Магнитно повторно свързване, ускоряване и транспортиране на частици

Четвъртък, 24 януари 2013 г., от Етиен Париат, Филипо Пантелини, Карл-Лудвиг Клайн

Движенията на материята в плазмата понякога водят до образуването на срязващи магнитни полета толкова рязко, че плазмата вече не е в състояние да издържа на интензивните електрически токове, свързани с нея. Магнитното повторно свързване е спонтанно и бързо преконфигуриране на структурата на магнитното поле в близост до зони на срязване, което позволява степента на срязване и интензивността на свързаните токове да бъдат намалени до приемливи нива. Енергията, освободена по време на повторното свързване, се преобразува в топлина и кинетична енергия на групи частици, които се ускоряват до високи енергии. Магнитното повторно свързване е наблюдавано пряко или косвено в много астрофизични плазми и по-специално в слънчевата корона и в планетарните магнитосфери.

  • Магнитохидродинамика (MHD): теоретична рамка за разбиране на повторното свързване
  • стр.1
  • Повторна връзка: нарушение на идеалния MHD
  • стр.1
  • Повторно свързване и магнитното число на Рейнолдс
  • стр.1
  • Повторна връзка в слънчевата корона
  • стр.1
  • Наблюдения ограничения: MHD не е достатъчно
  • стр.1
  • Повторно свързване и енергийни частици
  • стр.2
  • В LESIA
  • стр.2
  • Още информация
  • стр.2

Магнитохидродинамика (MHD): теоретична рамка за разбиране на повторното свързване

Слънцето, слънчевата атмосфера и междупланетната среда са плазми с почти безкрайна електрическа проводимост. Магнитохидродинамиката (MHD), теория, която описва поведението на проводима течност, прогнозира, че топологията на магнитното поле в такава плазма не може да се промени с течение на времето. Още по-добре, тогава MHD предсказва, че магнитното поле е замръзнало в плазмата. По същество движенията на плазмата могат да изкривят линиите на магнитното поле, но не могат да ги разрушат. Това е границата, наречена идеален MHD.

Пример за идеално движение в атмосферата на Слънцето, което може да доведе до повторно свързване

На фигура 1 са показани две линии на магнитно поле, излизащи от вътрешността на Слънцето и простиращи се в короната. Тъй като всяка линия на магнитното поле трябва задължително да се затваря в себе си, двете линии трябва задължително да се потопят обратно в Слънцето, за да затворят съответните си контури. Короната е много динамична среда, възможно е да си представим, че плазмата в близост до нашите два магнитни контура се движи според червените стрелки на фигура 1. Короната е страхотно ефективен проводник, можем да приемем, че MHD идеалното се прилага и линиите на магнитното поле са замръзнали в плазмата. Следователно без да се налага да преминаваме през сложни изчисления, ние знаем, че линиите на магнитното поле трябва да следват движенията на плазмата.

повторно
Фиг. 1: Замразяване на полето

В идеалния MHD магнитното поле е замръзнало в плазмата. По този начин всяко движение в плазмата е придружено от деформация на линиите на магнитното поле.

Повторна връзка: нарушение на идеалния MHD ?

Движенията на плазмата понякога водят до факта, че в определени региони проводимостта на плазмата е недостатъчна, за да устои на потока на тока, свързан със структурата на магнитното поле, както се изисква от закона на Ампера. Когато това се случи, е възможна локална реконфигурация на топологията на магнитното поле (или повторно свързване), дори неизбежна. По този начин, продължавайки прищипващото движение, показано на фигура 1, в точката, където са концентрирани противоположно ориентирани линии на магнитно поле, се формира текущ лист с нарастваща интензивност (на синьо на фигура 2). Когато интензитетът на тези токове надвиши критичен праг, настъпва топологична реконфигурация на магнитното поле (дясно изображение на фигура 2).

Фиг. 2: Магнитно повторно свързване

Когато движенията на плазмата (червени стрелки) се доближат до линии на магнитно поле с много различна ориентация, се образува зона с интензивен ток (синя на изображението). Когато силата на тока надвиши критичен праг, има повторно свързване. Топологията на магнитното поле след това се променя до конфигурация без зони с интензивен ток

По време на фазата на компресия (Фигура 1), енергията се съхранява в магнитното поле, подобно на огъването на лък за изстрелване на стрели. При повторно свързване (Фигура 2), част от енергията, натрупана в магнитното поле, внезапно се освобождава като топлина (чрез разсейване на токове и удари). Част от енергията също се връща под формата на мащабна кинетична енергия, тъй като задържаната в магнитното поле плазма е принудена да следва преконфигуриращото движение на линиите на магнитното поле. В дясното изображение на Фигура 2, след повторно свързване, се образува несвързана верига на магнитно поле вътре в Слънцето. След това контурът, освободен от закрепването си на Слънцето, е свободен да отлети в междупланетната среда при типични скорости от порядъка на няколко хиляди км/сек. Следователно повторната връзка често се използва като механизъм за задействане на много зрелищни коронални масови изригвания и изхвърляния.

Слънчево изригване, наблюдавано от инструмента EUVI на сондата (.) "/> Анимация 1: Слънчева светкавица

Слънчево изригване, наблюдавано от инструмента EUVI на сондата STEREO.

Повторна връзка и магнитното число на Рейнолдс

Като цяло, пространствената структура на магнитното поле в плазма е благоприятна за повторно свързване, когато полето промени ориентацията на много кратко разстояние. Тази промяна в ориентацията на магнитното поле предполага, съгласно закона на Ампер, наличието на тънък токов лист, както в примера на фигура 2. Според MHD уравненията критичният параметър, който определя дали мрежата може да се свърже отново, е магнитното число на Рейнолдс

където μ0 е магнитната пропускливост, σ проводимостта на плазмата, v характерната скорост на плазмата в близост до текущия лист и L дебелината на листа.

Докато числото на Рейнолдс е много голямо пред 1, едно е в рамките на идеалния MHD и повторното свързване по принцип е невъзможно. Например, характерният размер на магнитен контур в слънчевата корона е от порядъка на 10 000 км. Като се вземат предвид характерните скорости от 1 km/s и като се вземе електрическата проводимост на плазмата на 1 милион Келвина, получаваме огромно число на Рейнолдс от порядъка на Rm = 10 10. По този начин, според MHD, ще трябва да притиснете контура до дебелина L от порядъка на mm (10 000 km/10 10), за да достигне число на Рейнолдс от порядъка на 1 и по този начин да задейства повторното свързване. В действителност, в случай на плазма с толкова рядка плътност като тази на слънчевата корона, MHD, която е флуидна теория, основаваща се на предположението, че сблъсъците между зарядите, съставляващи плазмата, са чести, губи своята валидност много преди това Рейнолдс числото е от порядъка на единството (виж по-долу).

Повторна връзка в слънчевата корона

Следователно е необходимо да се разграничат два различни режима в проблема за повторното свързване. От една страна, режимът на мащабни структури, тези, които виждаме например в короната при видима светлина, рентгенови лъчи (например Фигура 7) или EUV изображения. Тези големи структури, характеризиращи се с движения с много голямо число на Рейнолдс, се развиват според идеалния MHD, който забранява повторното свързване. Другият режим е режимът на тънки токови петна, които могат да се образуват, когато мащабните движения са благоприятни, както е в случая на учебниците на фигури 1 и 2. Тези петна, за които се предполага, че са с дебелина само няколко десетки метра в момента на повторно свързване и които следователно избягват MHD описание, не се разрешават от нашите инструменти за наблюдение.

Тогава HDM дава възможност да се разбере еволюцията на големите структури и да се поставят ограничения върху формирането на текущите листове, където може да се осъществи повторно свързване. По този начин, моделирането на магнитното поле в короната, базирано на измервания в подлежащата фотосфера, подчертава цялостната структура около регионите за повторно свързване, показвайки по-сложни ситуации от диаграмата на фигура 2.

Фиг. 3: "Плъзгащо" повторно свързване в короната

Формиране на токови листове в триизмерна магнитна структура: изчислени линии на полето (фигури вляво) и сравнение с активна област, наблюдавана при рентгенови лъчи (спътник Hinode; след Aulanier et al. 2007 Science 318, 1588).

Чрез числени симулации изследователите на LESIA показаха, че повторното свързване се извършва в тънки слоеве в короната, които не са непременно прости области, където магнитните полета са антипаралелни, както е в блоковата диаграма на фигури 1 и 2, виждаме, че тези области са разположени на границата между магнитните контури, които са закотвени в различни области на фотосферата: например контурите, чиито линии на полето са изчертани в червено и зелено на фигурата по-горе. Те не са статични структури. Моделът дава възможност да се интерпретира бързото разпространение на раздробяване по изригващите мрежи, наблюдавано при твърди рентгенови лъчи, в Н алфа линията и в EUV. Първите наблюдения с японски спътник HINODE на кръстосаното приплъзване на бримки, наблюдавани при рентгенови лъчи, директно потвърдиха съществуването на този нов режим на повторно свързване.

Наблюдения ограничения: MHD не е достатъчно !

Ако наблюденията на короната показват структури и еволюции, които могат да бъдат интерпретирани чрез повторно свързване, е напълно ясно, че подробните процеси в настоящите листове не са достъпни за MHD. Основната причина за недостатъчността на MHD е, че коронарната плазма (и още повече плазмата на слънчевия вятър) е изключително разредена плазма, в която сблъсъците между частици са много редки, като частиците могат да изминат милиони километри между два последователни сблъсъка . При тези условия флуидната теория, като MHD, по принцип не е валидна, тъй като се основава на предположението, че разстоянието между последователните сблъсъци е по-малко от резистивната скала, т.е.по-малко от пространствената скала, съответстваща на числото на Рейнолдс Rm = 1, който видяхме, че е от порядъка на mm в короната. Всъщност MHD често дава добро описание на поведението на неколизионна плазма, когато тя е ограничена до големи мащаби, като границата между голям и малък мащаб е фиксирана от характерни дължини на плазмата, които не се появяват в уравненията на MHD като радиус на извиване на йоните или дебелината на кожата на йоните.

По този начин в слънчевата корона тези две дължини са от порядъка на няколко десетки метра за протоните и около 43 пъти по-къси за електроните [1]. Те достигат няколко десетки километра в слънчевия вятър на нивото на земната орбита. Тъй като MHD губи своята валидност под тези скали, вероятно е магнитното повторно свързване да се случи на тези скали, а не в скалата, съответстваща на Rm = 1.

Наскоро измерванията в магнитосферата на Земята, извършени с CLUSTER, недвусмислено показаха, че степента на зоната на магнитно повторно свързване е от порядъка на дебелината на кожата на йоните. Много интензивно повторно свързване на електрически полета в мащаба на дебелината на кожата на електроните, разделящи отворените и затворените линии на полето, също са наблюдавани от CLUSTER. Следователно в този мащаб магнитната енергия се преобразува в кинетичната енергия на електроните, които се задвижват при доста значителни енергии от няколкостотин eV.