Введение к работе
Актуальность темы.
Изучение процессов быстрого преобразования энергии магнитного поля в кинетическую и тепловую энергии, происходящих в плазме, в настоящее время является более чем актуальным. Энергия, накопленная в тонких токовых слоях в космическом пространстве, преобразовывается в энергию потоков частиц плазмы, что может оказывать влияние как на работу оборудования, находящегося в околоземном пространстве, так и на объекты, расположенные на поверхности Земли. Таким образом, в космической физике особенно важно исследование высвобождения энергии, накопленной в тонких токовых слоях. Исследования, посвященные процессам быстрого распада токового слоя, проводятся, начиная с 60-х годов прошлого века. Модели, предложенные для объяснения этого класса явлений, известны в настоящее время под общим названием теории магнитного пересоединения.
Возникновение теории пересоединения связано с развитием изучения околоземного пространства и солнечных вспышек. В настоящее время исследование процессов происходящих на солнце, их влияния на магнитосферу и ее возмущения являются особенно актуальными, так как состояние околоземного пространства и, так называемая, космическая погода, оказывает существенное влияние на работу спутникового оборудования.
Из МГД моделей пересоединения наибольшую известность получили модель Свита-Паркера и, предложенная несколько позже, модель Петчека. Эти модели предсказывают топологическую перестройку токового слоя и возникновение сильно ускоренных потоков плазмы вдоль него. Модель Петчека оказалась предпочтительной для объяснения явлений в космической плазме, так как эффективность пересоединения, предсказываемая этой
моделью для плазмы с большим числом Рейнольдса, оказалась гораздо выше, чем для модели Свита-Паркера. Принципиальной особенностью петчековского пересоединения, позволяющей преобразовывать энергию магнитного поля особенно эффективно, является распад токового слоя на систему ударных волн, на фронтах которых и происходит это преобразование.
За почти 50 лет, прошедшие со времени опубликования первой работы Петчека, этой модели было посвящено большое количество научных работ. Были получены экспериментальные подтверждения реализации петчековского механизма пересоединения в хвосте магнитосферы, на магнитопаузе, в магнитосферах других планет и в солнечном ветре. Проведено большое количество численных экспериментов, показавших возникновение ударных волн, характерных для петчековского пересоединения. Теория Петчека была развита: получены аналитические решения для нестационарного пересоединения, пересоединения в сжимаемой среде, трехмерного пересоединения. Кроме того были получены решения для холловской МГД модели пересоединения, которые подтверждаются PIC симуляциями.
Однако, следует заметить, что во всех случаях изучения возможного механизма пересоединения, основное внимание уделяется образующимся в ходе процесса ускоренным потокам плазмы, в то время как вопрос перераспределения энергий в окружающем пространстве остается неизученным. То, как распределяется магнитная энегргия в пространстве после распада токового слоя, какое ее количество переходит в тепловую, а какое в кинетическую, представляет несомненный интерес.
Цель настоящей работы:
Исследование энергетики динамических моделей магнитного пересоединения Петчека, начиная с простейшей модели пересоединения в несжимаемой плазме с симметричными начальными условиями и заканчивая моделью пересоединения в сжимаемой плазме с произвольными начальными условиями; численное МГД моделирование процесса нестационарного пересоединения, сравнение и анализ полученных результатов.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
Исследованы преобразования энергии и импульса, происходящие в петчековском процессе нестационарного пересоединения магнитных полей в несжимаемой плазме в простейшем двумерном случае симметричных начальных магнитных потоков.
Проанализирован энергетический баланс и баланс момента импульса при нестационарном пересоединении в несжимаемой плазме в случае произвольной конфигурации магнитных полей.
Исследована энергетика процесса пересоединения в сжимаемой плазме в случае симметричных начальных условий в двумерном случае.
Используя результаты 2D МГД – моделирования, рассчитан энергетический баланс для случая токового слоя конечной толщины и произведено сравнение с результатами, полученными в аналитической модели.
На основе численных МГД расчетов проанализировано перераспределение энергий в процессе пересоединения в сжимаемой плазме в случае несимметричных начальных условий.
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 втекания понижение плотности магнитной энергии в области разлета компенсируется е повышением над OR – областями на величину равную или превышающую кинетическую энергию ускоренных потоков.
Баланс энергии в приближении несжимаемой плазмы в трхмерной модели: внутри OR– областей полная энергия сохраняется, в области втекания образуются волны сжатия, магнитная энергия в которых скомпенсирована убылью энергии в области разлта.
Баланс энергии в сжимаемой плазме: ускоренные потоки плазмы переносят и кинетическую и тепловую энергию примерно в равных количествах; в волне сжатия в области втекания тепловая энергия преобладает над магнитной.
Результаты численных расчтов для модели токового слоя конечной толщины, показывающий, что аналитическая модель дат предельное значение кинетической энергии ускоренных потоков плазмы и магнитной энергии в волне сжатия.
Научная новизна:
Исследовано решение задачи импульсного пересоединения Петчека в двумерной модели для несжимаемой и сжимаемой плазмы и в трехмерной модели для несжимаемой плазмы и различных конфигураций магнитных полей.
Детально исследованы преобразования различных видов энергии внутри областей вытекания плазмы, образующихся в процессе пересоединения.
Впервые исследовано распределение энергии магнитного поля, кинетической и тепловой энергии плазмы в области, окружающей ускоренные плазменные потоки .
Впервые получены результаты численного МГД моделирования процесса импульсного пересоединения в сжимаемой плазме в двумерной модели, позволяющие оценить энергетический баланс процесса.
Впервые проведн сравнительный анализ результатов численного моделирования и аналитической модели.
Практическая ценность
Уточненное решение задачи пересоединения Петчека дает более детальное описание поведения плазмы как в области образования ускоренных потоков плазмы, так и в окружающих эти потоки областях. Такое решение обеспечивает более точное согласование с экспериментальными данными и может быть использовано при исследовании дневной магнитопаузы и хвоста магнитосферы Земли, а также прогнозировании магнитосферных процессов.
Личный вклад автора.
Автор принимал участие в постановке задачи, получении аналитических решений,
самостоятельно получал и анализировал характеристики энергетики процесса
пересоединения. Все изложенные в диссертации результаты получены автором
самостоятельно или на равных правах с соавторами.
Апробация работы.
Результаты исследований, представленных в работе, докладывались на международных конференциях:
International Workshop on the Solar Wind – Magnetosphere System 3 (Грац, Австрия, 23-25 сентября 1998),
International Conference on Substorms - 5 (Санкт-Петербург, Россия, 16-20 мая 2000), 7th international 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 4 статьи 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 92 наименований, содержит 149 страниц машинописного текста, включая 16 рисунков и 9 таблиц.