Магни́тное пересоедине́ние в плазме (пересоединение магнитных силовых линий), изменение топологии силовых линий магнитного поля, связанное с нарушением их вмороженности в плазму; обычно сопровождается высвобождением свободной магнитной энергии, накопленной в различных плазменных конфигурациях, и её преобразованием в тепловую и кинетическую энергию частиц, которые могут ускоряться вплоть до ультрарелятивистских скоростей. При пересоединении магнитных силовых линий возникают новые магнитные структуры: магнитные петли, острова, нейтральные точки и линии, новые течения плазмы.

Нарушение свойственной идеальной магнитной гидродинамике вмороженности магнитного поля в плазму обусловливает различные механизмы пересоединения магнитных силовых линий: резистивный (вызванный конечной электрической проводимостью плазмы $σ$), инерционный (обусловленный конечной массой носителей заряда – электронов), а также связанные с эффектом Холла, вязкостью и анизотропией давления электронной компоненты плазмы. Кинетическая теория позволяет учесть механизм пересоединения, связанный с бесстолкновительным резонансным затуханием Ландау. Пересоединение магнитных силовых линий возможно и при наличии аномального сопротивления, возникающего при рассеянии электронов на различных плазменных микронеустойчивостях. Различают вынужденное и спонтанное (происходящее без внешнего воздействия) пересоединение магнитных силовых линий.

В наиболее известных моделях вынужденного пересоединения (модели Паркера – Свита, Петчека и Сыроватского) изучаются течения плазмы под действием внешнего электрического поля напряжённостью ${\it \boldsymbol E}_0.$ В этих моделях магнитные поля с индукцией ${\it \boldsymbol B}_0$ на границах системы направлены антипараллельно, поэтому в центральной части системы существует особая нейтральная линия, где магнитное поле обращается в нуль. Скорость пересоединения магнитных силовых линий определяется граничными условиями, т. е. способом организации течения плазмы к области пересоединения, и числом Маха $M=u/v_A,$ где $u=cE_0/B_0\ -$ скорость плазменного потока, $v_A=B_0/(4\pi nm_i)^{1/2}\ -$ альвеновская скорость, $n\ -$ концентрация ионов плазмы с массой $m_i,$ $c\ -$ скорость света.

Рис. 1. Модель магнитного пересоединения Паркера – Свита.Рис. 1. Модель магнитного пересоединения Паркера – Свита.Согласно модели Паркера – Свита (рис. 1), процесс диссипации магнитного поля осуществляется лишь в малой диффузионной области размером $l=L/Re_m^{1/2}$ (здесь $Re_m=4\pi \sigma v_AL/c^2 \gg 1\ -$ магнитное число Рейнольдса, $L\ -$ характерная ширина слоя), где аннигилирует небольшое количество магнитного потока. В этом случае скорость пересоединения (отношение скорости втекающего потока к альвеновской скорости) равна $M=Re_m^{1/2}.$ Модель Паркера – Свита хорошо описывает процессы медленного пересоединения магнитных силовых линий в столкновительной плазме.

В модели Петчека (рис. 2) под действием скрещенных электрического ${\it \boldsymbol E}_0$ и магнитного ${\it \boldsymbol B}_0$ полей плазма вместе с вмороженными магнитными силовыми линиями дрейфует со скоростью $\it \boldsymbol u$ к нейтральной линии, перпендикулярной плоскости рисунка. Вокруг диффузионной области, где происходит разрыв и пересоединение силовых линий, расположены 4 стоячие ударные волны, пересекая которые потоки плазмы направляются направо или налево от области пересоединения. Ударные волны изгибают магнитные силовые линии; в итоге скорость пересоединения увеличивается до величины $M \sim 1/\ln Re_m.$

Рис. 2. Модель вынужденного пересоединения Петчека. Пересоединение силовых линий осуществляется в малой диффузионной области l. Синими линиями показаны ударные магнитогидродинамические волны, на которых происходит основное торможение плазменного потока. Иллюстрация: архив БРЭ. Рис. 2. Модель вынужденного пересоединения Петчека. Пересоединение силовых линий осуществляется в малой диффузионной области l. Синими линиями показаны ударные магнитогидродинамические волны, на которых происходит основное торможение плазменного потока. Иллюстрация: архив БРЭ. В модели разрыва нейтрального токового слоя Сыроватского процесс пересоединения магнитных силовых линий рассматривается как динамический и нестационарный (рис. 3). Исходная конфигурация магнитных полей схожа с конфигурацией модели Петчека, но в ней под действием электрического поля реализуется течение не квазистационарного, а кумулятивного типа. Поток вмороженного в плазму магнитного поля, поступающий к нейтральной линии со скоростью ${\it \boldsymbol u},$ не успевает пересоединиться и «уплотняется» в окрестности удлиняющегося в обе стороны токового слоя, где плотность частиц быстро убывает, что приводит к разрыву слоя. Возникают сильные импульсные индукционные электрические поля, которые могут ускорять частицы плазмы до больших скоростей. Модель Сыроватского, несмотря на большое количество упрощающих предположений, лучше других согласуется с современными данными прямых спутниковых измерений в магнитосфере Земли. Подобные динамические модели вынужденного пересоединения используются при исследовании солнечных вспышек и в лабораторных экспериментах.

Рис. 3. Модель токового слоя Сыроватского. Иллюстрация: архив БРЭ. Рис. 3. Модель токового слоя Сыроватского. Иллюстрация: архив БРЭ. Процесс спонтанного пересоединения впервые исследован в упрощённой модели Харриса нейтрального токового слоя с антипараллельными магнитными полями и нулевым поперечным компонентом. Нарушение вмороженности магнитного поля приводит к пинчеванию поперечного тока и образованию «магнитных островов» (см. в статье Нейтральный токовый слой). Спонтанный процесс пересоединения магнитных силовых линий называется разрывной неустойчивостью или тиринг-неустойчивостью. Существуют её резистивные, инерционные и резонансные моды. Для бесстолкновительной космической плазмы характерна резонансная мода, связанная с затуханием Ландау. Наличие нормальной компоненты магнитного поля кардинально меняет устойчивость системы. В бесстолкновительной плазме разрывная неустойчивость стабилизируется, но магнитная конфигурация метастабильна. В системе накапливается значительное количество магнитной энергии, которая при достижении пороговой величины взрывным образом высвобождается. Эти свойства процессов пересоединения магнитных силовых линий проявляются в солнечных вспышках и магнитосферных суббурях. В космической плазме процессы пересоединения магнитных силовых линий контролируют структуру и динамику магнитосфер планет.

Рис. 4. Модель пересоединения магнитных силовых линий Данжи. Иллюстрация: архив БРЭ.Рис. 4. Модель пересоединения магнитных силовых линий Данжи. Иллюстрация: архив БРЭ.Согласно модели Данжи (рис. 4), межпланетное и геомагнитное поля пересоединяются в лобовой области на границе магнитосферы Земли, образуя гигантские магнитные «трубки» диаметром порядка 1–2 радиусов Земли. Эти магнитные «трубки» с потоком солнечной плазмы, обтекающей магнитосферу, уносятся на ночную сторону Земли и там снова пересоединяются в обратной последовательности.