Токовый слой, созданный течением плазмы

• Автор: Подгорный, Александр Игоревич
• Шифр специальности: 01.04.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1983
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 160 c. : ил

1. Введение

1.1. Токовый слой и особые линии магнитного поля

1.2. Токовый слой в природе и эксперименте

1.3. Модели пересоединения

1.4. Модель токового слоя с антипараллельными полями

2. Постановка задачи

3. Образование токового слоя из волны и картина течения.

Числа Сыроватского

3.1. Формирование слоя из волны возмущения

3.2. Магнитное поле и течение плазмы в окрестности слоя

3.3. Числа Сыроватского

3.4. Самовозбуждение токового слоя при импульсном возмущении
на границе области
3.5. Токовый слой, созданный малым возмущением на границе области
4. Тепловые эффекты в токовом слое
4.1. Роль теплопроводности
4.2. Численное моделирование токового слоя в двухтемпературном приближении
5. Предельная скорость пересоединения
5.1. Результаты расчетов при сильном граничном возмущении
5.2. Возрастание напряженности магнитного поля вблизи токового слоя
5.3. Накопление магнитных линий в космических и лабораторных условиях
6. Роль продольной компоненты магнитного поля
7. Нестационарность плазменных параметров в токовом слое и быстрая перестройка магнитного поля и течения
7.1. Уменьшение толщины слоя и флуктуации величин в ква-зистационарном режиме
7.2. Резкое изменение конфигурации магнитного поля и течения
7.3. Эволюция токового слоя с плохой теплопроводностью
8. Заключение
Литература

I. ВВЕДЕНИЕ
1.1« Токовый слой и особые линии магнитного ПОЛЯ.
В настоящее время практически ни у кого не вызывает сомнений* что солнечные вспышки происходят в результате быстрого освобождения энергии, которая была предварительно накоплена в магнит-

ном поле. При вспышке магнитная энергия ~ 10 эрг в течение нескольких десятков секунд переходит в энергию ускоренных частиц, энергию излучения в радио, оптической, ультрафиолетовой и рентгеновской области, тепловую энергию и энергию направленного движения плазмы. Один из наиболее вероятных механизмов накопления магнитной энергии для вспышек связан с токовым слоем [1-1о] . Предполагается, что энергия накапливается в магнитном поле тонкого слоя тока. Проделанные С.И.Сыроватским [б] оценки для токового слоя солнечной короны, который имеет предельно малую толщину, дают размеры слоя ЮхЮ^х Ю^см, в котором течет ток б • Ю^ампер

и запасается магнитная энергия 10 эрг, магнитное поле вблизи слоя ~ 300 Гс. При этом быстрое освобождение магнитной энергии во вспышке происходит при разрыве слоя. Аналогичные вспышечные процессы возможны так же в магнитосфере во время суббурь [п] и в токамаках £12]. В токовом слое происходит диссипация магнитной энергии, что на языке магнитной гидродинамики соответствует пересоединению магнитных силовых линий [13,14]
Пониманию природы токовых слоев в значительной мере способствовали рассмотрение слоя без отрыва от процесса его образования [ 3] и анализ роли "особых" линий магнитного поля в плазме £Х5—18] , предложенные С.И.Сыроватским, который внес существенный вклад в теорию токового слоя. В условиях космической плазмы или атмосферы Солнца токовый слой может быть образован только

из естественной конфигурации магнитного поля под влиянием возмущений, возникших на расстояниях, значительно превышающих размеры окрестности слоя, Не всякая искусственно введенная квазистационар-ная конфигурация магнитного поля, соответствующая токовому слою, может быть реализована. При расположении магнитных потоков под углом друг к другу возмущения магнитного поля и движение плазмы могут создать особую линию, на которой электрическое поле параллельно магнитному [15-18] (проекция особой линии на перпендикулярную к ней плоскость называется особой точкой [19,20] ).В окрестности такой линии нарушается условие вмороженности и в дальнейшем из неё образуется токовый слой. Противоположно направленные магнитные потоки, появляющиеся при соответствующем расположении пятен на фотосфере Солнца (рис,I ) могут создать нулевую линию, которая при наличии электрического поля, вызванного возмущением станет особой [10,21}. В случае, когда пятна не лежат на одной прямой появляется продольная компонента магнитного поля. Простейшей особой точкой является нулевая точка магнитного поля гиперболического типа. В её окрестности магнитное поле Н = о )э Где _ градиент магнитного поля, (см.рис.2 ); несколько более общий случай
получается положением продольного магнитного поля Н = •
Магнитное поле в окрестности реальной особой точки деформировано по сравнению с такой идеальной конфигурацией, которая выбиралась в качестве начальной для изложенных в настоящей работе исследований. Однако это упрощение не изменяет основных свойств, присущих особой силовой линии солнечной атмосферы.
1.2. Токовый слой в природе и эксперименте.
В условиях активной области Солнца особые линии, приводящие к возникновению токовых слоёв и вспышек могут появляться вследствие

Таблица 2.
Полутолщина "а", полуширина их отношение 4 /а, значения
плотности тока у , плотности плазмы $ и температуры Т в центре слоя (при Х=0; У=0) в безразмерных единицах в момент {, =3 в зависимости от чисел Ь , $ и ТГ .
1* 4 7Г а. 4 €к Т
30 30 ю2 1~ 0,009 0,43 48 56,6 10,11 4,70
30 30 ю5 0,0086 0,45 52 60,7 5,40 9,51
30 10 ю2 сг 0,016 0,43 27 31,8 5,28 3,08
30 10 ю5 0,013 0,43 33 35,9 2,94 5,76
30 3 ю2 0,03 0,42 14 17,0 2,67 1,89
30 3 ю6 0,025 0,42 17 18,8 1,71 3,00
10 30 ю2 0,014 0,43 31 34,6 8,26 5,40
10 30 10° 0,012 0,43 36 38,7 4,20 11,80
10 10 ю2 0,024 0,41 17 18,9 4,26 3,55
10 10 ю5 0,022 0,43 20 22,9 2,36 6,83
3 30 ю2 0,025 0,41 16 18,8 6,56 6,11
3 30 ю5 |Л 0,022 0,43 20 22,0 3,16 14,53
3 3 ю2 0,076 0,4 5 5,48 1,76 2,44
3 3 ю5 0,058 0,4 7 7,46 1,13 4,06