Введение к работе
Актуальность темы.
Термин "перезамыкание магнитных; силовых линий" обозначает широкий крут задач принципиального значения ли описания космической плазмы. Процессы перезамыкания или перееоеданения сопровождаются быстрым выделением магнитной энергии с ее трансформацией в энергию плазмы, быстрых заряженных частий и излучения. Это определяет важность изучения процессов перезамыкания для многочисленных приложений: в частности, они используются для описания вспышек на Солнце и суббурь в магнитосфере Земли.
Магнитное пересоединение возникает в областях, которые характеризуются значительными плотностями электрического тока. Наряду с фронтами ударных волн такими областями являются токовые слои, которые разделяют магнитные поля противоположных направлений и которые естественным образом могут возникать при неоднородных течениях высокопроводящей замагниченной плазмы. По своей природе они являются довольно неустойчивыми и спорадическими образованиями, и выделяемая в них энергия вполне может нагревать плазму и приводить к генерации быстрых частиц. Кроме того, токовые слои могут возникать на поверхности силовой трубки, такой, например, как солнечное пятно, и на периферии шлемовидных корональних лучей на границе между замкнутой и открытой конфигурациями поля.
Изучение токовых слоев представляет большой теоретический интерес, поскольку они являются примером самоорганизующихся структур в сложной динамической системе с распределенными параметрами, помимо этого, исследование токовых слоев важно и для изучения процессов на Солкие.
Проблема магнитного перезамыкания тесно связана с проблемой структурной устойчивости векторных полей. Динамическая система структурно устойчива, если при всяком достаточно малом изменении векторного поля возмущенная система эквивалентна исходной. В процессе магнитного перезамыкания, вызываемого действием внешних и внутренних возмушений, топология магнитного поля изменяется. Естественно ожидать, что структурно неустойчивая конфигурация магнитного поля перейдет в структурно устойчивую.
В литературе большое внимание уделяется рассмотрению магнитных полей с критическими точками низшего порядка, однако, наибольший интерес представляют поля с особыми точками высокою порядка. Такие точки являются вырожденными, и в силу этого соответствующие магнитные конфигурации являются структурно неустойчивыми.
Подробный анализ двумерной задачи и представленные результаты нелинейного взаимодействия альфвеювских и магнитозвуковых мод в окрестности критических линий магнитного поля позволяют понять процесс трехмерного магнитного перезамыкания. В частности, сепаратриса, соединяющая две нулевые линии, является двумерным аналогом предельной магнитной силовой линии (сепаратора) в модели Свита1 магнитной конфигурации активной области на Солнце. Очевидно, что магнитная конфигурация с сепаратором, соединяющим две нулевые точки, структурно неустойчива. Поэтому явление глобального перераспределеїшя электрического тока может представлять интерес для теории солнечных вспышек.
Цель диссертации.
-
Построение магнитогиародшшмической модели формирования и эволюции токовых слоев в окрестности нулевых точек и линяй магнитного поля.
-
Разработка численного метода для решения трехмерной системы МГЛ уравнений. Создание трехмерного численного кода для исследования процессов формирования и эволюции токовых слоев в плазме.
-
Численное моделирование процесса образования токовых слоев в трехмерных магнитных конфигурациях в окрестности нулевой точки. Исследование процесса трансформации структурно неустойчивых двумерных магнитных конфигураций в структурно устойчивые.
Научная новизна и приктическая ценность.
. 1. Разработана магнитогидродинамическая модель формирования и эволюции сложных самоорганизующихся нелинейных образований - токовых слоев - в
5 P. A. Sweet. Ann. Rev. Astron. Astrophjs. 7, 149 (1969).
окрестности нулевых линий магнитного ПОЛЯ.
-
Предложен полунеявный численный метод, позволяющий рассчитывать токовые слои в плазме.
-
Создан трехмерный численный код CODE3D для моделирования процесса формирования токовых слоев в трехмерных магнитных конфигурациях.
-
Исследованы токовые слои, получаемые в результате магнитного перезамыкания силовых линий в структурно неустойчивых и структурно устойчивых двумерных магнитных конфигурациях. Впервые найдены режимы перехода структурно неустойчивых двумерных магнитных конфигураций в структурно устойчивые. Исследованы эффекты нелинейного взаимодействия магнитозвуковых и альфвеновских волн в структурно неустойчивой магнитной конфигурации.
-
Проведено моделирование процесса формирования трехмерных токовых слоев в магнитных конфигурациях. Впервые определены условия квазистационарной эволюции трехмерного токового слоя в условиях вынужденного перезамыкания магнитных силовых линий. Найдены времена установления квазнстационарно-го режима. Определены характерные размеры токовых слоев для различных магнитных конфигураций.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались:
на международной конференции "9а International Toki Conference on Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion - New Fronties in Plasma Physics " (Japan, Toki, 1998);
на научной конференции отдела физики плазмы Института общей физики РАН;
на семинаре кафедры автоматизации научных исследований факультета ВМиК МГУ под руководством член-корреспондента РАН Л- П. Костомарова.
Публикации.
Список публикаций по теме диссертации включает 8 печатных работ.
Структура диссертации.
Диссертация изложена на 125 страницах, состоит из введения, трех глав, заключения, приложения с 56 иллюстрациями и подписями к ним и списка литературы, включающего 109 названий.
