Подпишитесь на наши новости
Вернуться к началу с статьи up
 

ПЕРЕСОЕДИНЕ́НИЕ МАГНИ́ТНЫХ СИЛОВЫ́Х ЛИ́НИЙ

  • рубрика

    Рубрика: Физика

  • родственные статьи
  • image description

    В книжной версии

    Том 25. Москва, 2014, стр. 665-666

  • image description

    Скопировать библиографическую ссылку:




Авторы: Л. М. Зелёный, Х. В. Малова

ПЕРЕСОЕДИНЕ́НИЕ МАГНИ́ТНЫХ СИ­ЛОВЫ́Х ЛИ́НИЙ в плаз­ме, из­ме­не­ние то­по­ло­гии си­ло­вых ли­ний маг­нит­но­го по­ля, свя­зан­ное с на­ру­ше­ни­ем их вмо­ро­жен­но­сти в плаз­му; обыч­но со­про­во­ж­да­ет­ся вы­сво­бо­ж­де­ни­ем сво­бод­ной маг­нит­ной энер­гии, на­ко­п­лен­ной в разл. плаз­мен­ных кон­фи­гу­ра­ци­ях, и её пре­об­ра­зо­ва­ни­ем в те­п­ло­вую и ки­не­тич. энер­гию час­тиц, ко­то­рые мо­гут ус­ко­рять­ся вплоть до ульт­ра­ре­ля­ти­ви­ст­ских ско­ро­стей. При П. м. с. л. 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 разл. ме­ха­низ­мы П. м. с. л.: ре­зи­стив­ный (вы­зван­ный ко­неч­ной элек­трич. про­во­ди­мо­стью плаз­мы $σ$), инер­ци­он­ный (обу­слов­лен­ный ко­неч­ной мас­сой но­си­те­лей за­ря­да – элек­тро­нов), а так­же свя­зан­ные с эф­фек­том Хол­ла, вяз­ко­стью и ани­зо­тро­пи­ей дав­ле­ния элек­трон­ной ком­по­нен­ты плаз­мы. Ки­не­тич. тео­рия по­зво­ля­ет учесть ме­ха­низм пе­ре­со­еди­не­ния, свя­зан­ный с бес­столк­но­ви­тель­ным ре­зо­нанс­ным Лан­дау за­ту­ха­ни­ем. П. м. с. л. воз­мож­но и при на­ли­чии ано­маль­но­го со­про­тив­ле­ния, воз­ни­каю­ще­го при рас­сея­нии элек­тро­нов на разл. плаз­мен­ных мик­ро­не­ус­той­чи­во­стях. Раз­ли­ча­ют вы­ну­ж­ден­ное и спон­тан­ное (про­ис­хо­дя­щее без внеш­не­го воз­дей­ст­вия) пе­ре­сое­ди­не­ние маг­нит­ных си­ло­вых ли­ний.

Рис. 1. Модель пересоединения Паркера – Свита.

В наи­бо­лее из­вест­ных мо­де­лях вы­нуж­ден­но­го пе­ре­со­еди­не­ния (мо­де­ли Пар­ке­ра – Сви­та, Пет­че­ка и Сы­ро­ват­ско­го) изу­ча­ют­ся те­че­ния плаз­мы под дей­ст­ви­ем внеш­не­го элек­трич. по­ля на­пря­жён­но­стью $\boldsymbol{E}_0$. В этих мо­де­лях маг­нит­ные по­ля ин­дук­ци­ей $\boldsymbol{B}_0$ на гра­ни­цах сис­те­мы на­прав­ле­ны ан­ти­па­рал­лель­но, по­это­му в центр. час­ти сис­те­мы су­ще­ст­ву­ет осо­бая ней­траль­ная ли­ния, где маг­нит­ное по­ле об­ра­ща­ет­ся в нуль. Ско­рость П. м. с. л. 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, $v_A=B_0/(4πnmi)^{1/2}$ – аль­ве­нов­ская ско­рость, $n$ – кон­цен­тра­ция ио­нов плаз­мы с мас­сой $m_i$, $c$ – ско­рость све­та. Со­глас­но мо­де­ли Пар­ке­ра – Сви­та (рис. 1), про­цесс дис­си­па­ции маг­нит­но­го по­ля осу­ще­ст­в­ля­ет­ся лишь в ма­лой диффу­зи­он­ной об­лас­ти раз­ме­ром $l=L/Re_m^{1/2}$ (здесь $Re_m=4πσv_A L/c^2≫1$ – 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 П. м. с. л. в столк­но­ви­тель­ной плаз­ме.

Рис. 2. Модель вынужденного пересоединения Петчека. Пересоединение силовых линий осуществляется в малой диффузионной области l. Синими линиями показаны ударные магнитогидродинамические волны, на котор...

В мо­де­ли Пет­че­ка (рис. 2) под дей­ст­ви­ем скре­щен­ных элек­трич. $\boldsymbol{E}_0$ и маг­нит­но­го $\boldsymbol{B}_0$ по­лей плаз­ма вме­сте с вмо­ро­жен­ны­ми маг­нит­ны­ми си­ло­вы­ми ли­ния­ми дрей­фу­ет со ско­ро­стью $\boldsymbol{u}$ к ней­траль­ной ли­нии, пер­пен­ди­ку­ляр­ной плос­ко­сти ри­сун­ка. Во­круг диф­фу­зи­он­ной об­лас­ти, где про­ис­хо­дит раз­рыв и пе­ре­со­еди­не­ние си­ло­вых ли­ний, рас­по­ло­же­ны че­ты­ре 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 $M∼1/\ln Re_m$.

Рис. 3. Модель токового слоя Сыроватского.

В мо­де­ли раз­ры­ва ней­траль­но­го то­ко­во­го слоя Сы­ро­ват­ско­го про­цесс П. м. с. л. рас­смат­ри­ва­ет­ся как ди­на­ми­че­ский и не­ста­цио­нар­ный (рис. 3). Ис­ход­ная кон­фи­гу­ра­ция маг­нит­ных по­лей схо­жа с кон­фи­гу­ра­ци­ей мо­де­ли Пет­че­ка, но в ней под дей­ст­ви­ем элек­трич. по­ля реа­ли­зует­ся те­че­ние не ква­зи­ста­цио­нар­но­го, а ку­му­ля­тив­но­го ти­па. По­ток вмо­ро­жен­но­го в плаз­му маг­нит­но­го по­ля, по­сту­паю­щий к ней­траль­ной ли­нии со ско­ро­стью $\boldsymbol{u}$, 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 элек­трич. по­ля, ко­то­рые мо­гут ус­ко­рять час­ти­цы плаз­мы до боль­ших ско­ро­стей. Мо­дель Сы­ро­ват­ско­го, не­смот­ря на боль­шое ко­ли­че­ст­во уп­ро­щаю­щих пред­по­ло­же­ний, луч­ше дру­гих со­гла­су­ет­ся с совр. дан­ны­ми пря­мых спут­ни­ко­вых из­ме­ре­ний в маг­ни­то­сфе­ре Зем­ли. По­доб­ные ди­на­мич. мо­де­ли вы­ну­ж­ден­но­го пе­ре­со­еди­не­ния ис­поль­зу­ют­ся при ис­сле­до­ва­нии вспы­шек на Солн­це и в ла­бо­ра­тор­ных экс­пе­ри­мен­тах.

Рис. 4. Модель пересоединения магнитных силовых линий Данжи. Xд и Xн – нейтральные области,где происходит пересоединение. Красными стрелками показано направление движения плазмы при обтекании ма...

Про­цесс спон­тан­но­го пе­ре­со­еди­не­ния впер­вые ис­сле­до­ван в уп­ро­щён­ной мо­де­ли Хар­ри­са ней­траль­но­го то­ко­во­го слоя с ан­ти­па­рал­лель­ны­ми маг­нит­ны­ми по­ля­ми и ну­ле­вой по­пе­реч­ной ком­по­нен­той. На­ру­ше­ние вмо­ро­жен­но­сти маг­нит­но­го по­ля при­во­дит к пин­че­ва­нию по­пе­реч­но­го то­ка и об­ра­зо­ва­нию маг­нит­ных ост­ро­вов (см. рис. 1 в ст. Ней­траль­ный то­ко­вый слой). Спон­тан­ный про­цесс П. м. с. л. на­зы­ва­ет­ся раз­рыв­ной не­ус­той­чи­во­стью или ти­ринг-не­ус­той­чи­во­стью. Су­ще­ст­ву­ют её ре­зи­стив­ные, инер­ци­он­ные и ре­зо­нанс­ные мо­ды. Для бес­столк­но­ви­тель­ной кос­мич. 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 зна­чит. ко­ли­че­ст­во маг­нит­ной энер­гии, ко­то­рая при дос­ти­же­нии по­ро­го­вой ве­ли­чи­ны взрыв­ным об­ра­зом вы­сво­бо­ж­да­ет­ся. Эти свой­ст­ва про­цес­сов П. м. с. л. про­яв­ля­ют­ся в сол­неч­ных вспыш­ках и маг­ни­то­сфер­ных суб­бу­рях. В кос­мич. плаз­ме про­цес­сы П. м. с. л. кон­тро­ли­ру­ют струк­ту­ру и ди­на­ми­ку маг­ни­то­сфер пла­нет. 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.

Лит.: Сы­ро­ват­ский С. И. Ней­траль­ные то­ко­вые слои в плаз­ме // Тру­ды Фи­зи­че­ско­го ин­сти­ту­та АН СССР. 1974. Т. 74; Ака­со­фу С. И., Чеп­мен С. Сол­неч­но-зем­ная фи­зи­ка. М., 1975. Ч. 2; Га­ле­ев A. А., Зе­ле­ный Л. M. Ме­та­ста­биль­ные со­стоя­ния диф­фуз­но­го ней­траль­но­го слоя и взрыв­ная фа­за суб­бу­ри // Пись­ма в Жур­нал экс­пе­ри­мен­таль­ной и тео­ре­ти­че­ской фи­зи­ки. 1975. Т. 22. № 7; Га­ле­ев А. А. Ос­но­вы фи­зи­ки плаз­мы. М., 1984. Т. 2; Со­мов Б. В. Кос­ми­че­ская элек­тро­ди­на­ми­ка и фи­зи­ка Солн­ца. М., 1993; Прист Э., Форбст Т. Маг­нит­ное пе­ре­со­еди­не­ние. М., 2005.

Вернуться к началу