(см. Вмороженностъ магнитного поля).
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
mе 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/lnRem. 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. XD, XN - 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).
Л. М. Зелёный.
|
|
 |
