Диссертация (Энергетический баланс импульсного пересоединения)

ÑÀÍÊÒ-ÏÅÒÅÐÁÓÐÃÑÊÈÉ ÃÎÑÓÄÀÐÑÒÂÅÍÍÛÉÓÍÈÂÅÐÑÈÒÅÒÍà ïðàâàõ ðóêîïèñèÂîëêîíñêàÿ Íàòàëèÿ ÍèêîëàåâíàÝÍÅÐÃÅÒÈ×ÅÑÊÈÉ ÁÀËÀÍÑÈÌÏÓËÜÑÍÎÃÎ ÏÅÐÅÑÎÅÄÈÍÅÍÈßñïåöèàëüíîñòü 01.03.03. ôèçèêà ÑîëíöàÄèññåðòàöèÿ íà ñîèñêàíèå ó÷åíîé ñòåïåíèêàíäèäàòà ôèçèêî-ìàòåìàòè÷åñêèõ íàóêÍàó÷íûé ðóêîâîäèòåëü äîêòîð ôèçèêî-ìàòåìàòè÷åñêèõíàóê, ïðîôåññîð Â.Ñ. ÑåìåíîâÑàíêò-Ïåòåðáóðã2017ÎãëàâëåíèåÂâåäåíèå12330.1Îñíîâíûå óðàâíåíèÿ . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .190.2Ìîäåëü ïåðåñîåäèíåíèÿ Ïåò÷åêà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .210.3Ïîñòàíîâêà çàäà÷è . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31Èìïóëüñíîå ïåðåñîåäèíåíèå â íåñæèìàåìîé äâóìåðíîé ïëàçìå.321.1Ðåøåíèÿ â ñëó÷àå ñèììåòðè÷íûõ ïîëåé . . . . . . . . . . . . . .

. .321.2Áàëàíñ ýíåðãèè è èìïóëüñà ïðè ïåðåñîåäèíåíèè â ñèììåòðè÷íîìñëó÷àå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .431.3Ðåøåíèÿ â ñëó÷àå íåñèììåòðè÷íûõ ïîëåé . . . . . . . . . . . . . . .561.4Ýíåðãåòèêà íåñèììåòðè÷íîãî ïåðåñîåäèíåíèÿ . . . . . . .

. . . . . .63Òðåõìåðíàÿ ìîäåëü èìïóëüñíîãî ïåðåñîåäèíåíèÿ.702.1Ðåøåíèå çàäà÷è ïåðåñîåäèíåíèÿ â ñêðåùåííûõ ïîëÿõ . . . . . . . .712.2Ýíåðãåòèêà ïåðåñîåäèíåíèÿ â ñêðåùåííûõ ïîëÿõ . . . . . . . . . . .772.3Àíàëèç ðåçóëüòàòîâ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .81Ïåðåñîåäèíåíèå â ñæèìàåìîé ïëàçìå.

Ñèììåòðè÷íîå ïîëå.833.1Ðåøåíèÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .833.2Ýíåðãåòè÷åñêèé áàëàíñ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .87243.3Ñëîé Õàððèñà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.4Àíàëèç ðåçóëüòàòîâ . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100Ïåðåñîåäèíåíèå â ñæèìàåìîé ïëàçìå. Ïðîèçâîëüíûå ïîëÿ.931044.1Ðåøåíèÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1044.2Ýíåðãåòèêà ïåðåñîåäèíåíèÿ â ñæèìàåìîé ïëàçìå . . . . . . . . . . . 127Çàêëþ÷åíèå135Ëèòåðàòóðà1383ÂâåäåíèåÌíîãèå ïðîöåññû, ïðîèñõîäÿùèå â ìàãíèòîñôåðå Çåìëè è äðóãèõ ïëàíåò, íà Ñîëíöå è äðóãèõ çâåçäàõ, ñâÿçàíû ñ ïðåîáðàçîâàíèåì ìàãíèòíîé ýíåðãèè. Ïðîöåññ âçðûâîîáðàçíîãî âûñâîáîæäåíèÿ ìàãíèòíîé ýíåðãèè íàêîïëåííîé â ïëàçìå ñâÿçàí ñ òàêèìè êîíôèãóðàöèÿìè ìàãíèòíîãî ïîëÿ, êîòîðûå îáëàäàþò áîëüøèì çàïàñîì ìàãíèòíîé ýíåðãèè, à èìåííî ñ òîêîâûìè ñëîÿìè. Ïðîöåññû ðàñïàäà òîêîâîãî ñëîÿ,ñîïðîâîæäàåìûå òîïîëîãè÷åñêîé ïåðåñòðîéêîé èëè ïåðåñîåäèíåíèåì ìàãíèòíûõïîëåé ïðèâîäÿò ê ïðåîáðàçîâàíèþ ìàãíèòíîé ýíåãèè â êèíåòè÷åñêóþ è òåïëîâóþýíåðãèþ óñêîðåííûõ ïîòîêîâ ïëàçìû.

Íàñòîÿùàÿ äèññåðòàöèÿ ïîñâÿùåíà ðàçâèòèþ îäíîé èç ñóùåñòâóþùèõ òåîðèé ïåðåñîåäèíåíèÿ ìàãíèòíûõ ïîëåé òåîðèèíåñòàöèîíàðíîãî ìàãíèòíîãî ïåðåñîåäèíåíèÿ Ïåò÷åêà. Áûëà îáîáùåíà è ðàçâèòà àíàëèòè÷åñêàÿ ìîäåëü íåñòàöèîíàðíîãî ïåðåñîåäèíåíèÿ, à òàê æå ïðîâåäåíî÷èñëåííîå ìîäåëèðîâàíèå ïðîöåññà.  ðåçóëüòàòå àíàëèòè÷åñêîãî èññëåäîâàíèÿýíåðãåòèêè ïðîöåññà íåñòàöèîíàðíîãî ïåðåñîåäèíåíèÿ Ïåò÷åêà, à òàêæå ñðàâíåíèÿðåçóëüòàòîâ ñ ïîëó÷åííûìè ïðè ïîìîùè ÷èñëåííîãî ÌÃÄ ìîäåëèðîâàíèÿ îáíàðóæåíû íîâûå, ðàíåå íå ó÷èòûâàåìûå ñâîéñòâà ïðîöåññà.Àêòóàëüíîñòü òåìû.Èçó÷åíèå ïðîöåññîâ áûñòðîãî ïðåîáðàçîâàíèÿ ýíåðãèè ìàãíèòíîãî ïîëÿ â êèíåòè÷åñêóþ è òåïëîâóþ ýíåðãèè, ïðîèñõîäÿùèõ â ïëàçìå, â íàñòîÿùåå âðåìÿ ÿâëÿåòñÿ áîëåå ÷åì àêòóàëüíûì. Ýíåðãèÿ íàêîïëåííàÿ â òîíêèõ òîêîâûõ ñëîÿõ â4êîñìè÷åñêîì ïðîñòðàíñòâå (Vasyliunas V.

M., 1975, Dungey J.W., 1995, KivelsonM.G. and Russel C.T., 1995), ïðåîáðàçîâûâàåòñÿ â ýíåðãèþ ïîòîêîâ ÷àñòèö ïëàçìû, ÷òî ìîæåò îêàçûâàòü âëèÿíèå êàê íà ðàáîòó îáîðóäîâàíèÿ íàõîäÿùåãîñÿ âîêîëîçåìíîì ïðîñòðàíñòâå, òàê è íà îáúåêòû ðàñïîëîæåííûå íà ïîâåðõíîñòè Çåìëè. Òàêè îáðàçîì, â êîñìè÷åñêîé ôèçèêå îñîáåííî âàæíî èññëåäîâàíèå âûäåëåíèÿýíåðãèè, íàêîïëåííîé â òîíêèõ òîêîâûõ ñëîÿõ.Èññëåäîâàíèÿ, ïîñâÿùåííûå ïðîöåññàì áûñòðîãî ðàñïàäà òîêîâîãî ñëîÿ, ïðîâîäÿòñÿ, íà÷èíàÿ ñ 60-õ ãîäîâ ïðîøëîãî âåêà.

Ìîäåëè, ïðåäëîæåííûå äëÿ îáúÿñíåíèÿ ýòîãî êëàññà ÿâëåíèé, èçâåñòíû â íàñòîÿùåå âðåìÿ ïîä îáùèì íàçâàíèåìòåîðèè ìàãíèòíîãî ïåðåñîåäèíåíèÿ (Priest E.R., Forbes T., 2000).Âîçíèêíîâåíèå òåîðèè ïåðåñîåäèíåíèÿ ñâÿçàíî ñ ðàçâèòèåì èçó÷åíèÿ îêîëîçåìíîãî ïðîñòðàíñòâà è ñîëíå÷íûõ âñïûøåê.  íàñòîÿùåå âðåìÿ èññëåäîâàíèåïðîöåññîâ ïðîèñõîäÿùèõ íà ñîëíöå, èõ âëèÿíèÿ íà ñîñòîÿíèå ìàãíèòîñôåðû èåå âîçìóùåíèÿ ÿâëÿþòñÿ îñîáåííî àêòóàëüíûìè, òàê êàê ñîñòîÿíèå îêîëîçåìíîãî ïðîñòðàíñòâà è òàê íàçûâàåìàÿ êîñìè÷åñêàÿ ïîãîäà, îêàçûâàåò ñóùåñòâåííîåâëèÿíèå íà ðàáîòó ñïóòíèêîâîãî îáîðóäîâàíèÿ.Èç ÌÃÄ ìîäåëåé ïåðåñîåäèíåíèÿ íàèáîëüøóþ èçâåñòíîñòü ïîëó÷èëè ìîäåëüÑâèòà-Ïàðêåðà (P.A. Sweet, 1958, E.N. Parker, 1963) è, ïðåäëîæåííàÿ íåñêîëüêîïîçæå, ìîäåëü Ïåò÷åêà (H.E. Petschek, 1964).

Ýòè ìîäåëè ïðåäñêàçûâàþò òîïîëîãè÷åñêóþ ïåðåñòðîéêó òîêîâîãî ñëîÿ è âîçíèêíîâåíèå ñèëüíî óñêîðåííûõ ïîòîêîââäîëü íåãî. Ìîäåëü Ïåò÷åêà îêàçàëàñü ïðåäïî÷òèòåëüíîé äëÿ îáúÿñíåíèÿ ÿâëåíèéâ êîñìè÷åñêîé ïëàçìå, òàê êàê ýôôåêòèâíîñòü ïåðåñîåäèíåíèÿ, ïðåäñêàçûâåìàÿýòîé ìîäåëüþ äëÿ ïëàçìû ñ áîëüøèì ÷èñëîì Ðåéíîëüäñà, îêàçàëàñü ãîðàçäî âûøå,÷åì äëÿ ìîäåëè Ñâèòà-Ïàðêåðà. Ïðèíöèïèàëüíîé îñîáåííîñòüþ ïåò÷åêîâñêîãî ïåðåñîåäèíåíèÿ, ïîçâîëÿþùåé ïðåîáðàçîâûâàòü ýíåðãèþ ìàãíèòíîãî ïîëÿ îñîáåííî5ýôôåêòèâíî, ÿâëÿåòñÿ ðàñïàä òîêîâîãî ñëîÿ íà ñèñòåìó óäàðíûõ âîëí, íà ôðîíòàõêîòîðûõ è ïðîèñõîäèò ýòî ïðåîáðàçîâàíèå.Çà ïî÷òè 50 ëåò, ïðîøåäøèå ñî âðåìåíè îïóáëèêîâàíèÿ ïåðâîé ðàáîòû Ïåò÷åêà, ýòîé ìîäåëè áûëî ïîñâÿùåíî áîëüøîå êîëè÷åñòâî íàó÷íûõ ðàáîò.

Áûëè ïîëó÷åíû ýêñïåðèìåíòàëüíûå ïîäòâåðæäåíèÿ ðåàëèçàöèè ïåò÷åêîâñêîãî ìåõàíèçìàïåðåñîåäèíåíèÿ â õâîñòå ìàãíèòîñôåðû ( Àêàñîôó Ñ.È., ×åïìåí Ñ., 1975, Ïóäîâêèí Ì.È., Ñåìåíîâ Â.Ñ., 1985, Ñåðãååâ Â.À., Öèãàíåíêî Í.À., 1980, Sergeev,V.A., V. Angelopoulos, and R. Nakamura, 2012), íà ìàãíèòîïàóçå (Sonnerup B.U.O,Paschmann G., 1981, Biernat H.K., Heyn M.F., R.P. Rijnbeek, V.S. Semenov,and C.J.Farugia, 1989, 1990, 1997, 2001, Heyn, V.S. Semenov, 1996a, Semenov V.S., et.al.2005, Ivanova V.V., Semenov V.S., 2007, Kiehas S.A., Semenov V.S., Kubyshkin I.V.,Kubyshkina M.V., 2008), â ìàãíèòîñôåðàõ äðóãèõ ïëàíåò (E.W.

Hones, 1984), è âñîëíå÷íîì âåòðå(Ïóäîâêèí Ì.È., Øóõîâà Ë.Ç.,1988, Ñûðîâàòñêèé Ñ.È., 1979), âîâðåìÿ ìàãíèòîñôåðíûõ ñóááóðü (Cowley S.W.H., 1980, F.V. Coroniti, 1985, Sharma,A. S.,et. al., 2008 ). Ïðîâåäåíî áîëüøîå êîëè÷åñòâî ÷èñëåííûõ ýêñïåðèìåíòîâ, ïîêàçàâøèõ âîçíèêíîâåíèå óäàðíûõ âîëí, õàðàêòåðíûõ äëÿ ïåò÷åêîâñêîãî ïåðåñîåäèíåíèÿ(Cassak P.A., Shay M.A., 2007). Òåîðèÿ Ïåò÷åêà áûëà ðàçâèòà ïîëó÷åíûàíàëèòè÷åñêèå ðåøåíèÿ äëÿ íåñòàöèîíàðíîãî ïåðåñîåäèíåíèÿ, ïåðåñîåäèíåíèÿ âñæèìàåìîé ñðåäå, òðåõìåðíîãî ïåðåñîåäèíåíèÿ( Heyn, V.S.

Semenov, 1988, 1996,Erkaev N.V., Semenov V.S., 2001, 2002, Semenov V.S., et. al., 1992, 1998ab, 2004ab,Kiehas S.A., Semenov V.S., Biernat H.K., 2009b). Êðîìå òîãî áûëè ïîëó÷åíû ðåøåíèÿ äëÿ õîëëîâñêîé ÌÃÄ ìîäåëè ïåðåñîåäèíåíèÿ (Biskamp D., Schwarz E., andJ.F. Drake, 1995), êîòîðûå ïîäòâåðæäàþòñÿ PIC ñèìóëÿöèÿìè (Drake J.

F., ShayM. A., and M. Swisdak, 2008, Äèâèí À.Â., 2009).Îäíàêî, ñëåäóåò çàìåòèòü, ÷òî âî âñåõ ñëó÷àÿõ èçó÷åíèÿ âîçìîæíîãî ìåõàíèç-6ìà ïåðåñîåäèíåíèÿ, îñíîâíîå âíèìàíèå óäåëÿåòñÿ îáðàçóþùèìñÿ â õîäå ïðîöåññàóñêîðåííûì ïîòîêàì ïëàçìû, â òî âðåìÿ êàê âîïðîñ ïåðåðàñïðåäåëåíèÿ ýíåðãèéâ îêðóæàþùåì ïðîñòðàíñòâå îñòàåòñÿ íå èçó÷åííûì. Òî êàê ðàñïðåäåëÿåòñÿ ìàãíèòíàÿ ýíåðãèÿ â ïðîñòðàíñòâå ïîñëå ðàñïàäà òîêîâîãî ñëîÿ, êàêîå åå êîëè÷åñòâîïåðåõîäèò â òåïëîâóþ, à êàêîå â êèíåòè÷åñêóþ ïðåäñòàâëÿåò íåñîìíåííûé èíòåðåñ.Öåëü íàñòîÿùåé ðàáîòûÿâëÿåòñÿ èññëåäîâàíèå ýíåðãåòèêè äèíàìè÷åñêèõìîäåëåé ìàãíèòíîãî ïåðåñîåäèíåíèÿ Ïåò÷åêà íà÷èíàÿ ñ ïðîñòåéøåé ìîäåëè ïåðåñîåäèíåíèÿ â íåñæèìàåìîé ïëàçìå ñ ñèììåòðè÷íûìè íà÷àëüíûìè óñëîâèÿìè, èçàêàí÷èâàÿ ìîäåëüþ ïåðñîåäèíåíèÿ â ñæèìàåìàåìîé ïëàçìå ñ ïðîèçâîëüíûìè íà÷àëüíûìè óñëîâèÿìè, ÷èñëåííîå ÌÃÄ ìîäåëèðîâàíèå ïðîöåññà íåñòàöèîíàðíîãîïåðåñîåäèíåíèÿ è ñðàâíåíèå è àíàëèç ïîëó÷åííûõ ðåçóëüòàòîâ.Íà çàùèòó âûíîñÿòñÿ:1.

Îáîáùåíèå àíàëèòè÷åñêîé ìîäåëè èìïóëüñíîãî ïåðåñîåäèíåíèÿ â ÌÃÄ ïðèáëèæåíèè, êîòîðàÿ ïîçâîëÿåò äåòàëüíî èññëåäîâàòü ýíåðãåòè÷åñêèé áàëàíñïðîöåññà.2. Áàëàíñ ýíåðãèè â ïðèáëèæåíèè íåñæèìàåìîé ïëàçìû â äâóìåðíîé ìîäåëè:âíóòðè OR - îáëàñòåé ìàãíèòíàÿ ýíåðãèÿ ïîëíîñòüþ ïðåîáðàçóåòñÿ â êèíåòè÷åñêóþ, â îáëàñòè âòåêàíèÿ ïîíèæåíèå ïëîòíîñòè ìàãíèòíîé ýíåðãèè â îáëàñòè ðàçëåòà êîìïåíñèðóåòñÿ å¼ ïîâûøåíèåì íàä OR - îáëàñòÿìè íà âåëè÷èíóðàâíóþ èëè ïðåâûøàþùóþ êèíåòè÷åñêóþ ýíåðãèþ óñêîðåííûõ ïîòîêîâ.3.