Автореферат (Энергетический баланс импульсного пересоединения)

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТНа правах рукописиВОЛКОНСКАЯ НАТАЛИЯ НИКОЛАЕВНАЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНСИМПУЛЬСНОГО ПЕРЕСОЕДИНЕНИЯспециальность 01.03.03. -- физика СолнцаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукСанкт-Петербург – 2017Работа выполнена на физическом факультете федерального государственногобюджетного образовательного учреждении высшего образования«Санкт-Петербургский государственный университет»Научный руководитель:Семенов Владимир Семеновичдоктор физико-математических наук, профессорОфициальные оппоненты:Соловьев Александр Анатольевичдоктор физико-математических наукЗаведующий лабораторией физики Солнца, ФГБУНГлавная (Пулковская) АстрономическаяОбсерваторияРАН, г.

Санкт-ПетербургГоловчанская Ирина Владимировнадоктор физико-математических наукВедущий научный сотрудник сектора теоретическогомоделирования ФГБНУ «Полярный геофизическийинститут», г. АпатитыФГБУ «Арктический и антарктический научноисследовательский институт» Федеральной службыпо гидрометеорологии и мониторингу окружающейсреды, г.

Санкт-ПетербургВедущая организация:Защита состоится «31» января 2018 г. в 13 часов на заседании диссертационногосовета 212.232.35 по защите докторских и кандидатских диссертаций при СанктПетербургском государственном университете по адресу: 199034, Санкт-Петербург,Университетская набережная, д. 7-9-11, лит.

Б, ауд.175СдиссертациейможноознакомитьсявбиблиотекеСПбГУинасайтеhttp://spbu.ru/science/disser.Автореферат разослан «»2017 г.Ученый секретарьдиссертационного советак.ф.-м.н Кубышкина Марина ВалерьевнаД 212.232.351ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫНастоящаяработапосвященаизучениюэнергетическихпреобразований,происходящих в течение процесса пересоединения магнитных полей. На основе решений,полученных для моделей импульсного нестационарного пересоединения, подробноисследовано перераспределение энергии между различными областями, формирующимися впроцессе пересоединения, и внутри этих областей.Выявлено наличие области повышенной плотности магнитной и тепловой энергии,распространяющейся над и под ускоренными плазменными потоками.

Произведѐнсравнительный анализ результатов аналитических решений в приближении бесконечнотонкого токового слоя с численным 2D МГД моделированием для токового слоя конечнойтолщины.Актуальность темы.Изучениепроцессовбыстрогопреобразованияэнергиимагнитногополявкинетическую и тепловую энергии, происходящих в плазме, в настоящее время являетсяболее чем актуальным. Энергия, накопленная в тонких токовых слоях в космическомпространстве, преобразовывается в энергию потоков частиц плазмы, что может оказыватьвлияние как на работу оборудования, находящегося в околоземном пространстве, так и наобъекты, расположенные на поверхности Земли.

Таким образом, в космической физикеособенно важно исследование высвобождения энергии, накопленной в тонких токовыхслоях. Исследования, посвященные процессам быстрого распада токового слоя, проводятся,начиная с 60-х годов прошлого века. Модели, предложенные для объяснения этого классаявлений, известны в настоящее время под общим названием теории магнитногопересоединения.Возникновение теории пересоединения связано с развитием изучения околоземногопространства и солнечных вспышек.

В настоящее время исследование процессовпроисходящих на солнце, их влияния на магнитосферу и ее возмущения являются особенноактуальными, так как состояние околоземного пространства и, так называемая, космическаяпогода, оказывает существенное влияние на работу спутникового оборудования.Из МГД моделей пересоединения наибольшую известность получили модель СвитаПаркера и, предложенная несколько позже, модель Петчека. Эти модели предсказываюттопологическую перестройку токового слоя и возникновение сильно ускоренных потоковплазмы вдоль него. Модель Петчека оказалась предпочтительной для объяснения явлений вкосмической плазме, так какэффективность пересоединения, предсказываемая этой2моделью для плазмы с большим числом Рейнольдса, оказалась гораздо выше, чем длямодели Свита-Паркера.

Принципиальной особенностью петчековского пересоединения,позволяющей преобразовывать энергию магнитного поля особенно эффективно, являетсяраспад токового слоя на систему ударных волн, на фронтах которых и происходит этопреобразование.За почти 50 лет, прошедшие со времени опубликования первой работы Петчека, этоймоделибылопосвященобольшоеколичествонаучныхработ.Былиполученыэкспериментальные подтверждения реализации петчековского механизма пересоединения вхвосте магнитосферы, на магнитопаузе, в магнитосферах других планет и в солнечном ветре.Проведено большое количество численных экспериментов, показавших возникновениеударных волн, характерных для петчековского пересоединения. Теория Петчека быларазвита:полученыаналитическиерешениядлянестационарногопересоединения,пересоединения в сжимаемой среде, трехмерного пересоединения. Кроме того былиполучены решения для холловской МГД модели пересоединения, которые подтверждаютсяPIC симуляциями.Однако, следует заметить, что во всех случаях изучения возможного механизмапересоединения, основное внимание уделяется образующимся в ходе процесса ускореннымпотокам плазмы, в то время как вопрос перераспределения энергий в окружающемпространстве остается неизученным.

То, как распределяется магнитная энегргия впространстве после распада токового слоя, какое ее количество переходит в тепловую, акакое в кинетическую, представляет несомненный интерес.Цель настоящей работы:Исследование энергетики динамических моделей магнитного пересоединения Петчека,начиная с простейшей модели пересоединения в несжимаемой плазме с симметричныминачальными условиями и заканчивая моделью пересоединения в сжимаемой плазме спроизвольныминачальнымиусловиями;численноеМГДмоделированиепроцессанестационарного пересоединения, сравнение и анализ полученных результатов.Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:Исследованы преобразования энергии и импульса, происходящие в петчековскомпроцессе нестационарного пересоединения магнитных полей в несжимаемой плазме впростейшем двумерном случае симметричных начальных магнитных потоков.Проанализированнестационарномэнергетическийпересоединениивбалансибалансмоментанесжимаемойплазмевконфигурации магнитных полей.3случаеимпульсаприпроизвольнойИсследована энергетика процесса пересоединения в сжимаемой плазме в случаесимметричных начальных условий в двумерном случае.Используя результаты 2D МГД – моделирования, рассчитан энергетический баланс дляслучая токового слоя конечной толщины и произведено сравнение с результатами,полученными в аналитической модели.На основе численных МГД расчетов проанализировано перераспределение энергий впроцессе пересоединения в сжимаемой плазме в случае несимметричных начальныхусловий.Основные положения, выносимые на защиту:Обобщение аналитической модели импульсного пересоединения в МГД приближении,которая позволяет детально исследовать энергетический баланс процесса.Баланс энергии в приближении несжимаемой плазмы в двумерной модели: внутри OR –областей магнитная энергия полностью преобразуется в кинетическую, в области втеканияпонижение плотности магнитной энергии в области разлета компенсируется еѐ повышениемнад OR – областями на величину равную или превышающую кинетическую энергиюускоренных потоков.Баланс энергии в приближении несжимаемой плазмы в трѐхмерной модели: внутриOR– областей полная энергия сохраняется, в области втекания образуются волны сжатия,магнитная энергия в которых скомпенсирована убылью энергии в области разлѐта.Баланс энергии в сжимаемой плазме: ускоренные потоки плазмы переносят икинетическую и тепловую энергию примерно в равных количествах; в волне сжатия вобласти втекания тепловая энергия преобладает над магнитной.Результаты численных расчѐтов для модели токового слоя конечной толщины,показывающий, что аналитическая модель даѐт предельное значение кинетической энергииускоренных потоков плазмы и магнитной энергии в волне сжатия.Научная новизна:Исследовано решение задачи импульсного пересоединения Петчека в двумерноймодели для несжимаемой и сжимаемой плазмы и в трехмерной модели для несжимаемойплазмы и различных конфигураций магнитных полей.Детально исследованы преобразования различных видов энергии внутри областейвытекания плазмы, образующихся в процессе пересоединения.Впервые исследовано распределение энергии магнитного поля, кинетической итепловой энергии плазмы в области, окружающей ускоренные плазменные потоки .4Впервые получены результаты численного МГД моделирования процесса импульсногопересоединения в сжимаемой плазме в двумерной модели, позволяющие оценитьэнергетический баланс процесса.Впервые проведѐн сравнительный анализ результатов численного моделирования ианалитической модели.Практическая ценностьУточненное решение задачи пересоединения Петчека дает более детальное описаниеповедения плазмы как вобласти образования ускоренных потоков плазмы, так и вокружающих эти потоки областях.

Такое решение обеспечивает более точное согласование сэкспериментальными данными и может быть использовано при исследовании дневноймагнитопаузы и хвоста магнитосферы Земли, а также прогнозировании магнитосферныхпроцессов.Личный вклад автора.Автор принимал участие в постановке задачи, получении аналитических решений,самостоятельнополучалпересоединения.Всеианализировализложенныевхарактеристикидиссертацииэнергетикирезультатыполученыпроцессаавторомсамостоятельно или на равных правах с соавторами.Апробация работы.Результаты исследований, представленных в работе, докладывались на международныхконференциях:International Workshop on the Solar Wind – Magnetosphere System 3 (Грац, Австрия, 23-25сентября 1998),International Conference on Substorms - 5 (Санкт-Петербург, Россия, 16-20 мая 2000), 7thinternational conference “Problems of geocosmos” (Санкт-Петербург, Россия, 26-30 мая 2008)Публикации.По теме диссертации опубликовано пять статей в журналах из списка ВАК, из них 4статьи Web of Science, и одна статья в сборнике трудов научных конференций.Структура и объем работы.Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 92наименований, содержит 149 страниц машинописного текста, включая 16 рисунков и 9таблиц.5СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цельработы, основные положения, выносимые на защиту, отмечена научная новизна ипрактическая ценность работы, кратко изложено содержание работы.В первой главе обоснован выбор нестационарного пересоединения Петчека дляпредложенного исследования, описана физика процесса и изложена постановка задачи.В разделе 1.1 представлен обзор литературы и показана важность процессов быстрогопреобразования энергии для физики космической плазмы.