Төмен жиілікті плазма толқындары

Кіріспе

Төмен жиілікті плазма толқыны

Плазма физикасында Альфвен толқыны – Ханнес Альфвеннің есімімен аталған, магнит өрісінің сызықтарындағы серпімді күш арқылы туындайтын иондардың тербелісіне негізделген плазма толқынының бір түрі.

Анықтама

Альфвен толқыны – плазмадағы иондар мен магнит өрісінің төмен жиілікті (иондық гирожиілікке қарағанда) саяхаттайтын тербелісі. Иондардың массалық тығыздығы инерцияны қамтамасыз етеді, ал магнит өрісінің сызықтық кернеуі – қайтару күшін. Альфвен толқындары магнит өрісі бағытында тарайды, иондардың қозғалысы мен магнит өрісінің бұзылысы таралу бағытына перпендикуляр болады. Дегенмен, көлбеу бұрыштармен туындаған Альфвен толқындары таралу магнит өрісіне перпендикуляр болғанда магнит-дыбыстық толқындарына бірте-бірте өтеді. Альфвен толқындары дисперсиясыз.

Альфвен уақыты

Плазма физикасында Альфвен уақыты толқын құбылыстары үшін маңызды уақыт өлшемі болып табылады. Ол Альфвен жылдамдығымен былай байланысты:

мұнда жүйенің сипаттамалық масштабын білдіреді. Мысалы, токамақтағы тордың кіші радиусы болуы мүмкін.

Короналық қызу проблемасы

Альфвен толқындарын зерттеу гелиофизикада ұзақ жылдар бойы шешілмей келген мәселе – короналық қызу мәселесінен бастау алды. Сол себепті, күннің бетінің (фотосфера) температурасы бірнеше мың Кельвинге тең болса, оның коронасының температурасы неге жоғары (шамамен бір миллион Кельвинге) екені түсініксіз болды. Жылу көзінен алшақтаған сайын температураның төмендеуін күту логикалық, бірақ фотосфера тығыз болғанымен, коронаға қарағанда көбірек жылу өндіргеніне қарамастан, мұндай жағдай байқалмайды. 1942 жылы Ханнес Альфвен «Табиғат» журналында фотосферадан энергияны тасымалдайтын электромагниттік гидродинамикалық толқынның бар екенін ұсынды. Ол күннің осы толқындарды қолдауға қажетті барлық критерийлері бар екенін және олар күн дақтарының пайда болуына себеп болуы мүмкін екенін мәлімдеді. Ол былай деді: Егер өткізгіш сұйықтықты тұрақты магнит өрісіне орналастырса, сұйықтықтың кез келген қозғалысы Э.Қ.К. (электрмоторлық күш) тудырады, ол электр тогын жасайды. Магнит өрісінің әсерінен бұл токтар сұйықтың қозғалыс күйін өзгертетін механикалық күштерді жасайды. Осылайша, біріктірілген электромагниттік-гидродинамикалық толқын пайда болады. Бұл ақырында Альфвен толқындары болып шықты. Ол осы жаңалық үшін 1970 жылы физика саласындағы Нобель сыйлығын алды.

Эксперименттік зерттеулер мен байқаулар

Күннің конвекциялық аймағы, фотосфераның астындағы аймақ, онда энергия негізінен конвекция арқылы тасымалданады, Күннің айналуынан туындаған ядроның қозғалысына сезімтал. Жер бетіндегі қысым градиенттерімен бірге конвекциялық аймақта туындайтын электромагниттік флуктуациялар фотосфералық бетінде кездейсоқ қозғалыс тудырады және Альфвен толқындарын жасайды. Толқындар одан кейін беттен шығып, хромосфера мен өтпелі аймақ арқылы өтеді және иондалған плазмамен өзара әрекеттеседі. Толқынның өзі энергияны және электр зарядталған плазманың бір бөлігін алып жүреді. 1990 жылдардың басында де Понтьеу және Хаэрендел Альфвен толқындары плазмалық ағындар деп аталатын спикулалармен де байланысты болуы мүмкін деп болжады. Бұл қысқа мерзімді қызған газдың шығарылымдары олардың жоғары жылдамдығының энергиясы мен импульсімен, сондай-ақ Альфвен толқындарының тербелісті көлденең қозғалысымен бірге жүргізіледі деп теорияланды. 2007 жылы Томчик және авторлар Альфвен толқындарын алғаш рет коронаға қарай қозғалып бара жатқанын байқады, бірақ олардың болжамдары Альфвен толқындарымен тасымалданатын энергия коронаны оның зор температурасына дейін қыздыруға жеткілікті екенін көрсетпеді, себебі толқындардың байқалған амплитудасы жеткілікті жоғары емес еді. Дегенмен, 2011 жылы МакИнтош және авторлар миллион Кельвин температурасына дейін коронаны қыздыруды сақтауға қабілетті энергетикалық спикулалармен бірге жоғары энергетикалық Альфвен толқындарын байқағандығын хабарлады. Бұл байқалған амплитудалар (2007 жылғы 0,5 км/с-қа қарағанда 20,0 км/с) 2007 жылы байқалған амплитудаларға қарағанда жүз есе көп энергияны қамтыды. Толқындардың қысқа периоды атмосфераға көбірек энергияны беруге мүмкіндік берді. 50 000 км ұзындықтағы спикулалар да коронадан өтетін күн желiн үдетуде рөл атқара алады. Альфвен толқындары күн желiнде, әсіресе жылдам күн желi ағынында жиi байқалады. Жылдам күн желi мен Жердің магнитосферасы арасындағы өзара әрекеттесуде Альфвеник тербелiстерiнiң рөлi қазiргi уақытта талқыланып жатыр. Дегенмен, жоғарыда аталған Альфвен толқындары туралы жаңалықтар күрделi Күн атмосферасында, 2007 жылғы Хинод дәуiрiнен бастап келесi 10 жыл бойы, негiзiнен Альфвен толқындары саласына жатады. 2009 жылы Джесс және авторлар. 1958: Юджин Паркер жұлдызаралық ортада гидромагниттiк толқындар бар екенiн айтады. 1958: Бертольд, Харрис және Хоуп Аргус ядролық сынағынан кейiн ионосферада Альфвен толқындарын анықтады, жарылыстан туындаған және Альфвен формуласымен болжалган жылдамдықпен қозғалды. 1958: Юджин Паркер Күн коронасындағы гидромагниттiк толқындар Күн желiнiң құрамына енетiнiн айтады. 1959: Д. Ф. Джефкотт газды шығару кезінде Альфвен толқынын тудырады. 1959: К. Х. Келли және Ж. Йенсер қоршаған атмосферада Альфвен толқынын тудырады. 1960: Коулман және авторлар "Пионер" және "Эксплорер" спутниктерiндегi магнитометрмен Альфвен толқындарын өлшеу туралы хабарлайды. 1961: Сугиура Жердiң магниттiк өрiсiнде гидромагниттiк толқындар бар екенiне дәлелдер келтіреді. 1961: Джеймсон сұйық натрийде қалыпты Альфвен режимдерi мен резонанстарын зерттеді. 1966: Р. О. Мотц сынаптағы Альфвен толқынын тудырады және бақылайды. 1970: Ханнес Альфвен "плазма физикасының әртүрлi салаларында жемiстi қолданыспен магниттiк гидродинамикадағы негiзгi жұмыстары мен жаңалықтары үшін" 1970 жылғы физика бойынша Нобель сыйлығын жеңiп алды. 1973: Юджин Паркер галактикааралық ортада гидромагниттiк толқындар бар екенiн айтады. 1974: J. V. Hollweg планетааралық кеңiстiкте гидромагниттiк толқындардың бар екенiн айтады. 1977: Мендис және Ип Коутек кометасының комасында гидромагниттiк толқындардың бар екенiн айтады. 1984: Робертс және авторлар күн коронасында тұрған MHD толқындарының болуын болжады және короналық сейсмология саласын ашты. 1999: Aschwanden және авторлар және Nakariakov және авторлар күн короналық циклдерiнiң өте ультрафиолет (EUV) бейнелеу аппаратында байқалған, тiк қимыл (немесе "Alfvénic") циклдерiнiң тербелiсi ретiнде түсiндiрiлген, күннiң короналық циклдерiнiң тынышталған көлденең тербелiстерiн анықтау туралы хабарлайды. Бұл Робертс және авторлардың теориялық болжамын растайды. (1984) 2007: Томчик және авторлар Ұлттық Күн обсерваториясының Короналық көп арналы поляриметр (CoMP) аспабымен күн коронасының суреттерiнде Альфвеник толқындарын анықтағандығын хабарлады. Дегенмен, бұл бақылаулар короналық плазма құрылымдарының қисық толқындары болып шықты. doi:10.1051/0004-6361/200911840 2007: Хинод ғарыш обсерваториясына арналған арнайы шығарылым ғылым журналында жарияланды. Альфвен толқынының белгiлерi короналық атмосферада Сиртейн және авторлар, Окамото және авторлар, және Де Понтьеу және авторлар байқады. Байқалған толқындардың энергия тығыздығын бағалау арқылы Де Понтьеу және авторлар толқындармен байланысты энергия коронаны оның зор температурасына дейiн қыздыруға және күн желiн үдетуге жеткiлiктi екенiн көрсеттi. 2008: Кагашвили және авторлар күн коронасындағы Альфвен толқындарын анықтау үшiн басқарылатын толқын флуктуацияларын диагностикалық құрал ретiнде пайдаланады. 2009: Джесс және авторлар шведтiк Күн телескопын пайдалану арқылы құрылымдалған Күннiң хромосферасында бұрылысты Альфвен толқындарын анықтайды. 2011: Альфвен толқындары галлийден жасалған сұйық металл қорытпасында таралатыны көрсетiлдi. 2017: Сривастава және авторлар жүргiзген 3D сандық модельдеу шведтiк Күн телескопымен анықталған жоғары жиiлiктi (12–42 мГц) Альфвен толқындары Күннiң iшкi коронасын қыздыруға жеткiлiктi энергияны тасымалдай алатынын көрсеттi. 2018: Спектралды бейнелеу бақылауларын, күн дақтары атмосферасының LTE емес инверсияларын және магниттiк өрiс экстраполяцияларын пайдалана отырып, Грант және авторлар хромосфералық умбра атмосферасының сыртқы аймақтарында жылдам режимдегi шоктарды құрайтын эллиптикалық поляризацияланған Альфвен толқындарына дәлелдер табады. Алғаш рет бұл авторлар мұндай Альфвен толқын режимдерiн тарату арқылы туындаған физикалық жылу деңгейiн сандық бағалады.

The convection zone of the sun, the region beneath the photosphere in which energy is transported primarily by convection, is sensitive to the motion of the core due to the rotation of the sun. Together with varying pressure gradients beneath the surface, electromagnetic fluctuations produced in the convection zone induce random motion on the photospheric surface and produce Alfvén waves. The waves then leave the surface, travel through the chromosphere and transition zone, and interact with the ionized plasma. The wave itself carries energy and some of the electrically charged plasma. In the early 1990s, de Pontieu and Haerendel suggested that Alfvén waves may also be associated with the plasma jets known as spicules. It was theorized these brief spurts of superheated gas were carried by the combined energy and momentum of their own upward velocity, as well as the oscillating transverse motion of the Alfvén waves. In 2007, Alfvén waves were reportedly observed for the first time traveling towards the corona by Tomczyk et al., but their predictions could not conclude that the energy carried by the Alfvén waves was sufficient to heat the corona to its enormous temperatures, for the observed amplitudes of the waves were not high enough. However, in 2011, McIntosh et al. reported the observation of highly energetic Alfvén waves combined with energetic spicules which could sustain heating the corona to its million kelvin temperature. These observed amplitudes (20.0 km/s against 2007's observed 0.5 km/s) contained over one hundred times more energy than the ones observed in 2007. The short period of the waves also allowed more energy transfer into the coronal atmosphere. The 50,000 km long spicules may also play a part in accelerating the solar wind past the corona. Alfvén waves are routinely observed in solar wind, in particular in fast solar wind streams. The role of Alfvénic oscillations in the interaction between fast solar wind and the Earth's magnetosphere is currently under debate. However, the above mentioned discoveries of Alfvén waves in the complex Sun's atmosphere, starting from the Hinode era in 2007 for the next 10 years, mostly fall in the realm of Alfvénic waves essentially generated as a mixed mode due to transverse structuring of the magnetic and plasma properties in the localized flux tubes. In 2009, Jess et al. 1958: Eugene Parker suggests hydromagnetic waves in the interstellar medium. 1958: Berthold, Harris, and Hope detect Alfvén waves in the ionosphere after the Argus nuclear test, generated by the explosion, and traveling at speeds predicted by Alfvén formula. 1958: Eugene Parker suggests hydromagnetic waves in the Solar corona extending into the Solar wind. 1959: D. F. Jephcott produces Alfvén waves in a gas discharge. 1959: C. H. Kelley and J. Yenser produce Alfvén waves in the ambient atmosphere. 1960: Coleman et al. report the measurement of Alfvén waves by the magnetometer aboard the Pioneer and Explorer satellites. 1961: Sugiura suggests evidence of hydromagnetic waves in the Earth's magnetic field. 1961: Normal Alfvén modes and resonances in liquid sodium are studied by Jameson. 1966: R. O. Motz generates and observes Alfvén waves in mercury. 1970: Hannes Alfvén wins the 1970 Nobel Prize in physics for "fundamental work and discoveries in magneto hydrodynamics with fruitful applications in different parts of plasma physics". 1973: Eugene Parker suggests hydromagnetic waves in the intergalactic medium. 1974: J. V. Hollweg suggests the existence of hydromagnetic waves in interplanetary space. 1977: Mendis and Ip suggest the existence of hydromagnetic waves in the coma of Comet Kohoutek. 1984: Roberts et al. predict the presence of standing MHD waves in the solar corona and opens the field of coronal seismology. 1999: Aschwanden et al. and Nakariakov et al. report the detection of damped transverse oscillations of solar coronal loops observed with the extreme ultraviolet (EUV) imager on board the Transition Region And Coronal Explorer (TRACE), interpreted as standing kink (or "Alfvénic") oscillations of the loops. This confirms the theoretical prediction of Roberts et al. (1984). 2007: Tomczyk et al. reported the detection of Alfvénic waves in images of the solar corona with the Coronal Multi Channel Polarimeter (CoMP) instrument at the National Solar Observatory, New Mexico. However, these observations turned out to be kink waves of coronal plasma structures. doi:10.1051/0004 6361/200911840
2007: A special issue on the Hinode space observatory was released in the journal Science. Alfvén wave signatures in the coronal atmosphere were observed by Cirtain et al., Okamoto et al., and De Pontieu et al. By estimating the observed waves' energy density, De Pontieu et al. have shown that the energy associated with the waves is sufficient to heat the corona and accelerate the solar wind. 2008: Kaghashvili et al. uses driven wave fluctuations as a diagnostic tool to detect Alfvén waves in the solar corona. 2009: Jess et al. detect torsional Alfvén waves in the structured Sun's chromosphere using the Swedish Solar Telescope. 2011: Alfvén waves are shown to propagate in a liquid metal alloy made of Gallium. 2017: 3D numerical modelling performed by Srivastava et al. show that the high frequency (12–42 mHz) Alfvén waves detected by the Swedish Solar Telescope can carry substantial energy to heat the Sun's inner corona. 2018: Using spectral imaging observations, non LTE inversions and magnetic field extrapolations of sunspot atmospheres, Grant et al. found evidence for elliptically polarized Alfvén waves forming fast mode shocks in the outer regions of the chromospheric umbral atmosphere. For the first time, these authors provided quantification of the degree of physical heat provided by the dissipation of such Alfvén wave modes.