Диссертация (Энергетический баланс импульсного пересоединения), страница 3

Êèíåòè÷åñêàÿ è òåïëîâàÿ ýíåðãèè ïëàçìû ìîãóò ïåðåõîäèòü âýíåðãèþ ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ è íàîáîðîò. Âî ìíîãèõ ÿâëåíèÿõ â êîñìè÷åñêîéïëàçìå íàáëþäàåòñÿ î÷åíü áûñòðîå, âçðûâíîå ïðåîáðàçîâàíèå ýíåðãèè ìàãíèòíîãîïîëÿ.  ñîîòâåòñòâèè ñ ñîâðåìåííûìè ïðåäñòàâëåíèÿìè, òàêèì ýíåðãîâûäåëåíèåìñîïðîâîæäàþòñÿ ñîëíå÷íûå âñïûøêè (Ïðèñò Ý.Ð, 1985, Kivelson M.G. and HughesW.J., 1990), äèíàìè÷åñêèå ïðîöåññû íà ñåêòîðíûõ ãðàíèöàõ â ñîëíå÷íîì âåòðå(Ïóäîâêèí Ì.È., Øóõîâà Ë.Ç., 1988), ìàãíèòîñôåðíûå ñóááóðè (Ñåðãååâ Â.À., Öèãàíåíêî Í.À. 1980, Coroniti F.V., 1985), âçàèìîäåéñòâèå ñîëíå÷íîãî âåòðà ñ ìàãíèòîñôåðîé Çåìëè (Àêàñîôó Ñ.È., ×åïìåí Ñ., 1975, Cattel C.A., et.al., 1992) è äðóãèõ13ïëàíåò (E.W. Hones, 1984), îòðûâû êîìåòíûõ õâîñòîâ (E.W.

Hones, 1984), äèñðóïòèâíàÿ íåóñòîé÷èâîñòü â òîêîìàêàõ (Furth H.P., Rutherford P. M., Selberg H., 1963,1973, Êàäîìöåâ Á.Á., 1988) è îáðàçîâàíèå õàðàêòåðíîé ìàãíèòíîé êîíôèãóðàöèèâ ñôåðîìàêàõ (Ôðàíê À.Ã., 1985). Êðîìå òîãî, ýòè ÿâëåíèÿ îáúåäèíÿåò òî, ÷òî âñåîíè ñâÿçàíû ñ ðàñïàäîì òîêîâûõ ñëîåâ â ïëàçìå ñ ïåðåñòðîéêîé òîïîëîãèè ìàãíèòíîãî ïîëÿ (Yamada M., 2007, Zelenyi L.M., Artemyev A.V., 2013). Òîêîâûé ñëîé ñòðóêòóðà ÷àñòî âñòðå÷àþùàÿñÿ â êîñìè÷åñêîé ïëàçìå, â õàðàêòåðíûõ äëÿ íååóñëîâèÿõ; ïðè áîëüøèõ ÷èñëàõ Ðåéíîëüäñà, â íèõ ìîæåò áûòü ñêîíöåíòðèðîâàíàî÷åíü áîëüøàÿ ìàãíèòíàÿ ýíåðãèÿ. Ïðîöåññ ôîðìèðîâàíèÿ òîíêèõ òîêîâûõ ñëîåâðàññìîòðåí â ðàáîòàõ ( Ñûðîâàòñêèé Ñ.È., 1971,1979).

Äàííàÿ ðàáîòà ïîñâÿùåíàôèíàëüíîìó ýòàïó ýâîëþöèè òîíêèõ òîêîâûõ ñëîåâ èõ áûñòðîìó ðàñïàäó.Ïåðâûì, èäåþ î òîì, ÷òî ïðè ðàñïàäå òîêîâûõ ñëî¼â ñèëîâûå ëèíèè ìàãíèòíîãîïîëÿ ìîãóò ðàçðûâàòüñÿ è ïåðåñîåäèíÿòüñÿ ñôîðìóëèðîâàë Äæ Äàíäæè (DungeyJ.W., 1953) çàòåì íà îñíîâå ýòîé èäåè èì áûëà ïðîñòðîåíà ìîäåëü îòêðûòîé ìàãíèòîñôåðû (Äàíæè Äæ.,1961).Ñóùåñòâóåò íåñêîëüêî òåîðèé, îáúÿñíÿþùèõ ðàñïàä òîêîâûõ ñëîåâ. Ýòî ìîäåëüäèôôóçèîííîãî ïåðåñîåäèíåíèÿ Ñâèòà-Ïàðêåðà (P.A.

Sweet, 1958, E.N. Parker,1963), ðàçðûâíîé (òèðèíã) íåóñòîé÷èâîñòè (H.P. Furth, J. Killeen, 1963, D.B. Melrose,1989) è áûñòðîãî ïåðåñîåäèíåíèÿ Ïåò÷åêà (H.E. Petschek, 1964, Ïóäîâêèí Ì.È.,Ñåìåíîâ Â.Ñ., 1985, R.P. Rijnbeek, V.S. Semenov, 1993). Ïîñêîëüêó ìîäåëü Ïåò÷åêà ÿâëÿåòñÿ ïðåäïî÷òèòåëüíîé äëÿ îáúÿñíåíèÿ ïåðå÷èñëåííûõ âûøå ïðîöåññîâ,òàê êàê îíà ïðåäñêàçûâàåò íàèáîëüøóþ ñêîðîñòü ïðåîáðàçîâàíèÿ ýíåðãèè, äàííàÿðàáîòà ïîñâÿùåíà ìàãíèòîãèäðîäèíàìè÷åñêîé òåîðèè áûñòðîãî ïåðåñîåäèíåíèÿ.Ïîä îáùèì íàçâàíèåì ìàãíèòíîãî ïåðåñîåäèíåíèÿ îáúåäèíåíû ÌÃÄ-ìîäåëè,â êîòîðûõ ðàñïàä òîêîâîãî ñëîÿ ñîïðîâîæäàåòñÿ òîïîëîãè÷åñêîé ïåðåñòðîéêîé14ìàãíèòíûõ ñèëîâûõ ëèíèé.

 õîäå ïåðåñîåäèíåíèÿ íå ñâÿçàííûå äðóã ñ äðóãîìðàçäåëåííûå òîêîâûì ñëîåì ñèëîâûå ëèíèè ñîåäèíÿþòñÿ â ðåçóëüòàòå íàðóøåíèÿâìîðîæåííîñòè. íàñòîÿùåå âðåìÿ ñóùåñòâóþò äâà îñíîâíûõ òèïà ìîäåëåé ïåðåñîåäèíåíèÿ äèôôóçèîííûå è äèíàìè÷åñêèå (E.N. Parker, 1979). Ïåðâûé êëàññ ìîäåëåé ñòðîèòñÿ íà ïðåäïîëîæåíèè î ñóùåñòâîâàíèè íåêîåãî äèôôóçèîííîãî ïðîöåññà íà âñåéïîâåðõíîñòè òîêîâîãî ñëîÿ.  òàêèõ ìîäåëÿõ áóäåò íàáëþäàòüñÿ ìåäëåííîå ïîäòåêàíèå ïëàçìû ñ âìîðîæåííûì â íåãî ìàãíèòíûì ïîëåì èç îáëàñòè âûñîêîé ïðîâîäèìîñòè ê ïîâåðõíîñòè òîêîâîãî ñëîÿ è àííèãèëÿöèÿ ìàãíèòíûõ ñèëîâûõ ëèíèéâ îáëàñòè ïîíèæåííîé ïðîâîäèìîñòè.Îäíîé èç íàèáîëåå èçâåñòíûõ ìîäåëåé òàêîãî òèïà ÿâëÿåòñÿ ìîäåëü ÑâèòàÏàðêåðà.

Ýòî ïåðâàÿ ïðîñòàÿ ìàãíèòîãèäðîäèíàìè÷åñêàÿ ìîäåëü ñòàöèîíàðíðéàíèãèëÿöèè ìàãíèòíûõ ïîëåé ñ îáðàçóþùèìèñÿ â òîêîâîì ñëîå óñêîðåííûìè ïîòîêàìè ïëàçìû ïðåäëîæåííàÿ Ï.Ñâèòîì (P.A. Sweet, 1958) è Ý. Ïàðêåðîì (E.N.Parker, 1963).Îíè ïîêàçàëè, ÷òî óñëîâèÿ ÌÃÄ ðàâíîâåñèÿ òîêîâîãî "ñòîëêíîâèòåëüíîãî"ñëîÿòðåáóþò, ÷òîáû äàâëåíèå ïëàçìû âíóòðè ñëîÿ áûëî òàêèì æå êàê è âíåøíåå ìàãíèòíîå äàâëåíèå. Èçáûòî÷íîå ìàãíèòíîå äàâëåíèå âûäâëèâàåò ïëàçìó ïî êðàÿìòîêîâîãî ñëîÿ ôîðìèðóÿ óñêîðåííûå ïîòîêè .Îñíîâíûì íåäîñòàòêîì ìåõàíèçìà Ñâèòà-Ïàðêåðà ÿâëÿåòñÿ åãî íåäîñòàòî÷íàÿýôôåêòèâíîñòü äëÿ îáúÿñíåíèÿ íàáëþäàåìûõ ñîáûòèé.

 óñëîâèÿõ, õàðàêòåðíûõäëÿ ïëàçìû îêîëîçåìíîãî ïðîñòðàíñòâà è ñîëíå÷íîãî âåòðà, êîãäà ïðîâîäèìîñòüïëàçìû âûñîêà, à ïðîñòðàíñòâåííûå ìàñøòàáû ÿâëåíèé î÷åíü âåëèêè, âåëè÷èíààííèãèëèðîâàâøåãî è âûíåñåííîãî ìàãíèòíîãî ïîòîêà çíà÷èòåëüíî áîëüøå, ïðåäñêàçûâàåìîé äèôôóçèîííûìè ìîäåëÿìè. Íàïðèìåð, äëÿ àêòèâíûõ îáëàñòåé ðàç-15ìåðîì L ∼ 109 ñì, íàáëþäàåìûõ íà ñîëíöå, ïðîöåññ âûäåëåíèÿ ýíåðãèè çàíÿë áûT ∼ 107 c, â òî âðåìÿ êàê åãî íàáëþäàåìàÿ äëèòåëüíîñòü ñîñòàâëÿåò T ∼ 100−1000ñ.Äðóãîé èçâåñòíîé ìîäåëüþ ÿâëÿåòñÿ ìîäåëü òèðèíã íåóñòîé÷èâîñòè ïðåäëîæåííàÿ Õ.

Ôóðòîì ( H.P. Furth, J. Killeen, 1963). Ïðè îòñóòñòâèè èäåàëüíîé ïðîâîäèìîñòè ïëàçìû íàðóøàåòñÿ óñëîâèå âìîðîæåííîñòè è äèôôóçèÿ ìàãíèòíîãî ïîëÿìîæåò ïðèâîäèòü ê íåóñòîé÷èâîñòÿì ñîçäàþùèì â òîêîâîì ñëîå, òàê íàçûâàåìûåìàãíèòíûå îñòðîâà, è ðçðóøàþùèì åãî.Àëüòåðíàòèâíûé òèï ìîäåëåé äèíàìè÷åñêèé îñíîâàí íà íåñêîëüêî äðóãîìïðèíöèïå.  äèíàìè÷åñêèõ ìîäåëÿõ âìîðîæåííîñòü ïëàçìû â ìàãíèòíîå ïîëå ñîõðàíÿåòñÿ ïî÷òè ïî âñåìó ïðîñòðàíñòâó, à âûñîêàÿ ñêîðîñòü ïåðåñîåäèíåíèÿ îáåñïå÷èâàåòñÿ çà ñ÷åò âîçíèêíîâåíèÿ óäàðíûõ âîëí. Äàëåå áóäåò ðàññìîòðåíà ìîäåëü áûñòðîãî ïåðåñîåäèíåíèÿ Ïåò÷åêà, èçíà÷àëüíî ïðåäëîæåííàÿ â ðàáîòå (H.E.Petschek, 1964).Çà âðåìÿ, ïðîøåäøåå ñ ìîìåíòà îïóáëèêîâàíèÿ ðàáîòû (H.E. Petschek, 1964),ïåò÷åêîâñêàÿ ìîäåëü áûëà ðàçâèòà è îáîáùåíà (Ñåìåíîâ Â.Ñ., Õåéí Ì.Ô., Êóáûøêèí È.Â., 1983, Ïóäîâêèí Ì.È., Ñåìåíîâ Â.Ñ., 1985, Biernat H.K., Heyn M.F.,Semenov V.S., 1987, R.P.

Rijnbeek, V.S. Semenov, 1993, Heyn M.F., Semenov V.S.,1996, Biernat H.K., HeynM.F., Semenov V.S., 2004a, Kiehas S.A., Semenov V.S.,Kubyshkina M.V., et.al., 2009a ). Ðàñïàä òîêîâîãî ñëîÿ â òàêîé ìîäåëè, òàêæå íà÷èíàåòñÿ ñ ïàäåíèÿ ïðîâîäèìîñòè â òîêîâîì ñëîå, íî, â îòëè÷èè îò äèôôóçèîííûõìîäåëåé, çäåñü ïðåäïîëàãàåòñÿ, ÷òî äèôôóçèÿ çíà÷èìà òîëüêî â íåáîëüøîé îáëàñòè, êîòîðàÿ ïîëó÷èëà íàçâàíèå äèôôóçèîííîé.Ýòî ïðèíöèïèàëüíî ìåíÿåò êîíôèãóðàöèþ ìàãíèòíîãî ïîëÿ è òå÷åíèÿ ïëàçìû âïðîöåññå ïåðåñîåäèíåíèÿ.  îáëàñòè ïîíèæåííîé ïðîâîäèìîñòè ýëåêòðè÷åñêèé òîê16óìåíüøàåòñÿ, ÷òî ìîæåò áûòü ôîðìàëüíî ïðåäñòàâëåíî êàê âîçíèêíîâåíèå òîêàïðîâîäèìîñòè îáðàòíîãî íàïðàâëåíèÿ.  ñîîòâåòñòâèè ñ çàêîíîì Îìà, ýòî ñîîòâåòñòâóåò ïîÿâëåíèþ ñîíàïðàâëåííîãî òîêó ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ, êîòîðîå íà÷èíàåòðàñïðîñòðàíÿòñÿ ïðè ïîìîùè ÌÃÄ âîëí.

 ÷àñòíîñòè, âäîëü òîêîâîãî ñëîÿ ýòî ïîëå ðàñïðîñòðàíÿåòñÿ ñ àëüôâåíîâñêîé ñêîðîñòüþ. Òàêèì îáðàçîì, íà ïîâåðõíîñòèòîêîâîãî ñëîÿ íà÷èíàåò ôîðìèðîâàòüñÿ òîêîâàÿ ñèñòåìà, êîòîðàÿ ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé òîê â äèôôóçèîííîé îáëàñòè, çàìûêàåìûé òîêàìè íà ôðîíòàõ àëüôâåíîâñêèõâîëí  äèôôóçèîííîé îáëàñòè óñëîâèå âìîðîæåííîñòè ïëàçìû â ìàãíèòíîå ïîëåíàðóøàåòñÿ è ìàãíèòíûå ñèëîâûå ëèíèè, íàõîäÿùèåñÿ ñ îäíîé ñòîðîíû òîêîâîãî ñëîÿ, ïîëó÷àþò âîçìîæíîñòü ñîåäèíèòüñÿ ñ ñèëîâûìè ëèíèÿìè, íàõîäÿùèìèñÿñ äðóãîé ñòîðîíû. Ñîáñòâåííî ðàñïàä òîêîâîãî ñëîÿ ïðîèñõîäèò â îêðåñòíîñòèäèôôóçèîííîé îáëàñòè, òàê êàê ïåðåñîåäèíåíèå ñèëîâûõ ëèíèé ìàãíèòíîãî ïîëÿïðèâîäèò ê âîçíèêíîâåíèþ íîðìàëüíîé ê òîêîâîìó ñëîþ êîìïîíåíòû ìàãíèòíîãîïîëÿ.Ïðè áîëåå ïîäðîáíîì ðàññìîòðåíèè ïðîöåññîâ ïðîèñõîäÿùèõ â äèôôóçèîííîéîáëàñòè, ó÷¼ò ýôôåêòà Õîëëà ïðèâîäèò ê ðàçëè÷èþ â ïîâåäåíèè ýëåêòðîíîâ èèîíîâ, èëè ïðîòîíîâ, âñëåäñòâèè ñóùåñòâåííîé ðàçíèöû èõ èíåðöèîííûõ ðàäèóñîâ(Biskamp D., Schwarz E., and J.F.

Drake, 1995).  ðåçóëüòàòå, â äèôôóçèîííîé îáëàñòè ôîðìèðóåòñÿ âíóòðåííÿÿ ýëåêòðîííàÿ äèôôóçèîííàÿ îáëàñòü (EDR), äèññèïàöèÿ âíóòðè êîòîðîé ñîçäà¼òñÿ àíèçîòðîïèåé òåíçîðà ýëåêòðîííîãî äàâëåíèÿ.Ýëåêòðîíû ðàçãîíÿþòñÿ äî ýëåêòðîííîé Àëüôâåíîâñêîé ñêîðîñòè, è âûëåòàÿ çàïðåäåëû EDR ðàçãîíÿþò ïðîòîíû äî ïðîòîííîé Àëüôâåíîâñêîé ñêîðîñòè (DrakeJ. F., Shay M. A., and M. Swisdak, 2008). Òàêîå îïèñàíèå äèôôóçèîííîé îáëàñòè ïîêàçûâàåò õîðîøåå ñîîòâåòñòâèå ñ ðåçóëüòàòàìè PIC-ìîäåëèðîâàíèÿ (Äèâèí À.Â.,2009).17Äåéñòâèòåëüíî, òàíãåíöèàëüíûé ðàçðûâ, êîòîðûì ÿâëÿåòñÿ òîêîâûé ñëîé, íåìîæåò ñóùåñòâîâàòü, åñëè íîðìàëüíàÿ êîìïîíåíòà ìàãíèòíîãî ïîëÿ íà åãî ïîâåðõíîñòè îòëè÷íà îò íóëÿ (Ëàíäàó Ë.Ä., Ëèôøèö Å.Ì, 2007, ).

Ó÷àñòîê òîêîâîãî ñëîÿ,íà êîòîðîì íîðìàëüíàÿ êîìïîíåíòà íàïðÿæåííîñòè ìàãíèòíîãî ïîëÿ îòëè÷íà îòíóëÿ, íà÷èíàåò íåìåäëåííî ðàñïàäàòüñÿ íà ñèñòåìó óäàðíûõ âîëí è, âîçìîæíî,âîëí ðàçðåæåíèÿ ( Wentzel D.G, 1979, Ïåòðàøåíü Ã.È., Ìîëîòêîâ Ë.À., ÊðàóêëèñÏ.Â., 1985, Äðîáûø Î.À., 1997).Íåñìîòðÿ íà òî, ÷òî â äèíàìè÷åñêîé ìîäåëè äèôôóçèîííûå ïðîöåññû äåéñòâóþò òîëüêî â îãðàíè÷åííîé îáëàñòè, ïðîöåññ ïåðåñîåäèíåíèÿ áîëåå ýôôåêòèâíîïðåîáðàçóåò ýíåðãèþ òîêîâîãî ñëîÿ ïî ñðàâíåíèþ ñ äèôôóçèîííûìè ìîäåëÿìè.Ýòî ïðîèñõîäèò áëàãîäàðÿ òîìó, ÷òî â äèíàìè÷åñêîé ìîäåëè â ïðîöåññå ïåðåñîåäèíåíèÿ ïðåîáðàçîâàíèå ýíåðãèè ïðîèñõîäèò íà ôðîíòàõ óäàðíûõ âîëí, ãäå ïëàçìàíàãðåâàåòñÿ è óñêîðÿåòñÿ çà ñ÷åò ýíåðãèè ìàãíèòíîãî ïîëÿ.Îäíàêî, ñëåäóåò çàìåòèòü, ÷òî ýôôåêòèâíîñòü äèôôóçèîííîãî ìåõàíèçìà ÑâèòàÏàðêåðà ðàâíà√1 ,ℜmà ïåðåñîåäèíåíèÿ Ïåò÷åêà1ln ℜm ,ãäå ℜm ìàãíèòíîå ÷èñëîÐåéíîëüäñà.

È ýôôåêòèâíîñòü òèðèíã íåóñòîé÷èâîñòè òàêæå óñòóïàåò ïåò÷åêîâ−3/5ñêîìó ïåðåñîåäèíåíèþ åå ñêîðîñòü ∼ ℜm. À òàê êàê â êîñìè÷åñêîé ïëàçìå ℜmî÷åíü âåëèêî, òî ðàçíèöà â ýôôåêòèâíîñòè ýòèõ ïðîöåññîâ âåñüìà ñóùåñòâåííà.Õàðàêòåðíîé îñîáåííîñòüþ ìîäåëè ïåðåñîåäèíåíèÿ Ïåò÷åêà ÿâëÿåòñÿ âîçíèêíîâåíèå îáëàñòè îãðàíè÷åííîé óäàðíûìè âîëíàìè, âíóòðè êîòîðîé äâèæåòñÿ ðàçîãðåòàÿ ïëàçìà. Äèôôóçèîííûå ìîäåëè ïåðåñîåäèíåíèÿ òàêæå ïðåäñêàçûâàþò óñêîðåíèå ïëàçìû âäîëü òîêîâîãî ñëîÿ çà ñ÷åò âîçíèêàþùèõ ìàêñâåëëîâñêèõ íàïðÿæåíèé, íî òàêîå óñêîðåíèå ãîðàçäî ñëàáåå, ÷åì òî, êîòîðîå â ïåò÷åêîâñêîé ìîäåëèîáåñïå÷èâàåòñÿ óñêîðåíèåì ïëàçìû íà óäàðíûõ âîëíàõ.

Òàêèì îáðàçîì, íàëè÷èåèëè îòñóòñòâèå ïîäîáíîé îáëàñòè â âû÷èñëèòåëüíîì è ðåàëüíîì ýêñïåðèìåíòàõ18ìîæåò ñëóæèòü êðèòåðèåì ïðèìåíåíèÿ òîé èëè èíîé ìîäåëè. ñïóòíèêîâûõ íàáëþäåíèÿõ äíåâíîé ìàãíèòîïàóçû óñêîðåííûå ïîòîêè íàáëþäàþòñÿ â òåõ ñëó÷àÿõ, êîãäà ìàãíèòîñôåðà îòêðûòà ïî ìàãíèòíîìó ïîëþ ( H.K.Biernat, M.F. Heyn, V.S. Semenov, 1987,1997, H.K. Biernat, M.F. Heyn, R.P.

Rijnbeek, Sonnerup, G. Paschmann, 1981) ,V.S. Semenov, and C.J. Farugia, 1989,1990, B.U.O÷òî äàåò îñíîâàíèå ñ÷èòàòü, ÷òî ìåõàíèçì ïåðåñîåäèíåíèÿ, îáåñïå÷èâàþùèé ñâÿçüçåìíîãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ è ìåæïëàíåòíîãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ (ÌÌÏ), ðàáîòàåò âðåæèìå, áëèçêîì ê ïåò÷åêîâñêîìó. Ñ äðóãîé ñòîðîíû, â ñîâðåìåííûõ ÷èñëåííûõýêñïåðèìåíòàõ, â êîòîðûõ ìàãíèòíîå ïåðåñîåäèíåíèå èíèöèèðóåòñÿ ïàäåíèåì ïðîâîäèìîñòè â íåáîëüøèõ ó÷àñòêàõ òîêîâîãî ñëîÿ, òàêæå âîçíèêàþò ïðîäîëüíûåóñêîðåííûå ïîòîêè ïëàçìû, çàêëþ÷åííûå ìåæäó óäàðíûìè âîëíàìè (M.