Прискорення заряджених частинок у турбулентних плазмових потоках

Козак, Л., Петренко, Б., & Халімоненко, Н. (2025). Прискорення заряджених частинок у турбулентних плазмових потоках. Вісник Київського національного університету імені Тараса Шевченка. Астрономія, 2 (72), 33-38. https://doi.org/10.17721/BTSNUA.2025.72.33-38

Background. The acceleration of charged particles in space plasma is a key process that shapes the energy spectra of solar particles and cosmic rays. The most important mechanisms are diffusive shock acceleration (Fermi-I) at shock fronts and stochastic acceleration (Fermi-II) in turbulent environments. Their efficiency strongly depends on plasma parameters in different cosmic regions: the solar corona, the solar wind, and the Earth’s magnetosphere.
Methods. To investigate stochastic proton acceleration, a test-particle approach was applied within a stochastic model of turbulent diffusion. The simulation involved 5000 particles with an initial normalized momentum. The number of integration steps was set to 100 with a time step of 1 s. The momentum diffusion coefficient was specified separately for each environment: 0.02 for the solar corona, 0.015 for the solar wind, and 0.01 for the Earth’s magnetosphere.
Results. Time evolution of the average normalized momentum and particle energy distributions was obtained. In the solar corona, the most intensive momentum growth and the formation of extended power-law distribution tails were observed, consistent with fluxes reaching energies up to hundreds of MeV. In the solar wind, the efficiency of stochastic acceleration was lower: spectra exhibited a limited energy increase up to hundreds of keV, in agreement with observations of interplanetary particle fluxes. In the Earth’s magnetosphere, the average momentum grew the slowest, and spectra had shorter tails; however, local processes (magnetic reconnection, dipolarization, plasmoids) provided additional acceleration of electrons and ions up to tens–hundreds of keV.
Conclusions. The results confirm the universality of Fermi mechanisms: in the corona they produce high energies at CME shock fronts and in turbulent loops; in the solar wind stochastic “re-acceleration” on Alfvén waves dominates; in the Earth’s magnetosphere Fermi processes operate on smaller scales in reconnection regions. Thus, differences in plasma parameters determine the efficiency of acceleration, but the underlying physical principles remain common across all environments.

Передумови. Прискорення заряджених частинок у космічній плазмі є ключовим процесом, який формує енергетичні спектри сонячних частинок та космічних променів. Найважливішими механізмами є дифузійне ударне прискорення (Фермі-I) на фронтах ударних хвиль та стохастичне прискорення (Фермі-II) у турбулентних середовищах. Їх ефективність сильно залежить від параметрів плазми в різних космічних областях: сонячній короні, сонячному вітрі та магнітосфері Землі.
Методи. Для дослідження стохастичного прискорення протонів було застосовано підхід тестових частинок у рамках стохастичної моделі турбулентної дифузії. Моделювання включало 5000 частинок з початковим нормалізованим імпульсом. Кількість кроків інтегрування було встановлено на 100 з кроком за часом 1 с. Коефіцієнт дифузії імпульсу задавався окремо для кожного середовища: 0,02 для сонячної корони, 0,015 для сонячного вітру та 0,01 для магнітосфери Землі.
Результати. Було отримано часову еволюцію середнього нормалізованого розподілу імпульсу та енергії частинок. У сонячній короні
спостерігалося найінтенсивніше зростання імпульсу та формування протяжних хвостів степеневого розподілу, що узгоджується з потоками, що досягають енергій до сотень МеВ. У сонячному вітрі ефективність стохастичного прискорення була нижчою: спектри демонстрували обмежене збільшення енергії до сотень кеВ, що узгоджується зі спостереженнями міжпланетних потоків частинок. У магнітосфері Землі середній імпульс зростав найповільніше, а спектри мали коротші хвости; однак локальні процеси (магнітне перез'єднання, диполяризація, плазмоїди) забезпечували додаткове прискорення електронів та іонів до десятків-сотень кеВ.
Висновки. Результати підтверджують універсальність механізмів Фермі: у короні вони створюють високі енергії на фронтах ударної хвилі корональної маси та в турбулентних петлях; у сонячному вітрі домінує стохастичне «переприскорення» на альвенівських хвилях; у магнітосфері Землі процеси Фермі діють на менших масштабах в областях перез'єднання. Таким чином, відмінності в параметрах плазми визначають ефективність прискорення, але основні фізичні принципи залишаються спільними для всіх середовищ.