Введение к работе
Настоящая работа посвящена двумерному численному МГД моделированию динамических процессов, развивающихся в интенсивных токовых слоях конечной толщины при локальном значительном понижении электропроводности. Учитывается наличие продольного сверхзвукового потока плазмы. Таким образом, данная модель может быть применена к исследованию динамических процессов в гелиосферном токовом слое.
Актуальность темы. По современным представлениям, при локальном понижении электропроводности плазмы в интенсивных токовых слоях, в частности в гелиосферном токовом слое, может развиваться процесс быстрого перехода потенциальной энергии магнитного поля в кинетическую энергию плазмы, сопровождающийся топологической перестройкой магнитного поля и генерацией МГД волн. Указанный процесс, играющий ключевую роль в космической физике, известен как процесс магнитного пересоединения. Считается, что магнитное пресоединение ответственно за такие явления, как хромосферные вспышки, FTE и сопровождающие их явления в полярной ионосфере, магнитосферные суббури. Данные измерений на космических аппаратах, полученные в последнее время, позволяют предположить, что процесс магнитного пресоединения может иметь место в гелиосферном токовом слое.
Однако, несмотря на важность процесса магнитного пересоединения в космической физике и физике взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой Земли, полной самосогласованной теории этого процесса не существует. К числу наиболее разработанных моделей магнитного пересоединения относится модель Петчека, часто и успешно применяющаяся к описанию взаимодействия со л-
— A—
нечного ветра и магнитосферы. Нестационарная модель пересоединения Петчека включает в себя диффузионную и конвективную стадии; ключевую роль в этом процессе играют МГД волны, генерирующиеся на ранней стадии процесса. На сегодняшний день достаточно хорошо исследованной является конвективная фаза процесса, построены количественные модели для симметричных и асимметричных магнитных полей, получены энергетические характеристики процесса. В то же время, ранняя - диффузионная - фаза процесса остается описанной весьма схематично. В связи с вышесказанным, представляется важным проведение численных расчетов, моделирующих раннюю стадию магнитного пересоединения, позволяющих проследить генерацию МГД волн, эволюцию электрического поля и энергетику процесса в диффузионной стадии и при переходе к конвективной фазе.
Как было отмечено, существуют данные, позволяющие предположить, что магнитное пересоединение может происходить в ге-лиосферном токовом слое, ассоциируемом с секторными границами межпланетного магнитного поля. Существующие на сегодняшний день модели такого процесса носят, в основном, качественный характер и построены на основании теоретических моделей магнитного пересоединения, развитых для бесконечно тонких токовых слоев. Но предположения, заложенные в основу большинства теоретических моделей магнитного пересоединения могут быть неадекватны ситуации в солнечном ветре и гелиосферных токовых слоях поскольку последние имеют заметные толщины и не являются нейтральным: существует ненулевая нормальная к слою компонента магнитного поля. Кроме того, необходим учет продольного к токовому слою потока плазмы, скорость которого превышает звуковую. В связи с этим актуальным становится
— 5—
проведение численного моделирования эволюции МГД величин при развитии в локальной области токового слоя конечной толщины аномального сопротивления плазмы при учете сверхзвукового продольного потока и ненулевой нормальной составляющей магнитного ноли в слое. Модель такого процесса позволит более уверенно интерпретировать данные космических измерений в области гелиосферных токовых слоев, что важно, поскольку процессы происходящие в этих областях во многом определяют геоэффективность солнечного ветра.
Целью настоящей работы является построение самосогласованной двумерной модели пространственно - временной эволюции МГД параметров вблизи токового слоя конечной толщины при развитии в локальной области последнего аномального сопротивления плазмы и применение построенной модели к гелио-сферному токовому слою. Модель строится на основании численных решений системы уравнений одножидкостной магнитогидродинамики с изотропным давлением при учете сжимаемости плазмы. Изучается эволюция МГД параметров за время, сравнимое zo временем релаксации электрического поля, индуцированного развитием аномального сопротивления в диффузионной области. Применение модели к гелиосферному токовому слою подразумевает учет продольного сверхзвукового потока плазмы и ненулевой нормальной компоненты магнитного поля в токовом слое.
Научная новизна
1. Предложен численный код для решений системы уравнений магнитной гидродинамики с учетом неоднородной магнитной вязкости и сжимаемости среды на основе явной абсолютно устойчи-зой схемы Дюфора - Франкеля.
— G—
2. Создан комплекс вычислительных программ для исследо
вания эволюции начальной МГД конфигурации вблизи токового
слоя конечной толщины при развитии в локальной области по
следнего аномального сопротивления плазмы, позволяющий
учесть продольную к слою скорость плазмы и ненулевую нор
мальную компоненту магнитного поля.
3. Проведены численные расчеты динамики магнитного и элек
трического полей, поля течения плазмы, вектора потока энергии и
прослежена генерация МГД волн в результате развития аномаль-
нного сопротивления в локальной области токового слоя конечной
толщины. Исследованы ранняя фаза процесса магнитного пере
соединения и влияние продольного сверхзвукового потока плазмы
на магнитное пересоединение в токовом слое конечной толщины.
Практическая ценность. Разработанные вычислительные программы могут быть использованы как активные блоки в более сложных вычислительных комплексах, моделирующих динамику солнечного ветра, межпланетного магнитного поля и взаимодействия последних с магнитосферой Земли с учетом экспериментального материала. Построение подобных комплексов важно для диагностики магнитисферных возмущений.
На защиту выносятся:
-
методика численного моделирования пространственно - временной эволюции МГД параметров при развитии аномального сопротивления в интенсивных токовых слоях;
-
характерные времена изменения индуцированного электрического поля и плотности электрического тока в диффузионной области;
— 7—
-
результаты расчета пространственно - временной эволюции нормальной к токовому слою компоненты магнитного поля и конвекции плазмы при развитии аномального сопротивления в ограниченной конечной области токового слоя;
-
результаты расчета пространственно - временной эволюции вектора потока энергии при заданных временной и пространственной зависимостях аномального сопротивления;
-
зависимость нормальной компоненты магнитного поля в токовом слое, протекаемом потоком плазмы, от внешнего электрического поля, заданного на поверхности источника;
G. результаты расчетов изменения МГД параметров при развитии аномального электрического сопротивления плазмы в локальной области токового слоя при учете продольного сверхзвукового потока и нормальной к слою компоненты магнитного поля; диагностические признаки магнитного пересоединения в гелиосферном токовом слое.
Личный вклад автора. Автор принимал участие в постановке задачи, разработке и реализации численного алгоритма решения. Все изложенные в диссертации результаты получены автором самостоятельно.
Основные результаты диссертационной работы доклады-зались на международных конференциях 1st Meeting Workshop Vlagnetic Reconnectiou at the Maguetopause and Aurora Dynamics, Апатиты, G - 10 марта 1995 и International Workshop on the Solar Wind - Magnetosphere System 2, Грац, Австрия, 27 - 29 сентября 1995, а также на семинарах кафедры физики Земли НИИ Физики
— 8—
СПбГУ. Список публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитированной литературы из 114 наименований, содержит 128 страниц машинописного текста, включая 34 рисунка.
