Mágneses újracsatlakozás, gyorsulás és részecskeszállítás - LESIA - Párizsi Obszervatórium
2013. január 24, csütörtök, Etienne Pariat, Filippo Pantellini, Karl-Ludwig Klein
Az anyag mozgása a plazmában néha olyan hirtelen mágneses mező nyírások kialakulásához vezet, hogy a plazma már nem képes ellenállni a hozzá kapcsolódó intenzív elektromos áramoknak. A mágneses újracsatlakozás a mágneses mező szerkezetének spontán és gyors újrakonfigurálása a nyírási zónák közelében, amely lehetővé teszi a nyírás mértékének és a kapcsolódó áramok intenzitásának elfogadható szintre történő csökkentését. Az újracsatlakozás során felszabaduló energia hővé és kinetikus energiává alakul át, amely részecskék csoportjait nagy energiákká gyorsítják fel. A mágneses újrakapcsolódást közvetlenül vagy közvetetten figyelték meg sok asztrofizikai plazmában, különösen a napkoronában és a bolygók magnetoszféráiban.
- Magnetohidrodinamika (MHD): elméleti keret az újracsatlakozás megértéséhez
- 1. o
- Újracsatlakozás: az ideális MHD megsértése
- 1. o
- Újracsatlakozás és a mágneses Reynolds-szám
- 1. o
- Újracsatlakozás a napkoronában
- 1. o
- Megfigyelési korlátok: Az MHD nem elég
- 1. o
- Újracsatlakozás és energetikai részecskék
- 2. o
- A LESIA-nál
- 2. o
- További információ
- 2. o
Magnetohidrodinamika (MHD): elméleti keret az újracsatlakozás megértéséhez
A Nap, a Nap atmoszférája és a bolygóközi közeg szinte végtelen elektromos vezetőképességű plazma. A vezetőképes folyadék viselkedését leíró elmélet, a magnetohidrodinamika (MHD) azt jósolja, hogy a mágneses mező topológiája egy ilyen plazmában idővel nem változhat. Még jobb, ha az MHD azt jósolja, hogy a mágneses mező befagyott a plazmában. Lényegében a plazma mozgásai torzíthatják a mágneses mező vonalait, de nem tudják megtörni őket. Ez az ideális MHD-nek nevezett határ.
Példa az ideális mozgásra a Nap légkörében, amely újracsatlakozáshoz vezethet
Az 1. ábrán a mágneses mező két vonala látható, amelyek a Nap belsejéből kilépnek és a koronába nyúlnak. Mivel minden mágneses mezőnek szükségszerűen be kell záródnia önmagában, a két vonalnak szükségszerűen vissza kell merülnie a Napba, hogy lezárja a megfelelő hurkot. Mivel a korona nagyon dinamikus közeg, elképzelhető, hogy a két mágneses hurok közelében lévő plazma az 1. ábrán látható piros nyilak szerint mozog. A korona félelmetesen hatékony vezető, feltételezhetjük, hogy az MHD ideális, és a mágneses mező vonalai befagynak a plazmában. Anélkül, hogy bonyolult számításokat kellene elvégeznünk, tudjuk, hogy a mágneses mező vonalaknak követniük kell a plazma mozgását.
Ideális MHD esetén a mágneses mező befagyott a plazmákban. Így a plazmában bekövetkező bármilyen mozgást a mágneses mező vonalak deformációja kíséri.
Újracsatlakozás: az ideális MHD megsértése ?
A plazma mozgásai néha oda vezetnek, hogy bizonyos régiókban a plazma vezetőképessége nem elegendő ahhoz, hogy ellenálljon a mágneses mező felépítésével összefüggő áramlásnak, amint azt Ampere törvénye előírja. Amikor ez megtörténik, a mágneses mező topológiájának helyi átkonfigurálása (vagy újrakapcsolódása) lehetséges, sőt elkerülhetetlen. Így folytatva az 1. ábrán látható csipkedési mozgást, növekvő intenzitású áramlap (a 2. ábrán kék színnel) képződik abban a pontban, ahol az ellentétes irányú mágneses mező vonalai koncentrálódnak. Amikor ezeknek az áramoknak az intenzitása meghaladja a kritikus küszöböt, a mágneses mező topológiai átkonfigurációja történik (jobb kép a 2. ábrán).
Ábra. 2: Mágneses újracsatlakozás
Amikor a plazma mozgása (piros nyilak) nagyon eltérő tájolású mágneses mező vonalakhoz közelít, akkor egy intenzív áramú terület képződik (a képen kék). Amikor az áramerősség meghaladja a kritikus küszöbértéket, újracsatlakozás történik. A mágneses tér topológiája ezután konfigurációvá változik, intenzív áramú területek nélkül
A tömörítési szakaszban (1. ábra) az energia a mágneses mezőben tárolódik, hasonlóan ahhoz, mint amikor egy íjat meghajlítunk a nyilak kilövésére. Az újracsatlakozás után (2. ábra) a mágneses mezőben felhalmozódott energia egy része hirtelen felszabadul hő formájában (az áramok és sokkok eloszlása révén). Az energia egy része nagy léptékű kinetikus energia formájában is visszaküldik, mivel a mágneses mezőbe rekedt plazma kénytelen követni a mágneses mező vonalak újrakonfiguráló mozgását. A 2. ábra jobb oldali képén az újracsatlakozás után egy összekapcsolatlan mágneses mező hurok képződik a Nap belsejében. A Nap horgonyzásától megszabadult hurok ezután szabadon repülhet el a bolygóközi közegben, tipikus, néhány ezer km/s nagyságrendű sebességgel. A visszakapcsolódást ezért gyakran használják a nagyon látványos koronatömeg-kitörések és kilökések kiváltó mechanizmusaként.