Численное моделирование процесса магнитного пересоединения в кинетическом приближении

• Автор: Дивин, Андрей Викторович
• Шифр специальности: 01.03.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 128 с. : ил.

Оглавление
Введение
1 Обзор

1.1 Роль пересоединения в динамике магнитосферы Земли

1.2 Модели Свита-Паркера и Петчека

1.3 Обобщенный закон Ома

1.4 Пересоединение в кинетическом приближении

2 Численное моделирование пересоединения в кинетическом приближении

2.1 Описание численной модели

2.2 Открытые граничные условия

2.3 Параметры вычислительной задачи

2.4 Моделирование разрывной неустойчивости
2.5 Моделирование пересоединения в кинетическом приближении
Заключение

3 Анизотропия электронного давления в окрестности нейтральной линии
3.1 Выполнение обобщенного закона Ома в бесстолкновигель-
ной плазме
3.2 Движение частиц в токовых слоях
3.3 Замагниченные и незамагниченные частицы в окрестности Х-точки
3.4 Скейлинг во внутренней электронной диффузионной области
Заключение
Заключение
Приложение А
Приложение Б
Литература
Введение
Настоящая диссертация посвящена кинетическому моделированию процесса пересоединепия в бесстолкновительной плазме методом частица-в-ячейке (известном в зарубежной литературе как Р1С, РагНс1е-т-се11). Вычисления проведены с использованием кода РЗБ: использовано двумерное приближении с учетом всех трех компонент электромагнитного поля и скоростей частиц; в модели разрешаются все типы волн плазмы (световые, альфвеновские, магнитозвуковые и др.), учитываются электростатические эффекты и на вычислительную область накладываются открытые граничные условия. Показано, как из равновесного начального токового слоя развивается конфигурация с нейтральными линиями, эффективно преобразующая магнитную энергию в энергию частиц. Подробно исследована диффузионная область, разработан алгоритим разделения частиц на разные классы в окрестности нейтральной линии, и на основании этого метода предложена оценка тензора электронного давления. Получены скейлинги электронной диффузионной области.
Актуальность темы. Возникновение теории пересоединения в 40-х гг. XX века стало результатом изучения солнечных вспышек и поиска механизмов, способных разогнать большое количество плазмы в относительно короткое время. Типичные солнечные вспышки выделяют 1032 -г-1033 эрг в течении 2 -ь 20 минут, сопровождаются выбросами вещества короны Солнца и при взаимодействии выброса с магнитосферой Земли вызывают существенные возмущения в магнитном поле Земли (магнитные бури). Стоит заметить, что в последнее десятилетие вызы-

востью, существенно меньше -Во и электронная тиринг-мода будет подавлена задолго до необходимого перехода к крупномасштабному пере-соединению и формированию стационарной Х-точки. Обратим внимание на то, что формирование Х-точки конечной интенсивности необходимо в задачах с двумерным токовым слоем (В- 0 при л = 0). т.к. тиринг-
возмущение накладывается на магнитное поле В: конечной величины. Тем не менее, данная оценка оказалась исключительно заниженной. В кинетическом моделировании обычно наблюдается образование островов, их рост, переход в фазу слияния осторов (coalescence instability) и далее быстрое пересоединение в главных нейтральных линиях. [69], [93], [61], [25]. В недавней работе [44] было обнаружено, что толщина ТС значительно влияет на амплитуду насыщения; так, в ТС L ~ 0.5гД- тиринг-неустойчивость переходила в фазу быстрого пересоединения, тогда как в ТС с L ~ Id, магнитные острова стабилизировались на масштабах 6е <С dt. Таким образом, вопрос нелинейного насыщения требует дополнительного изучения.
3. Антипараллельная конфигурация магнитных силовых линий, В = Вовх. Динамика ТС с нормальной компонентой В„ исключительно интересна тем, что именно такой ТС находится в хвосте магнитосферы Земли. В работе Шиндлера [98] рассматривается вопрос устойчивости изотропного ТС с компонентой магнитного поля Вп, нормальной к ТС. В такой конфигурации силовые линии не антипараллельны, а сильно изогнуты в центре ТС. Показано, что если электронная компонента замагниченна на временах развития электронной тиринг-моды, т.е. если 2~7/шсе{Вп) < 1, где гирочастота вычислена для магнитного поля Вп, то электронная тиринг-мода стабилизируется. Предложен механизм ионной разрывной неустойчивости, в которой диссипация создается инерцией ионов; электроны выступают холодным нейтрализующим фоном С Те/Ті < 1.
В работе Галеева и Зеленого [39] было показано, что в такой конфигурации будет присутствовать отклик электронов ТС на возмущения типа тиринга, оказывающий стабилизирующее действие на развитие