ПЕРЕСОЕДИНЕНИЕ

ПЕРЕСОЕДИНЕНИЕ

магнитных полейв плазме - физ. процесс, связанный с высвобождением запасов магн. энергии, <накапливаемой в разл. плазменных конфигурациях, и её преобразованием вкинетич. и тепловую энергию плазмы. Часть энергии, выделяемой при П., можетпередаваться небольшой группе частиц, ускоряемых при этом до очень высоких(иногда ультрарелятивистских) энергий. При П. обязательно изменяется тонологиямагн. поля - возникают новые магн. структуры: петли магн. линий, магн. <острова, нейтральные точки и нейтральные линии магн. поля, течения плазмы. <Процесс П. играет важную роль во мн. физ. явлениях, происходящих в космич. <и термоядерной плазмах.
Перестройка топологии магн. поля, происходящаяпри П., связана с нарушением вмороженности магн. силовых линий в плазму. <Условие вмороженности магн. поля в плазму записывается как равенство нулюэлектрич. поля, индуцируемого движением со скоростью v идеальнопроводящей среды:

(см. Вмороженностъ магнитного поля).

В рамках магн. гидродинамики с использованиемзакона Ома, связывающего величину тока j с величиной электрич. поля Е, в движущейся системе координат

нарушение вмороженности означает наличиев (1) справа не равных нулю членов. Если не равен нулю первый член вследствиеконечной (а не бесконечной) проводимости а плазмы, возникает т. н. резистивныймеханизм П. Второй, инерционный, механизм П. обусловлен конечностью массы m _е носителей тока - электронов. Анализ процесса П. спомощью кинетич. теории позволяет добавить к этим двум механизмам третий, <связанный с бесстолкновит. резонансным процессом - Ландау затуханием. Возможныи модификации этих трёх механизмов, напр. аномальное сопротивление, возникающеепри рассеянии электронов на разл. микронеустой-чивостях, к-рые могут возбуждатьсяв плазме.
При МГД-подходе на основе указанных вышемеханизмов явление П. можно рассматривать или как вынужденный, или какспонтанный процесс.
В моделях вынужденного П. (модель Паркера- Свита, модель Петчека) изучаются течения плазмы под действием приложенногок ней внеш. электрич. поля E₀. Магн. поля В₀ на границах системы, показанной на рис. 1, прибл. антипараллельны, поэтомув ней существует особая линия, наз. нейтральной (или нулевой), перпендикулярнаяплоскости рис. 1, на к-рой магн. поле обращается в нуль или имеет компонентутолько вдоль указанной линии. Под действием электрич. поля плазма вместес силовыми линиями магн. поля дрейфует со скоростью и (см. Дрейфзаряженных частиц )к нейтральной линии, где происходят разрыв магн. <силовых линий и соединение их уже в новой комбинации.

Рис. 1. Модель вынужденного пересоедниения, <предложенная X. Петчеком. Пересоединение силовых линий осуществляется вмалой диффузионной области 1.

Перестройка поля должна уменьшить общуюдлину силовых линий, а значит, и энергию поля, уменьшается и плотностьтока в нейтральной линии. Пересоединившиеся силовые линии выносятся изобласти П. (цифра 1 на рис. 1) вместе с плазмой, ускоряемой до скоростейпорядка альвеновской ( п - плотность плазмы).
Скорость П. силовых линий характеризуетсябезразмерной величиной (числом Маха):

Исследование МГД-моделей показало, чтотемп П. слабо зависит от конкретных механизмов П., а определяется гл. обр. <граничными условиями, т. е. способом организации течения плазмы к областиП. По модели Паркера - Свита процесс диссипации магн. поля осуществляетсялишь в малой диффузионной области 1 (рис. 1) в окрестности нейтральнойлинии, где аннигилирует лишь небольшое кол-во магн. энергии; темп П. вэтом случае где -магн. Рейнолъдса число, L - характерный размер слоя. Для солнечнойплазмы магн. число Рейнольдса очень велико, и поэтому скорость сближениямагн. силовых линий составляет малую часть альвеновской скорости. В моделиПетчека кроме диффузионной области имеется ещё и волновая: четыре стоячиеударные волны (медленно движущиеся относительно плазмы), в к-рых осуществляетсяосн. перестройка магн. поля. Пересекая ударные волны, плазма отворачиваетвправо или влево от области П., и магн. силовые линии перезамыкаются вновые конфигурации. Это позволяет повысить темп П. до величины М~1/lnRe_m. Подобные модели [1] могут использоватьсяи в бесстолкновит. плазме, если толщина слоя настолько мала, что возможныразвитие токовых неустойчпвостей и возникновение аномального сопротивления.
Вынужденное П. рассматривалось также X.Альвеном в модели движения отд. частиц. Пренебрегая тепловыми скоростямиэлектронов и ионов, в этой модели можно найти самосогласов. связь электрич. <и магн. нолей и получить для темпа П. величину где d - поперечный размер системы,- ионная плазменная частота.
В модели разрыва нейтрального слоя, предложеннойС. И. Сыроватским [2], процесс П. рассматривается как динамический и существеннонестационарный. Исходная конфигурация магн. полей имеет прибл. такой жевид, как на рис. 1, но величина электрич. поля полагается настолько большой, <что вместо квазистационарного течения плазмы в системе реализуется течениекумулятивного типа. Поток вмороженного в плазму магн. поля, поступающийк нейтральной линии, не успевает пересоединиться и "расплющивает" её вширокий токовый слой, вблизи к-рого плотность частиц прогрессирующе убывает, <что приводит к разрыву слоя. При быстрых перестройках (разрывах) магн. <поля возникают сильные импульсные индукц. электрнч. поля _: к-рыемогут ускорять заряж. частицы до больших скоростей (см. Разрывымагнитогидродинамические). Динамич. модели вынужденного П. используютсяпри исследовании вспышек на Солнце. Подобные явления наблюдались и прилаб. моделировании процесса П. При рассмотрении П. как спонтанного (самопроизвольновозникающего) процесса простейшая модель нейтрального слоя (рис. 2,а) представляетсобой плазменную конфигурацию с антипараллельными магн. полями, в центрек-рой существует плоскость, где магн. поле обращается в нуль. В более общемслучае в системе возможно и магн. поле, перпендикулярное плоскости рисунка.

Рис. 2. Нейтральный слой в плазме: а- конфигурация неустойчива ил-за притяжения друг к другу параллельных токов, <текущих поперёк магнитного поля (кружки); б - спонтанное пересоединениемагнитных полей (образование магнитных островов).

Важно, чтобы имелась компонента магн. поля, <меняющая свой знак (на рис. 2 по оси z). Неоднородное магн. поле, <показанное на рис. 2, создаётся поперечными токами, локализованными в окрестностинейтрального слоя. Как всякие параллельные токи, эти токи притягиваютсядруг к другу и стремятся "слипнуться" в токовые волокна (линчевание тока).Для того чтобы тенденция токов к линчеванию реализовалась, необходимо, <чтобы в рассматриваемой системе имелся хотя бы один из тех механизмов нарушениявмороженности, о к-рых говорилось выше. Линчевание ведёт к перестройкемагн. поля - перезамыканию магн. силовых линий и образованию магн. островков(рис. 2, б). Спонтанный процесс П. (т. е. разрыва силовых линий существующегомагн. поля) обычно наз. разрывной (или тиринг-) неустойчивостью (РН). Взависимости от того, какой физ. механизм ответствен за разрыв магн. поля, <рассматривают резистнвные, инерционные и резонансные моды РН. Для процессовв высокотемпературной космич. плазме характерна резонансная мода РН, связаннаяс бесстолкновит. передачей энергии резонансным частицам ( Ландау затухание). Втермоядерных установках проявляются т. н. полустолкновит. кинетич. режимыРН, для к-рых уже неприменимо простое МГД-описание. Конкретным механизмомП. определяется характерное время процесса, но качественно во всех случаяхэволюция системы осуществляется аналогичным образом, показанным на рис.2. Спонтанное П. также удаётся наблюдать в лаб. экспериментах. Для анализаустойчивости реальных плазменных конфигураций необходимо учесть влияниевсегда имеющейся нормальной компоненты магн. поля. Даже очень малая величинаэтой компоненты меняет свойства системы (особенно в бесстолкновит. случае)кардинальным образом [3]: РН стабилизируется, и конфигурация приобретаетметастабильные свойства.
Магн. конфигурация с обращённым полемпри наличии нормальной компоненты (рис. 3) способна накопить значит. кол-вомагн. энергии без её немедленного высвобождения. Срыв процесса накопленияпри достижении системой порогового значения ведёт к бурному взрывному выделениюзапасённой энергии. Эта способность процессов П., по-видимому, проявляетсяв солнечных вспышках [4] и магнитосферных суббурях.

Рис. 3. Метастабильная магнитная конфигурацияс обращённым магнитным полем при наличии нормальной компоненты.

П. является одним из осн. физ. процессов, <контролирующих структуру и динамику магнитосферы. Согласно модели Данжи[5], межпланетное и геомагн. поля впервые пересоединяются в лобовой областина границе магнитосферы (рис. 4), где П. носит импульсивный нестационарныйхарактер. Пересоединившиеся магн. волокна диам. ~ 1 - 2 радиуса Земли (рис.5) вместе с потоком обтекающей магнитосферу солнечной плазмы уносятся наночную сторону в магнитосферный хвост, где и пересоединяются в обратнойпоследовательности [6]. Топологич. связь межпланетного поля с магн. полемЗемли и наличие конвективных движений плазмы в магнитосфере, связанныхс П., доказаны многолетними наземными и спутниковыми наблюдениями.

Рис. 4. Модель перссоединения магнитныхсиловых линий. X_D, X_N - дневная (лобовая)и ночная (в хвосте магнитосферы) нейтральные области. Светлыми стрелкамипоказано направление обтекания солнечным ветром магнитосферы.

Процесс П. важен и в физике Солнца. Нагревверх.

Рис. 5. Образование трубок магнитных силовыхлиний при спонтанном пересоединении на границе магнитосферы Земли.

Рис. 6. Модель пересоединения всплывающегомагнитного потока с лежащим выше полем для небольшой солнечной вспышки.q - потоки тепла. Тёмные стрелки - потоки плазмы. Заштрихована зонааннигиляции магнитных полей.

Хромосферы и короны Солнца всё чаще связываютс диссипацией магн. полей (т. е. с одной из форм П.). П. магн. силовыхлиний используется в самых разнообразных моделях солнечных вспышек. Поодной из таких моделей небольшой петельной вспышки всплывающий поток (рис.6) пересоединяется с лежащим выше полем. Выделяющееся тепло и ускоряемыечастицы направляются вниз в ниж. часть хромосферы, где вызывают -вспышку[7] (см. Вспышка на Солнце).

Лит.:1) Vasу1inas V. M., Theoreticalmodels of magnetic field line merging, "Revs Geophys. and Space Phys.",1975, v. 13, № 1, p. 303; 2) Нейтральные токовые слои в плазме, "Тр. ФИАН",1974, т. 74; 3) Галеев А. А., 3елёный Л. М., Метастабильные состояния диффузногонейтрального слоя и взрывная фаза суббури, "Письма в ЖЭТФ", 1975, т. 22,№ 7, с. 360; 4) Сомов Б. В., Проблемы физики солнечных вспышек, М., 1982,с. 5 - 52; 5) Акасофу С. И., Чепмен С., Солнечно-земная физика, пер. сангл., ч. 2, М., 1975, с. 50; 6) 3елёный Л. М., Динамика плазмы и магнитныхполей в хвосте магнитосферы Земли, в кн.: Итоги науки и техники. Сер. Исследованиякосмического пространства, т. 24, М., 1986; 7) Прист Э. Р., Солнечная магнитогидродинамика, <пер. с англ., М., 1985.

Л. М. Зелёный.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.