Магнитное пересоединение

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 ${\displaystyle \sigma }$), 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 ${\displaystyle {\it {\boldsymbol {E}}}_{0}}$. В этих моделях магнитные поля с индукцией ${\displaystyle {\it {\boldsymbol {B}}}_{0}}$ 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 ${\displaystyle M=u/v_{A}}$, где ${\displaystyle u=cE_{0}/B_{0}\ -}$ скорость плазменного потока, ${\displaystyle v_{A}=B_{0}/(4\pi nm_{i})^{1/2}\ -}$ альвеновская скорость, ${\displaystyle n\ -}$ концентрация ионов плазмы с массой ${\displaystyle m_{i}}$, ${\displaystyle c\ -}$ скорость света.

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

В модели Петчека (рис. 2) под действием скрещенных электрического ${\displaystyle {\it {\boldsymbol {E}}}_{0}}$ и магнитного ${\displaystyle {\it {\boldsymbol {B}}}_{0}}$ полей плазма вместе с вмороженными магнитными силовыми линиями дрейфует со скоростью ${\displaystyle {\it {\boldsymbol {u}}}}$ 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 ${\displaystyle M\sim 1/\ln Re_{m}}$.

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 ${\displaystyle {\it {\boldsymbol {u}}}}$, 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.

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.

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.