Лаборатория физической газовой динамики. Юбилейные материалы и достижения 2015–2025 к 60-летию ИПМех РАН

• Наиболее значимые результаты за 2015–2025 гг.
• Из истории лаборатории

Наиболее значимые результаты за 2015–2025 гг.

1. Глобальная кинетико-МГД модель взаимодействия солнечного ветра с межзвездной средой

   Основным направлением научных исследований лаборатории с момента ее образования (1987 г.) является создание и совершенствование глобальной модели гелиосферы и взаимодействия солнечного ветра с межзвездной средой в тесной связи с анализом экспериментальных данных космических аппаратов Вояджер 1 и 2, Улисс, Interstellar Boundary Explorer (IBEX), Solar and Heliospheric Observatory (SOHO), Hubble Space Telescope (HST) и др. Созданная модель позволила с хорошей точностью предсказать расстояния до пересечения Вояджерами гелиосферной ударной волны, а также немонотонное распределение атомов водорода в межзвездной среде («водородная стенка») (Баранов и Малама, 1993), получившими впоследствии экспериментальное подтверждение. Современная глобальная модель учитывает множество физических факторов, включая нестационарность и неоднородность солнечного ветра, распределения межпланетного и межзвездного магнитных полей, многокомпонентный состав плазмы (нейтралы, ионы, частицы различных энергий и т. п.). Учет магнитного поля позволил объяснить асимметрию в форме гелиосферной ударной волны и гелиопаузы (поверхность, отделяющая солнечный ветер от межзвездной среды), а также отклонение в движении межзвездных атомов водорода (Измоденов и Алексашов, 2015, 2020, 2023).

   • 
     Схематическая структура области
     взаимодействия солнечного ветра
     с межзвездной средой
   • 
     Положение TS и HP по результатам
     нестационарных моделей в сравнении
     с траекторией Вояджера 1 и 2
     (Измоденов и Алексашов, 2020)
   • 
     Анализ зависимости формы гелиопаузы
     и магнитного поля вблизи нее от параметров
     межзвездного магнитного поля.
     Наиболее точное соответствие данным Вояджеров
     показала модель 1 с углом BV = 60 градусов
     и В = 3.75 мкГ (рис. В1, С1)
     (Измоденов и Алексашов, 2020)
   • 
     Учет теплопроводности вдоль силовых линий
     позволяет смоделировать толщину гелиосферного ударного слоя
     в соответствии с измерениями Вояджера 1 и 2
     (Измоденов и Алексашов, 2023)
     Рисунки А) и С) – плотность и температура
     в модели 1 с учетом теплопроводности
   1. Izmodenov, V.V., Alexashov, D.B. Three-dimensional Kinetic-MHD Model of the Global Heliosphere with the Heliopause-surface Fitting. The Astrophysical Journal Supplement Series, Vol. 220, Iss. 2, article id. 32, 14 pp. (2015) DOI: 10.1088/0067-0049/220/2/32
   2. Izmodenov V.V., Alexashov D.B. Magnitude and direction of the local interstellar magnetic field inferred from Voyager 1 and 2 interstellar data and global heliospheric model. Astronomy and Astrophysics (633), L12, (2020) DOI: 10.1051/0004-6361/201937058
   3. Izmodenov V.V., Alexashov D.B. The strong effect of electron thermal conduction on the global structure of the heliosphere. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Vol. 521, Iss. 3, p. 4085-4090 (2023) DOI: 10.1093/mnras/stad741
2. Исследование устойчивости гелиопаузы

   Теоретическое предсказание существования гелиопаузы, поверхности, отделяющей течение заряженной компоненты солнечного ветра от течения соответствующей компоненты плазмы межзвездной среды, основано на исследовании ее устойчивости по отношению к бесконечно малым возмущениям. Такие исследования в лаборатории проводились регулярно с учетом добавления новых физических факторов. В одном из последних исследований учтены эффекты перезарядки атомов водорода на протонах (Чалов, 2019). Показано, что процесс перезарядки приводит к новым неустойчивым режимам, при которых рост возмущений, в отличие от неустойчивости Кельвина-Гельмгольца, не зависит явно от скорости плазмы солнечного ветра относительно межзвездной среды.

   1. Chalov S.V. Kelvin–Helmholtz instability of velocity tangential discontinuity in partly ionized plasma with charge exchange, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Vol. 482, Iss. 2, p. 1664-1669 (2019) DOI: 10.1093/mnras/sty2750
3. Сравнение потоков энергичных частиц с данными космических аппаратов Вояджер

   На основе созданной глобальной трехмерной кинетико-МГД модели взаимодействия солнечного ветра с межзвездной средой проводится моделирование различных физических процессов, результаты которого затем используются для анализа экспериментальных данных. В частности, потоки энергичных протонов, измеренные на космических аппаратах Вояджер 1 и 2 в диапазоне от 30 кэВ до нескольких мэВ, могут быть объяснены на основе теории дрифтового ускорения частиц при прохождении ими гелиосферной ударной волны. Численное моделирование показало, что хорошее совпадение с данными Вояджеров достигается в случае учета реальных (на основе измерений) вариаций направления магнитного поля в окрестности ударной волны, связанных с шириной токового слоя (Чалов, Малама, Алексашов, Измоденов, 2016).

   • 
     Потоки энергичных протонов, смоделированные
     для различной толщины гелиосферного токового слоя (20, 30 и 40 градусов)
     в сравнении с данными Вояджеров (отрезки прямых)
     после пересечения ими гелиосферной ударной волны
   1. Chalov S.V., Malama Y.G., Alexashov D.B., Izmodenov V.V. Acceleration of interstellar pickup protons at the heliospheric termination shock: Voyager 1/2 energetic proton fluxes in the inner heliosheath, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Vol. 455, Iss. 1, p. 431-437 (2016) DOI: 10.1093/mnras/stv2323
4. Модель взаимодействия кометных атмосфер с солнечным ветром

   Основное отличие данной модели состоит в нагружении солнечного ветра тяжелыми ионами воды, источником которых являются испаряющиеся с поверхности кометного ядра молекулы воды, ионизованные солнечным излучением. Данный факт приводит к значительному отходу (до 100 и более раз) ударной волны в солнечном ветре (Баранов и Лебедев, 1986), что было точно подтверждено экспериментально космическим аппаратом Джотто при его пролете вблизи кометы Галлея. Современная модель дополнительно учитывает эффекты солнечного магнитного поля и перезарядки нейтральных атомов, что позволило точнее проинтерпретировать данные космического аппарата Розетта при его облете кометы Чурюмова-Герасименко в 2014-2016 годах (Алексашов, Баранов и Рудерман, 2022). Построенная модель позволяет объяснить множественные события (>100) исчезновения магнитного поля («cavity») в измерениях Розетты за счет искажения формы кометопаузы вследствие неустойчивости с последующими ее пересечениями Розеттой, которая периодически оказывается в кометной атмосфере, где магнитное поле отсутствует. Из результатов моделирования следует, что траектория Розетты могла часто пересекать кометопаузу (CP) в период, когда комета находилась вблизи точки перигелия (июль-август 2015) и когда были зарегистрированы множественные «cavity».

   • 
     комета Чурюмова-Герасименко
     (снимок камерой КА «Розетта»
     14 марта 2015, NASA)
   • 
     Траектория КА «Розетта»,
     октябрь-декабрь 2014
     (источник ESA)
   • 
     Траектория КА Розетта, положение внутренней ударной волны,
     кометопаузы и внешней ударной волны в солнечном ветре;
     зелеые отрезки – множественные события исчезновения магнитного поля («cavity»)
   • 
     Численное исследование неустойчивости кометопаузы,
     отделяющей ионизованную компоненту кометного газа от плазмы солнечного ветра.
     Теоретическое исследование показало доминирование неустойчивости типа Рэлея-Тейлора,
     вызванной процессом перезарядки, и подтвердило корректность численных расчетов
   • 
     Измерения магнитного поля
   • 
     Модель показывает хорошее соответствие величины
     магнитного поля с соответствующими измерениями Розетты
   • 
     Теоретическое исследование неустойчивости кометопаузы.
     На рисунке показан инкремент роста/убывания возмущений.
     Максимум роста в точке В точно соответствует частоте возмущений,
     полученных при численном моделировании.
   1. Alexashov D.B., Baranov V.B., Ruderman M.S. On the stability of tangential discontinuity in the interaction of solar wind and cometary atmospheres. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Vol. 513, Iss. 1, p. 223-231 (2022) DOI: 10.1093/mnras/stac848
5. Исследования в области прикладных проблем гидроаэромеханики

   Помимо основной тематики исследований, связанной с космической плазмой, в лаборатории проводятся исследования различных прикладных проблем гидроаэромеханики. Прежде всего, это исследования турбулентных течений, каталитического воспламенения различных смесей, методов удаленной диагностики с помощью оптоэлектронных устройств, процессов синтеза твердых частиц за волнами горения и т.п. В частности, Разработаны многотемпературные модели и проведены исследования синтеза титаната бария и нитрида циркония, позволившие оценить влияние переменной пористости, дисперсии массы и температуры на процесс синтеза и уплотнения частиц. Благодаря высокой твердости температуре плавления нитрид циркония находит применение в современных атомных электростанциях, в получении керамики и других материалов для использования в экстремальных условиях.

   1. Марков А.А. Моделирование синтеза микронных частиц титаната бария в осесимметричном прямоточном и трехзонном реакторе // Инженерно-физический журнал. 2021. Т. 94. № 5. С. 1343-1357.
      = Markov A.A. Modeling the Synthesis of Barium Titanate Micron Particles in Axisymmetric Direct-Flow and Three-Zone Reactors // J. Eng. Phys. Thermophy. 2021. Vol. 94. No. 5. P. 1312-1325. DOI: 10.1007/s10891-021-02412-8
   2. Марков А.А. Многотемпературная модель SPS реактора синтеза и уплотнения нитрида циркония // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2021. Т. 22. № 6. chemphys.edu.ru/issues/2021-22-6/articles/962/ DOI: 10.33257/PhChGD.22.6.962

Из истории лаборатории

Лаборатория «Физической газовой динамики» образовалась в ИПМех РАН в 1987 году в составе «Отдела космической газовой динамики» после перехода отдела из Института космических исследований (ИКИ) АН СССР. Отделом руководил его создатель и первый директор ИКИ АН СССР академик Георгий Иванович Петров. Отдел состоял из двух лабораторий: экспериментальной лаборатории «Физической кинетики», зав. лабораторией которой был В.Б. Леонас, и теоретической лаборатории «Физической газовой динамики» с зав лабораторией В.Б. Барановым (wikipedia, юбилейные поздравления). После кончины Владаса Бронислово Леонаса экспериментальная лаборатория распалась. С 2004 года по достижению В.Б. Барановым предельного для зав. лаборатории возраста лабораторию «Физической газовой динамики» возглавил С.В. Чалов. С 2021 г. лабораторию возглавляет к.ф-м.н. Д.Б. Алексашов.

Лаборатория занимает ведущее место в мире по созданию теоретических моделей физических явлений, встречающихся в космическом пространстве. Это ведущее место обусловлено пионерской работой Баранова, Краснобаева и Куликовского (Докл. АН СССР, 1970, 194, стр. 41), в которой предложена модель взаимодействия солнечного ветра со сверхзвуковым потоком межзвездного газа. Сверхзвуковой характер обтекания солнечной системы уже в 1971 году был подтвержден экспериментами на американском космическом аппарате OGO-5.

• 
  Основатель лаборатории
  академик Г.И. Петров
  (1912–1987)
• 
  Отдел «Космической газовой динамики» ИКИ АН СССР
  в день 70-летия Георгия Ивановича Петрова 31 мая 1982 года
  Рядом с Георгием Ивановичем сидят И.М. Яворская и Л.К. Пронина;
  стоят (слева направо) Ю.В. Лебедев, Л.В. Макарова,
  Н. Евланов, А.Б. Богоявленский, С.В. Чалов, Ю.А. Рылов,
  В.Б. Леонас, М.С. Рудерман, В.Б. Баранов, Н.И. Фомина,
  М.С. Грунтман, Ю.Г. Малама, О.Г. Онищенко, А.П. Калинин,
  С.Н. Подколзин и Н.М. Астафьева
• 
  Владимир Борисович Баранов
  (1934–2023)
  доктор физ.-мат. наук, профессор,
  основатель и зав. лабораторией
  с 1987 по 2004 гг.
• 
  Сергей Владимирович Чалов
  (1956–2021)
  доктор физ.-мат. наук
  зав. лабораторией с 2004 по 2021 гг.
• 
  Лаборатория «Физической газовой динамики»
  ИПМ АН СССР, 1990 г.
  Слева направо: Д.Б. Алексашов, В.В. Измоденов,
  Ю.А. Рылов, Ю.Г. Малама, А.А. Марков,
  М.С. Рудерман. В.Б. Баранов, С.В. Чалов,
  В.М. Зубарев, Х.С. Кестенбойм и М. Варгафтик
• 
  ИПМех РАН, 2003 г.
  Сидят (слева направо):
  Пронина Л.К., Баранов В.Б., Мясников А.В.
  Стоят (слева направо): Белов Н.А.,
  Рылов Ю.А., Немцов П., Рудерман М.С.,
  Малама Ю.Г., Чалов С.В., Алексашов Д.Б.
• 
  ИПМех РАН, 2010 г.
  Сидит: Баранов В.Б.
  Стоят (слева направо): Алексашов Д.Б.,
  Проворникова Е.А, Калинин А.П., Рылов Ю.А.,
  Кестенбойм Х.С., Измоденов В.В.,
  Рудерман М.С., Катушкина О.А.
• 
  Лаборатория «Физической газовой динамики»
  ИПМех РАН, 2020 г.
  Сидят (слева направо) Сергей Владимирович Чалов и Владимир Борисович Баранов;
  стоят (слева направо) Вячеслав Михайлович Зубарев, Владислав Валерьевич Измоденов,
  Владимир Адамович Алексин, Александр Петрович Калинин, Николай Афиногенович Белов,
  Андрей Алексеевич Марков и Дмитрий Борисович Алексашов
• 
  ИПМех РАН, 2023 г.
  Сидит: Титова А.
  Стоят (слева направо): Корольков С.Д,
  Балюкин И.И., Измоденов В.В.,
  Алексашов Д.Б. Белов Н.А.,
  Годенко Е.А., Калинин А.П.
• 
  Щелчкова Ирина Никитична
  Незаменимый помощник и консультант по
  административным и научным вопросам
  (в лаборатории с 1987 по 2015 год,
  Председатель профкома ИПМех РАН)

Информация на февраль 2025 г.