В последние дни всеобщее внимание привлекла серия мощных вспышек на Солнце и последовавшие за ней магнитные бури на Земле. За все эти события отвечает магнитное пересоединение плазмы — процесс перераспределения магнитных полей, приводящий к значительным выбросам энергии. В своей недавней работе американские физики смогли количественно промоделировать этот процесс и значительно расширить понимание этого процесса. Результаты исследования опубликованы в Physics of Plasmas.

Магнитное пересоединение плазмы — процесс перераспределения магнитных полей в плазме в результате взаимодействия двух плазменных фаз. Это приводит к преобразованию энергии магнитного поля в кинетическую энергию ускоренных частиц и последующим излучению, выбросам элементарных частиц и сильному повышению температуры. Магнитное пересоединение оказывает сильное влияния на многие процессы, которые происходят в плазме как в токамаках, так и на астрофизических объектах, в частности, при вспышках на Солнце, корональных выбросах массы и магнитных штормах в магнитном поле Земли. Для описания процессов, происходящих при магнитном пересоединении с ионами и элементарными частицами, обычно используются численные модели, основанные на двух различных подходах. В первом подходе описывается кинетика отдельных частиц — такой расчет является довольно затратным по времени и компьютерном ресурсам, поэтому приводит к достоверным данным, но с низкой скоростью получения. Второй подход использует различные магнитогидродинамические модели, которые рассматривают плазму как сплошную текучую среду. Такой подход позволяет быстрее получить точные данные, но из-за необходимости делать определенные допущения такие результаты вблизи критических точек могут не всегда быть правильными.

J. Ng et al./ Physics of Plasmas, 2017

В своей работе американские ученые смогли предложить такой вариант замыкания системы магнитогидродинамических уравнений, который позволяет получить достоверные результаты. Использованный метод замыкания ученые назвали нелокальным, в отличие от локального, который использовался в предыдущих подходах. Модель описывает двухжидкостную плазменную систему с линейным смешиванием жидкостей. С помощью предложенной численной модели был рассчитан полный тензор давления в процессе слияния двух жидкостей как для для ионов внутри плазмы, так и для электронов. В результате без использования свободных параметров удалось получить широкую область электронной диффузии, которая предсказывалась кинетическими моделями, но не могла быть получена с использованием магнитогидродинамических методов.

Поле плотности тока при пересоединении, расчитанное по кинетической модели (сверху), и жидкостным моделям с нелокальным (посередине) и локальным (снизу) замыканием. J. Ng et al./ Physics of Plasmas, 2017

Поле скорости ионной жидкости при пересоединении, расчитанное по кинетической модели (сверху), и жидкостным моделям с нелокальным (посередине) и локальным (снизу) замыканием. J. Ng et al./ Physics of Plasmas, 2017

Полученные результаты для полей плотности тока и скоростей электронов и ионов в плазме сравнили с данными кинетической модели и двух магнитогидродинамических моделей, которые использовались раньше. Оказалось, что, в отличие от модели Холла и модели с локальным замыканием, результаты новой модели позволяют воспроизвести данные кинетического расчета, при этом точность данных и скорость их получения значительно превосходят результаты кинетической модели.

Таким образом, ученые убедились, что использование моделей, основанных на приближении сплошной среды при правильном замыкании системы уравнений, описывающих процессы в плазме, позволяет быстро и точно получить количественные оценки для магнитного пересоединения плазмы. Вероятно, предложенный подход поможет точнее предсказывать последствия, например, вспышек на Солнце.

Автор: Александр Дубов