тел солнечной системы позволяет получить новые знания по физике плазмы, магнитной гидродинамики и радиофизики. По существу исследования солнечной атмосферы, солнечного ветра и магнитосферы как плазменных объектов вобрали в себя все основные достижения физики плазмы и явились стимулом для ее дальнейшего развития. Актуальными проблемами являются динамика и устойчивость токовых слоев и сдвиговых течений в замагниченной частично ионизированной плазме, формирование плазменной и МГД турбулентности, эффекты самоорганизации магнитосферы как открытой неравновесной системы, функционирование магнитосферных циклотронных мазеров.

Помимо чисто научного интереса, наблюдения солнечного ветра представляют большое практическое значение, так как плазма солнечного ветра является основным агентом, с помощью которого активные процессы на Солнце оказывают влияние на состояние околоземного космического пространства и магнитосферы Земли. Изучение динамики геомагнитосферы необходимо для решения как научных, так и практических задач в области космонавтики, радиосвязи, метеорологии и климатологии и тех видов деятельности, которые существенно от них зависят, в частности сельского хозяйства, биологии и медицины. Этот аспект солнечно-земных связей, названный в начале XX века выдающимся ученым А.Л.Чижевским "Космической погодой", в последнее время заслуженно пользуется повышенным интересом, как у научных работников, так и у представителей многих других специальностей.

К работам по Программе будут привлекаться студенты и аспиранты, работающие в наших институтах.