Магнітне повторне підключення, прискорення та транспорт частинок - LESIA - Паризька обсерваторія

Четвер, 24 січня 2013 року, Етьєн Паріат, Філіппо Пантеліні, Карл-Людвіг Кляйн

Рухи речовини в плазмі іноді призводять до утворення настільки різких зсувів магнітного поля, що плазма вже не здатна протистояти інтенсивним електричним струмам, пов'язаним з нею. Магнітне повторне підключення - це спонтанна і швидка реконфігурація структури магнітного поля в околицях зсувних зон, що дозволяє знизити ступінь зсуву та інтенсивність пов'язаних струмів до прийнятних рівнів. Енергія, що виділяється при повторному підключенні, перетворюється на теплову та кінетичну енергію груп частинок, що прискорюються до високих енергій. Магнітне відновлення спостерігалося прямо чи опосередковано в багатьох астрофізичних плазмах, зокрема в сонячній короні та в планетарних магнітосферах.

Магнітогідродинаміка (МГД): теоретична основа для розуміння відновлення зв'язку
с.1
Повторне підключення: порушення ідеального МГД
с.1
Повторне з’єднання і магнітне число Рейнольдса
с.1
Повторне з’єднання в сонячній короні
с.1
Обмежувальні обмеження: МГД недостатньо
с.1
Повторне зв’язок та енергетичні частинки
с.2
У LESIA
с.2
Додаткова інформація
с.2

Магнітогідродинаміка (МГД): теоретична основа для розуміння відновлення зв'язку

Сонце, сонячна атмосфера та міжпланетне середовище - це плазма з майже нескінченною електропровідністю. Магнітогідродинаміка (МГД), теорія, яка описує поведінку провідної рідини, передбачає, що топологія магнітного поля в такій плазмі не може змінюватися з часом. А ще краще, тоді МГД прогнозує, що магнітне поле застигло в плазмі. По суті, рухи плазми можуть спотворювати лінії магнітного поля, але вони не можуть їх порушувати. Це межа, яка називається ідеальним МГД.

Приклад ідеального руху в атмосфері Сонця, який може призвести до повторного з'єднання

На малюнку 1 показані дві лінії магнітного поля, що виходять із внутрішньої частини Сонця і простягаються до корони. Будь-яка лінія магнітного поля повинна обов'язково закриватися на собі, дві лінії повинні обов'язково зануритися назад у Сонце, щоб закрити відповідну петлю. Корона, будучи дуже динамічним середовищем, можна уявити, що плазма в районі наших двох магнітних петель рухається відповідно до червоних стрілок на малюнку 1. Корона, будучи надзвичайно ефективним провідником, можна припустити, що МГД ідеально, і лінії магнітного поля замерзають у плазмі. Тому нам не потрібно проходити складних розрахунків, тому лінії магнітного поля повинні слідувати рухам плазми.

Рис. 1: Замерзання поля

В ідеальному МГД магнітне поле замерзає в плазмі. Таким чином, будь-який рух у плазмі супроводжується деформацією ліній магнітного поля.

Повторне підключення: порушення ідеального МГД ?

Рухи плазми іноді призводять до того, що в певних регіонах провідність плазми недостатня, щоб протистояти потоку струму, пов'язаному зі структурою магнітного поля, як того вимагає закон Ампера. Коли це трапляється, можлива, навіть неминуча, локальна реконфігурація топології магнітного поля (або повторне підключення). Таким чином, продовжуючи рух защемлення, показаний на малюнку 1, у точці, де зосереджені протилежно орієнтовані лінії магнітного поля, формується струмовий лист зростаючої інтенсивності (на малюнку 2 - синім кольором). Коли інтенсивність цих струмів перевищує критичний поріг, відбувається топологічна реконфігурація магнітного поля (праворуч на малюнку 2).

Рис. 2: Магнітне повторне підключення

Коли рухи плазми (червоні стрілки) наближаються до ліній магнітного поля дуже різної орієнтації, утворюється область інтенсивного струму (синя на зображенні). Коли сила струму перевищує критичний поріг, відбувається повторне підключення. Топологія магнітного поля потім змінюється до конфігурації без ділянок інтенсивного струму

Під час фази стиснення (рис. 1) енергія накопичується в магнітному полі так само, як при згинанні лука для стрільби стрілами. При повторному підключенні (рис. 2) частина енергії, накопиченої в магнітному полі, раптово виділяється у вигляді тепла (через розсіювання струмів та ударів). Частина енергії також повертається у вигляді великомасштабної кінетичної енергії, оскільки плазма, яка потрапила в магнітне поле, змушена слідувати за переконфігуруючим рухом ліній магнітного поля. На правому зображенні на малюнку 2 після повторного підключення утворюється не зв’язана петля магнітного поля всередині Сонця. Потім петля, звільнена від закріплення на Сонці, може вільно відлітати в міжпланетному середовищі із типовою швидкістю близько декількох тисяч км/с. Тому повторне з'єднання часто використовується як механізм спрацьовування дуже вражаючих корональних вивержень та викидів маси.

Сонячне виверження, яке спостерігається приладом EUVI на зонді (.) "/> Анімація 1: Сонячне спалах

Виверження сонця, яке спостерігається приладом EUVI на зонді STEREO.

Повторне з’єднання і магнітне число Рейнольдса

Взагалі, просторова структура магнітного поля в плазмі сприятлива для повторного з'єднання, коли поле змінює орієнтацію на дуже короткій відстані. Ця зміна орієнтації магнітного поля передбачає, згідно із законом Ампера, наявність тонкого струмового листа, як на прикладі малюнка 2. Відповідно до рівнянь MHD, критичним параметром, який визначає, чи може павутина повторно підключитися, є магнітне число Рейнольдса

де μ0 - магнітна проникність, σ провідність плазми, v характерна швидкість плазми в районі струмового шару, L товщина листа.

Поки число Рейнольдса дуже велике перед 1, ми знаходимося в ідеальних рамках MHD, і повторне підключення в принципі неможливе. Наприклад, характерний розмір магнітної петлі в сонячній короні становить близько 10 000 км. Враховуючи характерні швидкості 1 км/с і приймаючи електропровідність плазми в 1 млн. Кельвінів, ми отримуємо величезне число Рейнольдса, порядку Rm = 10 10. Таким чином, згідно з MHD, потрібно було б затиснути петлю до товщини L порядку мм (10 000 км/10 10), щоб досягти числа Рейнольдса порядку 1 і, таким чином, викликати повторне підключення. Насправді, у випадку з плазмою настільки рідко щільною, як у сонячної корони, МГД, яка є теорією рідини, заснованою на припущенні, що зіткнення між зарядами, що складають плазму, є частими, втрачає свою силу задовго до цього, число порядку одиниці (див. нижче).

Повторне з’єднання в сонячній короні

Тому необхідно вирізнити два різні режими у проблемі відновлення зв'язку. З одного боку, режим великомасштабних структур, таких, які ми бачимо, наприклад, у маківці у видимому світлі, рентгенівському знімку (наприклад, малюнок 7) або візуалізації EUV. Ці великі структури, що характеризуються рухами з дуже великим числом Рейнольдса, еволюціонують відповідно до ідеального MHD, який забороняє повторне підключення. Інший режим полягає в режимі тонких струмових плям, які можуть утворюватися, коли широкомасштабні рухи сприятливі, як у випадку з підручниками на малюнках 1 і 2. Ці плями, які вважаються глибиною в кілька десятків метрів, лише тоді повторного підключення, і які, отже, уникають опису МГД, не вирішуються нашими інструментами спостереження.

Тоді HDM дає можливість зрозуміти еволюцію великих конструкцій і накласти обмеження на формування поточних аркушів, де може відбутися повторне підключення. Таким чином, моделювання магнітного поля в короні, засноване на вимірах в підстилаючій фотосфері, підкреслює загальну структуру навколо областей повторного підключення, показуючи більш складні ситуації, ніж діаграма на малюнку 2.

Рис. 3: "Ковзне" повторне підключення в коронці

Формування струмових листів у тривимірній магнітній структурі: розраховані лінії поля (ліві фігури) та порівняння з активною областю, що спостерігається на рентгенівських променях (супутник Hinode; за Aulanier et al. 2007 Science 318, 1588).

Дослідники LESIA показали за допомогою чисельного моделювання, що повторне з'єднання відбувається в тонких шарах корони, які не обов'язково є простими областями, де магнітні поля є антипаралельними, як на блок-схемі рисунків 1 і 2. Коли ми вивчаємо магнітний зв'язок з фотосфери, ми бачимо, що ці області розташовані на межі розділу між магнітними петлями, які закріплені в різних областях фотосфери: наприклад, петлі, лінії полів яких зображені червоним та зеленим на малюнку вище. Вони не є статичними структурами. Модель дає змогу інтерпретувати швидке поширення руйнування вздовж вивержувальних сіток, яке спостерігається при жорстких рентгенівських променях, в H-лінії та в EUV. Перші спостереження з японським супутником HINODE перехресного ковзання петель, побачені на рентгенівських променях, безпосередньо підтвердили існування цього нового способу повторного підключення.

Обмежувальні обмеження: МГД недостатньо !

Якщо спостереження за короною показують структури та еволюції, які можна інтерпретувати шляхом повторного підключення, цілком очевидно, що детальні процеси на поточних аркушах недоступні для МГД. Основною причиною недостатності МГД є те, що плазма корони (і тим більше плазма сонячного вітру) є надзвичайно розбавленою плазмою, в якій зіткнення між частинками є дуже рідкісними, і вони можуть проїхати мільйони км між двома послідовними зіткненнями . За цих умов теорія рідини, така як МГД, в принципі не діє, оскільки вона базується на припущенні, що відстань між послідовними зіткненнями менша за резистивний масштаб, тобто менша від просторового масштабу, що відповідає числу Рейнольдса Rm = 1, який, як ми бачили, має порядок у мм в коронці. Насправді МГД часто дає хороший опис поведінки не зіткнулася плазми, коли вона обмежена великими масштабами, причому межа між великим і малим масштабом фіксується характерними довжинами плазми, які не відображаються у рівняннях. МГД, такі як радіус обертання іонів або товщина шкіри іонів.

Таким чином, у сонячній короні ці дві довжини мають близько декількох десятків метрів для протонів і приблизно в 43 рази коротші для електронів [1]. Вони досягають декількох десятків кілометрів за допомогою сонячного вітру на рівні земної орбіти. Оскільки МГД втрачає свою силу нижче цих шкал, ймовірно, що магнітне повторне підключення відбуватиметься на цих масштабах, а не в масштабі, що відповідає Rm = 1.

Нещодавно вимірювання в магнітосфері Землі, проведені за допомогою КЛАСТЕРУ, однозначно показали, що протяжність зони магнітного повторного з’єднання становить порядок товщини шкірних покривів іонів. Кластер також спостерігав дуже інтенсивне повторне з'єднання електричних полів у масштабі товщини шкірних покривів електронів, що розділяють відкриті та закриті лінії поля. Тому саме в цьому масштабі магнітна енергія перетворюється на кінетичну енергію електронів, що рухаються при досить значній енергії в кілька сотень еВ.