к библиотеке к оглавлению FAQ по эфирной физике ТОЭЭ ТЭЦ ТПОИ ТИ

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике

А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Э Ю Я

Пересоединение магнитных полей в плазме

Пересоединение магнитных полей в плазме - физ. процесс, связанный с высвобождением запасов магн. энергии, накапливаемой в разл. плазменных конфигурациях, и её преобразованием в кинетич. и тепловую энергию плазмы. Часть энергии, выделяемой при П., может передаваться небольшой группе частиц, ускоряемых при этом до очень высоких (иногда ультрарелятивистских) энергий. При П. обязательно изменяется тонология магн. поля - возникают новые магн. структуры: петли магн. линий, магн. острова, нейтральные точки и нейтральные линии магн. поля, течения плазмы. Процесс П. играет важную роль во мн. физ. явлениях, происходящих в космич. и термоядерной плазмах.
Перестройка топологии магн. поля, происходящая при П., связана с нарушением вмороженности магн. силовых линий в плазму. Условие вмороженности магн. поля в плазму записывается как равенство нулю электрич. поля, индуцируемого движением со скоростью v идеально проводящей среды:

(см. Вмороженностъ магнитного поля).

В рамках магн. гидродинамики с использованием закона Ома, связывающего величину тока j с величиной электрич. поля Е, в движущейся системе координат

нарушение вмороженности означает наличие в (1) справа не равных нулю членов. Если не равен нулю первый член вследствие конечной (а не бесконечной) проводимости а плазмы, возникает т. н. резистивный механизм П. Второй, инерционный, механизм П. обусловлен конечностью массы m_е носителей тока - электронов. Анализ процесса П. с помощью кинетич. теории позволяет добавить к этим двум механизмам третий, связанный с бесстолкновит. резонансным процессом - квантовым затуханием. Возможны и модификации этих трёх механизмов, напр. аномальное сопротивление, возникающее при рассеянии электронов на разл. микронеустой-чивостях, к-рые могут возбуждаться в плазме.
При МГД-подходе на основе указанных выше механизмов явление П. можно рассматривать или как вынужденный, или как спонтанный процесс.
В моделях вынужденного П. (модель Паркера - Свита, модель Петчека) изучаются течения плазмы под действием приложенного к ней внеш. электрич. поля E₀. Магн. поля В₀ на границах системы, показанной на рис. 1, прибл. антипараллельны, поэтому в ней существует особая линия, наз. нейтральной (или нулевой), перпендикулярная плоскости рис. 1, на к-рой магн. поле обращается в нуль или имеет компоненту только вдоль указанной линии. Под действием электрич. поля плазма вместе с силовыми линиями магн. поля дрейфует со скоростью и (см. Дрейф заряженных частиц)к нейтральной линии, где происходят разрыв магн. силовых линий и соединение их уже в новой комбинации.

Рис. 1. Модель вынужденного пересоедниения, предложенная X. Петчеком. Пересоединение силовых линий осуществляется в малой диффузионной области 1.

Перестройка поля должна уменьшить общую длину силовых линий, а значит, и энергию поля, уменьшается и плотность тока в нейтральной линии. Пересоединившиеся силовые линии выносятся из области П. (цифра 1 на рис. 1) вместе с плазмой, ускоряемой до скоростей порядка альвеновской(п - плотность плазмы).
Скорость П. силовых линий характеризуется безразмерной величиной (числом Маха):

Исследование МГД-моделей показало, что темп П. слабо зависит от конкретных механизмов П., а определяется гл. обр. граничными условиями, т. е. способом организации течения плазмы к области П. По модели Паркера - Свита процесс диссипации магн. поля осуществляется лишь в малой диффузионной области 1 (рис. 1) в окрестности нейтральной линии, где аннигилирует лишь небольшое кол-во магн. энергии; темп П. в этом случае где - магн. Рейнолъдса число, L - характерный размер слоя. Для солнечной плазмы магн. число Рейнольдса очень велико, и поэтому скорость сближения магн. силовых линий составляет малую часть альвеновской скорости. В модели Петчека кроме диффузионной области имеется ещё и волновая: четыре стоячие ударные волны (медленно движущиеся относительно плазмы), в к-рых осуществляется осн. перестройка магн. поля. Пересекая ударные волны, плазма отворачивает вправо или влево от области П., и магн. силовые линии перезамыкаются в новые конфигурации. Это позволяет повысить темп П. до величины М ~ 1/lnRe_m. Подобные модели [1] могут использоваться и в бесстолкновит. плазме, если толщина слоя настолько мала, что возможны развитие токовых неустойчпвостей и возникновение аномального сопротивления.
Вынужденное П. рассматривалось также X. Альвеном в модели движения отд. частиц. Пренебрегая тепловыми скоростями электронов и ионов, в этой модели можно найти самосогласов. связь электрич. и магн. нолей и получить для темпа П. величину где d - поперечный размер системы, - ионная плазменная частота.
В модели разрыва нейтрального слоя, предложенной С. И. Сыроватским [2], процесс П. рассматривается как динамический и существенно нестационарный. Исходная конфигурация магн. полей имеет прибл. такой же вид, как на рис. 1, но величина электрич. поля полагается настолько большой, что вместо квазистационарного течения плазмы в системе реализуется течение кумулятивного типа. Поток вмороженного в плазму магн. поля, поступающий к нейтральной линии, не успевает пересоединиться и "расплющивает" её в широкий токовый слой, вблизи к-рого плотность частиц прогрессирующе убывает, что приводит к разрыву слоя. При быстрых перестройках (разрывах) магн. поля возникают сильные импульсные индукц. электрнч. поля_: к-рые могут ускорять заряж. частицы до больших скоростей (см. Разрывы магнитогидродинамические). Динамич. модели вынужденного П. используются при исследовании вспышек на Солнце. Подобные явления наблюдались и при лаб. моделировании процесса П. При рассмотрении П. как спонтанного (самопроизвольно возникающего) процесса простейшая модель нейтрального слоя (рис. 2,а) представляет собой плазменную конфигурацию с антипараллельными магн. полями, в центре к-рой существует плоскость, где магн. поле обращается в нуль. В более общем случае в системе возможно и магн. поле, перпендикулярное плоскости рисунка.

Рис. 2. Нейтральный слой в плазме: а - конфигурация неустойчива ил-за притяжения друг к другу параллельных токов, текущих поперёк магнитного поля (кружки); б - спонтанное пересоединение магнитных полей (образование магнитных островов).

Важно, чтобы имелась компонента магн. поля, меняющая свой знак (на рис. 2 по оси z). Неоднородное магн. поле, показанное на рис. 2, создаётся поперечными токами, локализованными в окрестности нейтрального слоя. Как всякие параллельные токи, эти токи притягиваются друг к другу и стремятся "слипнуться" в токовые волокна (линчевание тока). Для того чтобы тенденция токов к линчеванию реализовалась, необходимо, чтобы в рассматриваемой системе имелся хотя бы один из тех механизмов нарушения вмороженности, о к-рых говорилось выше. Линчевание ведёт к перестройке магн. поля - перезамыканию магн. силовых линий и образованию магн. островков (рис. 2,б). Спонтанный процесс П. (т. е. разрыва силовых линий существующего магн. поля) обычно наз. разрывной (или тиринг-) неустойчивостью (РН). В зависимости от того, какой физ. механизм ответствен за разрыв магн. поля, рассматривают резистнвные, инерционные и резонансные моды РН. Для процессов в высокотемпературной космич. плазме характерна резонансная мода РН, связанная с бесстолкновит. передачей энергии резонансным частицам ( квантовое затухание ). В термоядерных установках проявляются т. н. полустолкновит. кинетич. режимы РН, для к-рых уже неприменимо простое МГД-описание. Конкретным механизмом П. определяется характерное время процесса, но качественно во всех случаях эволюция системы осуществляется аналогичным образом, показанным на рис. 2. Спонтанное П. также удаётся наблюдать в лаб. экспериментах. Для анализа устойчивости реальных плазменных конфигураций необходимо учесть влияние всегда имеющейся нормальной компоненты магн. поля. Даже очень малая величина этой компоненты меняет свойства системы (особенно в бесстолкновит. случае) кардинальным образом [3]: РН стабилизируется, и конфигурация приобретает метастабильные свойства.
Магн. конфигурация с обращённым полем при наличии нормальной компоненты (рис. 3) способна накопить значит. кол-во магн. энергии без её немедленного высвобождения. Срыв процесса накопления при достижении системой порогового значения ведёт к бурному взрывному выделению запасённой энергии. Эта способность процессов П., по-видимому, проявляется в солнечных вспышках [4] и магнитосферных суббурях .

Рис. 3. Метастабильная магнитная конфигурация с обращённым магнитным полем при наличии нормальной компоненты.

П. является одним из осн. физ. процессов, контролирующих структуру и динамику магнитосферы. Согласно модели Данжи [5], межпланетное и геомагн. поля впервые пересоединяются в лобовой области на границе магнитосферы (рис. 4), где П. носит импульсивный нестационарный характер. Пересоединившиеся магн. волокна диам. ~ 1 - 2 радиуса Земли (рис. 5) вместе с потоком обтекающей магнитосферу солнечной плазмы уносятся на ночную сторону в магнитосферный хвост, где и пересоединяются в обратной последовательности [6]. Топологич. связь межпланетного поля с магн. полем Земли и наличие конвективных движений плазмы в магнитосфере, связанных с П., доказаны многолетними наземными и спутниковыми наблюдениями.

Рис. 4. Модель перссоединения магнитных силовых линий. X_D, X_N - дневная (лобовая) и ночная (в хвосте магнитосферы) нейтральные области. Светлыми стрелками показано направление обтекания солнечным ветром магнитосферы.

Процесс П. важен и в физике Солнца. Нагрев верх.

Рис. 5. Образование трубок магнитных силовых линий при спонтанном пересоединении на границе магнитосферы Земли.

Рис. 6. Модель пересоединения всплывающего магнитного потока с лежащим выше полем для небольшой солнечной вспышки. q - потоки тепла. Тёмные стрелки - потоки плазмы. Заштрихована зона аннигиляции магнитных полей.

Хромосферы и короны Солнца всё чаще связывают с диссипацией магн. полей (т. е. с одной из форм П.). П. магн. силовых линий используется в самых разнообразных моделях солнечных вспышек. По одной из таких моделей небольшой петельной вспышки всплывающий поток (рис. 6) пересоединяется с лежащим выше полем. Выделяющееся тепло и ускоряемые частицы направляются вниз в ниж. часть хромосферы, где вызывают-вспышку [7] (см. Вспышка на Солнце).

Литература по

Vasу1inas V. M., Theoretical models of magnetic field line merging, "Revs Geophys. and Space Phys.", 1975, v. 13, № 1, p. 303; 2) Нейтральные токовые слои в плазме, "Тр. ФИАН", 1974, т. 74; 3) Галеев А. А., 3елёный Л. М., Метастабильные состояния диффузного нейтрального слоя и взрывная фаза суббури, "Письма в ЖЭТФ", 1975, т. 22, № 7, с. 360; 4) Сомов Б. В., Проблемы физики солнечных вспышек, М., 1982, с. 5 - 52; 5) Акасофу С. И., Чепмен С., Солнечно-земная физика, пер. с англ., ч. 2, М., 1975, с. 50; 6) 3елёный Л. М., Динамика плазмы и магнитных полей в хвосте магнитосферы Земли, в кн.: Итоги науки и техники. Сер. Исследования космического пространства, т. 24, М., 1986; 7) Прист Э. Р., Солнечная магнитогидродинамика, пер. с англ., М., 1985.

Л. М. Зелёный.

к библиотеке к оглавлению FAQ по эфирной физике ТОЭЭ ТЭЦ ТПОИ ТИ

Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.

НОВОСТИ ФОРУМА

Рыцари теории эфира