пересоединение

ПЕРЕСОЕДИНЕНИЕ магнитных полей в плазме - физ. процесс, связанный с высвобождением запасов магн. энергии, накапливаемой в разл. плазменных конфигурациях, и её преобразованием в кинетич. и тепловую энергию плазмы. Часть энергии, выделяемой при П., может передаваться небольшой группе частиц, ускоряемых при этом до очень высоких (иногда ультрарелятивистских) энергий. При П. обязательно изменяется тонология магн. 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, происходящая при П., связана с нарушением вмороженности магн. силовых линий в плазму. Условие вмороженности магн. поля в плазму записывается как равенство нулю электрич. поля, индуцируемого движением со скоростью v идеально проводящей среды:

(см. Вмороженностъ магнитного поля).

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

нарушение вмороженности означает наличие в (1) справа не равных нулю членов. Если не равен нулю первый член вследствие конечной (а не бесконечной) проводимости а плазмы, возникает т. н. резистивный механизм П. Второй, инерционный, механизм П. обусловлен конечностью массы m_е носителей тока - электронов. Анализ процесса П. с помощью кинетич. теории позволяет добавить к этим двум механизмам третий, связанный с бесстолкновит. резонансным процессом - Ландау затуханием .Возможны и модификации этих трёх механизмов, напр. аномальное сопротивление, возникающее при рассеянии электронов на разл. микронеустой-чивостях, к-рые могут возбуждаться в плазме.
При МГД-подходе на основе указанных выше механизмов явление П. можно рассматривать или как вынужденный, или как спонтанный процесс.
В моделях вынужденного П. (модель Паркера - Свита, модель Петчека) изучаются течения плазмы под действием приложенного к ней внеш. электрич. поля E₀. Магн. поля В₀ на границах системы, показанной на рис. 1, прибл. антипараллельны, поэтому в ней существует особая линия, наз. нейтральной (или нулевой), перпендикулярная плоскости рис. 1, на к-рой магн. поле обращается в нуль или имеет компоненту только вдоль указанной линии. Под действием электрич. поля плазма вместе с силовыми линиями магн. поля дрейфует со скоростью и (см. Дрейф заряженных 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 в малой диффузионной области 1.

Перестройка поля должна уменьшить общую длину силовых линий, а значит, и энергию поля, уменьшается и плотность тока в нейтральной линии. Пересоединившиеся силовые линии выносятся из области П. (цифра 1 на рис. 1) вместе с плазмой, ускоряемой до скоростей порядка альвеновской(п - плотность плазмы).
Скорость П. силовых линий характеризуется безразмерной величиной (числом Маха):

Исследование МГД-моделей показало, что темп П. слабо зависит от конкретных механизмов П., а определяется гл. обр. граничными условиями, т. е. способом организации течения плазмы к области П. По модели Паркера - Свита процесс диссипации магн. поля осуществляется лишь в малой диффузионной области 1 (рис. 1) в окрестности нейтральной линии, где аннигилирует лишь небольшое кол-во магн. энергии; темп П. в этом случае где - магн. Рейнолъдса число, L - характерный размер слоя. Для солнечной плазмы магн. число Рейнольдса очень велико, и поэтому скорость сближения магн. силовых линий составляет малую часть альвеновской скорости. В модели Петчека кроме диффузионной области имеется ещё и волновая: четыре стоячие ударные волны (медленно движущиеся относительно плазмы), в к-рых осуществляется осн. перестройка магн. поля. Пересекая ударные волны, плазма отворачивает вправо или влево от области П., и магн. силовые линии перезамыкаются в новые конфигурации. Это позволяет повысить темп П. до величины М ~ 1/lnRe_m. Подобные модели [1] могут использоваться и в бесстолкновит. плазме, если толщина слоя настолько мала, что возможны развитие токовых неустойчпвостей и возникновение аномального сопротивления.
Вынужденное П. рассматривалось также X. Альвеном в модели движения отд. частиц. Пренебрегая тепловыми скоростями электронов 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, предложенной С. И. Сыроватским [2], процесс П. рассматривается как динамический и существенно нестационарный. Исходная конфигурация магн. полей имеет прибл. такой же вид, как на рис. 1, но величина электрич. поля полагается настолько большой, что вместо квазистационарного течения плазмы в системе реализуется течение кумулятивного типа. Поток вмороженного в плазму магн. поля, поступающий к нейтральной линии, не успевает пересоединиться и "расплющивает" её в широкий 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-рые могут ускорять заряж. частицы до больших скоростей (см. Разрывы магнитогидродинамические). Динамич. модели вынужденного П. используются при исследовании вспышек на Солнце. Подобные явления наблюдались и при лаб. моделировании процесса П. При рассмотрении П. как спонтанного (самопроизвольно возникающего) процесса простейшая модель нейтрального слоя (рис. 2,а) представляет собой плазменную конфигурацию с антипараллельными магн. полями, в центре к-рой существует плоскость, где магн. поле обращается в нуль. В более общем случае 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 пересоединение магнитных 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 окрестности нейтрального слоя. Как всякие параллельные токи, эти токи притягиваются друг 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 нарушения вмороженности, о к-рых говорилось выше. Линчевание ведёт к перестройке магн. поля - перезамыканию магн. силовых линий и образованию магн. островков (рис. 2,б). Спонтанный процесс П. (т. е. разрыва силовых линий существующего магн. поля) обычно наз. разрывной (или тиринг-) неустойчивостью (РН). В зависимости от того, какой физ. механизм ответствен за разрыв магн. поля, рассматривают резистнвные, инерционные и резонансные моды РН. Для процессов в высокотемпературной космич. плазме характерна резонансная мода РН, связанная с бесстолкновит. передачей энергии резонансным частицам (Ландау затухание ).В термоядерных установках проявляются т. н. полустолкновит. кинетич. режимы РН, для к-рых уже неприменимо простое МГД-описание. Конкретным механизмом П. определяется характерное время процесса, но качественно во всех случаях эволюция системы осуществляется аналогичным образом, показанным на рис. 2. Спонтанное П. также удаётся наблюдать в лаб. экспериментах. Для анализа устойчивости реальных плазменных конфигураций необходимо учесть влияние всегда имеющейся нормальной компоненты магн. поля. Даже очень малая величина этой компоненты меняет свойства системы (особенно в бесстолкновит. случае) кардинальным образом [3]: РН стабилизируется, и конфигурация приобретает метастабильные свойства.
Магн. конфигурация с обращённым полем при наличии нормальной компоненты (рис. 3) способна накопить значит. кол-во магн. энергии без её немедленного высвобождения. Срыв процесса накопления при достижении системой порогового значения ведёт к бурному взрывному выделению запасённой энергии. Эта способность процессов П., по-видимому, проявляется в солнечных вспышках [4] и магнитосферных суббурях .

Рис. 3. Метастабильная магнитная конфигурация с 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 области на границе магнитосферы (рис. 4), где П. носит импульсивный нестационарный характер. Пересоединившиеся магн. волокна диам. ~ 1 - 2 радиуса Земли (рис. 5) вместе с потоком обтекающей магнитосферу солнечной плазмы уносятся на ночную сторону в магнитосферный хвост, где и пересоединяются в обратной последовательности [6]. Топологич. связь межпланетного поля с магн. полем Земли и наличие конвективных движений плазмы в магнитосфере, связанных с П., доказаны многолетними наземными и спутниковыми наблюдениями.

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

Процесс П. важен и в физике Солнца. Нагрев верх.

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

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

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

Лит.: 1) Vasу1inas V. M., Theoretical models 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 диффузного нейтрального 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. с англ., ч. 2, М., 1975, с. 50; 6) 3елёный Л. М., Динамика плазмы и магнитных полей в хвосте магнитосферы Земли, в кн.: Итоги науки и техники. Сер. Исследования космического пространства, т. 24, М., 1986; 7) Прист Э. Р., Солнечная магнитогидродинамика, пер. с англ., М., 1985.

Л. М. Зелёный.