Simulation of a Multifractal Turbulent Electromagnetic Field in Cosmic Plasma

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

A two-dimensional model of a multifractal turbulent electromagnetic field is proposed that allows flexibly varying the width of the multifractal spectrum and the level of intermittency. The electromagnetic field is modeled using a superposition of wavelets that are distributed uniformly throughout the computational domain. By means of a special distribution of amplitudes, we ensure that the resulting field is multifractal and intermittent. This model was used to study the effect of multifractality and intermittency on the acceleration of charged particles in a turbulent field in the Earth’s magnetotail. It was shown that, in the case of a multifractal field, individual particles are able to achieve higher energy values in comparison with monofractal turbulence.

About the authors

N. N. Levashov

Moscow State University, 119991, Moscow, Russia; Space Research Institute, Russian Academy of Sciences, 117997, Moscow, Russia

Email: nn.levashov@physics.msu.ru
Россия, Москва; Россия, Москва

V. Yu. Popov

Moscow State University, 119991, Moscow, Russia4 Space Research Institute, Russian Academy of Sciences, 117997, Moscow, Russia; Higher School of Economics University, 101000, Moscow, Russia

Email: nn.levashov@physics.msu.ru
Россия, Москва; Россия, Москва; Россия, Москва

H. V. Malova

Space Research Institute, Russian Academy of Sciences, 117997, Moscow, Russia; Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics, Moscow State University, 119991, Moscow, Russia

Email: hmalova@yandex.ru
Россия, Москва; Россия, Москва

L. M. Zelenyi

Space Research Institute, Russian Academy of Sciences, 117997, Moscow, Russia

Author for correspondence.
Email: nn.levashov@physics.msu.ru
Россия, Москва

References

  1. 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
  2. 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
  3. 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
  4. 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
  5. 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
  6. 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).
  7. 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.
  8. 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
  9. 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
  10. Павлов А.Н., Анищенко В.С. Мультифрактальный анализ сигналов на основе вейвлет-преобразования // Изв. Саратовского ун-та. 2007. Т. 7. № 1. С. 3–25.
  11. Frisch U. Turbulence: The Legacy of A.N. Kolmogorov. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1995. 296 p. https://doi.org/10.1017/CBO9781139170666
  12. Божокин С.В., Паршин Д.А. Фракталы и мультифракталы. Ижевск: НИЦ Регулярная и хаотическая динамика, 2001. 128 с.
  13. Короленко П.В., Маганова М.С., Меснянкин А.В. Новационные методы анализа стохастических процессов и структур в оптике. М.: НИИЯФ МГУ, 2004. 82 с.
  14. 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
  15. 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
  16. Федер Е. Фракталы. М.: Мир, 1991. 254 с.
  17. 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
  18. 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
  19. 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
  20. 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
  21. 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
  22. 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.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (79KB)
3.

Download (18KB)
4.

Download (22KB)
5.

Download (44KB)
6.

Download (1MB)
7.

Download (71KB)
8.

Download (207KB)

Copyright (c) 2023 Н.Н. Левашов, В.Ю. Попов, Х.В. Малова, Л.М. Зеленый

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».