Кіріспе
Плазма физикасындағы процесс. Магниттік қайтақосылу – электр өткізгіш плазмаларда жүзеге асатын физикалық процесс, онда магниттік топология жаңадан құрылады және магниттік энергия кинетикалық энергияға, жылу энергиясына және бөлшектерді үдетуге айналады. Магниттік қайтақосылу, магниттелген плазмадағы механикалық ақпарат ағынының негізгі жылдамдығы болып табылатын Альфвен толқынының жылдамдығының маңызды бөлігінде плазма ағындарын қамтиды. Магниттік қайтақосылу тұжырымын күн физикасы және күн желдің магниттелген планеталармен өзара әрекеттесуі саласындағы зерттеушілер параллель түрде дамытты. Бұл қайтақосылудың екі жақты табиғатын көрсетеді, ол бұрын байланысқан магниттік өрістерді үзуге немесе бұрын үзілген магниттік өрістерді байланыстыруға мүмкіндік береді, бұл жағдайларға байланысты. Рон Джованелли күн жарқылында бөлшектерді үдетудің ықтимал механизмі ретінде магниттік энергияның босатылуын алғаш рет жариялағандығымен танымал. Джованелли 1946 жылы күн жарқылының себебі, күн дақтарының жанындағы индукцияланған электр өрістерінің әсерінен зарядталған бөлшектерге түсетін энергия екенін ұсынды. 1947-1948 жылдары ол күн жарқылының қайтақосылу моделін одан әрі дамытатын бірнеше мақала жариялады. Осы еңбектерінде ол механизмнің құрылымдалған магниттік өрістердегі бейтараптық нүктелерінде (әлсіз немесе нөлдік магниттік өріс) пайда болатынын көрсетті. Джеймс Дунгей 1950 жылы докторлық диссертациясында «магниттік қайтақосылу» терминін алғаш рет қолданды, ол күн желдің Жердің магнитосферасына масса, энергия және импульс беруін түсіндірді. Бұл тұжырымдама алғаш рет 1961 жылы жарық көрген мақаласында жарияланды. Дунгей «қайтақосылу» терминін қолданды, өйткені ол магниттік өріс сызықтары мен плазманың магниттік нейтралды нүктеге (2D) немесе сызыққа (3D) қарай ағып келіп, үзіліп, содан кейін басқа магниттік өріс сызықтарымен және плазмамен қайта қосылатынын, ал магниттік нейтралды нүктеден немесе сызықтан алысқа ағып кететінін көз алдына келтірді. Осы уақытта, магниттік қайтақосылудың алғашқы теориялық негізін 1956 жылы өткен конференцияда Питер Свит пен Юджин Паркер қалады. Свит екі плазманы қарама-қарсы бағытталған магниттік өрістермен бірге итеру арқылы резистивті диффузияның типтік тепе-теңдік ұзындығынан әлдеқайда қысқа ұзындық шкаласында жүзеге асатынын көрсетті. Паркер осы конференцияға қатысып, оралып келген жолда осы модельге қатысты масштабтау қатынастарын жасады.
Magnetic reconnection is a physical process occurring in electrically conducting plasmas, in which the magnetic topology is rearranged and magnetic energy is converted to kinetic energy, thermal energy, and particle acceleration. Magnetic reconnection involves plasma flows at a substantial fraction of the Alfvén wave speed, which is the fundamental speed for mechanical information flow in a magnetized plasma. The concept of magnetic reconnection was developed in parallel by researchers working in solar physics and in the interaction between the solar wind and magnetized planets. This reflects the bidirectional nature of reconnection, which can either disconnect formerly connected magnetic fields or connect formerly disconnected magnetic fields, depending on the circumstances. Ron Giovanelli is credited with the first publication invoking magnetic energy release as a potential mechanism for particle acceleration in solar flares. Giovanelli proposed in 1946 that solar flares stem from the energy obtained by charged particles influenced by induced electric fields within close proximity of sunspots. In the years 1947 1948, he published more papers further developing the reconnection model of solar flares. In these works, he proposed that the mechanism occurs at points of neutrality (weak or null magnetic field) within structured magnetic fields. James Dungey is credited with first use of the term “magnetic reconnection” in his 1950 PhD thesis, to explain the coupling of mass, energy and momentum from the solar wind into Earth's magnetosphere. The concept was published for the first time in a seminal paper in 1961. Dungey coined the term "reconnection" because he envisaged field lines and plasma moving together in an inflow toward a magnetic neutral point (2D) or line (3D), breaking apart and then rejoining again but with different magnetic field lines and plasma, in an outflow away from the magnetic neutral point or line. In the meantime, the first theoretical framework of magnetic reconnection was established by Peter Sweet and Eugene Parker at a conference in 1956. Sweet pointed out that by pushing two plasmas with oppositely directed magnetic fields together, resistive diffusion is able to occur on a length scale much shorter than a typical equilibrium length scale. Parker was in attendance at this conference and developed scaling relations for this model during his return travel.
Физикалық түсіндіру
Қайта қосылу процесінің сапалық сипаттамасы мынадай: әр түрлі магниттік домендерден (магниттік өріс сызықтарының байланысымен анықталатын) магниттік өріс сызықтары бір-бірімен тігіледі, бұл олардың көздерге қатысты байланыс схемаларын өзгертеді. Бұл плазма физикасындағы шамамен сақталу заңының, Альфвен теоремасының (сондай-ақ "идеалдық МГД" немесе "мұздатылған ағын теоремасы" деп те аталады) бұзылуы болып табылады және механикалық немесе магниттік энергияны кеңістікте де, уақытта да шоғырландыра алады. Күндегі жарқын нүсқаулар – Күн жүйесіндегі ең ірі жарылыстар, олар Күндегі магниттік ағынның үлкен жүйелерінің қайта қосылуын қамтиды, нәтижесінде магниттік өрісте сағаттар немесе күндер бойы жиналған энергия минуттар ішінде босатылады. Жердің магнит сферасындағы магниттік қайта қосылу – полярлық шоқтардың пайда болуына жауапты механизмдердің бірі және басқарылатын ядролық синтез ғылымы үшін маңызды, себебі ол синтез отынының магниттік тұтқындалуына кедерлес ететін механизмдердің бірі. Электр өткізгіш плазмада магниттік өріс сызықтары "домендерге" топтастырылады – белгілі бір нүктеден басқа бір нүктеге жалғанатын және жақын жердегі басқа өріс сызықтарынан топологиялық тұрғыдан ерекшеленетін өріс сызықтарының жиынтығы. Бұл топология магниттік өрістің өзі өзгермелі токтардың немесе магниттік көздердің қозғалысының әсерінен күшті бұрмаланған кезде де шамамен сақталады, себебі магниттік топологияны өзгерте алатын әсерлер плазмада иркіл тоқтарды тудырады; иркіл тоқтар топологиялық өзгерісті жоюға септігін тигізеді.
Қайта қосу түрлері
Екі өлшемде магниттік қайта қосылудың ең көп таралған түрі – төрт жеке магниттік доменнің магниттік өріс сызықтарын алмастыратын сепараторлық қайта қосылу. Магниттік плазмадағы домендер сепаратрикс беттерімен бөлінеді: кеңістіктегі әртүрлі ағын жиынтықтарын бөлетін қисық беттер. Сепаратрикстің бір жағындағы өріс сызықтары белгілі бір магниттік полюсте аяқталады, ал екінші жағындағы өріс сызықтары ұқсас таңбалы басқа полюсте аяқталады. Әрбір өріс сызығы әдетте солтүстік магниттік полюстен басталып, оңтүстік магниттік полюске дейін созылады, сондықтан қарапайым ағын жүйелерін бөлудің ең жалпы жолы екі сепаратрикспен бөлінген төрт доменді қамтиды: бір сепаратрикс беті ағынды екі жиынтыққа бөледі, олардың әрқайсысы оңтүстік полюсті бөліседі, ал екінші сепаратрикс беті ағынды екі жиынтыққа бөледі, олардың әрқайсысы солтүстік полюсті бөліседі. Сепаратрикстердің қиылысы сепараторды құрайды – төрт жеке доменнің шекарасындағы бір түзу. Сепараторлық қайта қосылу кезінде өріс сызықтары екі доменнен сепараторға кіріп, бірін-бірімен тоғысып, қалған екі доменнен сепаратордан шығады (бірінші суретті қараңыз). Үш өлшемде өріс сызықтарының геометриясы екі өлшемді жағдайға қарағанда күрделірек, және сепаратор жоқ аймақтарда да қайта қосылу мүмкін, бірақ өріс сызықтары тік градиенттермен байланысқан. Бұл аймақтар квази-сепаратрикс қабаттары (QSL) деп аталады және теориялық модельдерде және күннің жарқырауында байқалған.
Тез қайта қосу: Petschek үлгісі
Пэтчек қайта қосылуының Паркер-Свитке қарағанда жылдам болуының негізгі себебі – ол шығу аймағын кеңейтеді, соның арқасында плазма қысымының артуынан туындаған шектеулердің бір бөлігін жояды. Кіріс жылдамдығы, демек қайта қосылу жылдамдығы, шығу аймағы тар болған жағдайда ғана өте төмен болуы мүмкін. 1964 жылы Гарри Пэтчек кіріс және шығу аймақтарын кірісте тұрақты баяу толқындық соққылармен бөлісетін механизмді ұсынды. Диффузиялық аймақтың қатынасы бірлік шамасына жуық болады және қайта қосылудың максималды жылдамдығы мынадай болады. Бұл өрнек жылдам қайта қосылуға мүмкіндік береді және Лундквист санына дерлік тәуелсіз. Теориялық және сандық модельдеулер көрсеткендей, Пэтчек ұсынған соққылардың көп бөлігін Альфвен толқындары, әсіресе айналмалы үзілістер (АУ) іске асыра алады. Ток қабатының екі жағындағы плазма тығыздығының әртүрлі болу жағдайында (мысалы, Жердің күндізгі магнитопаузасында), жоғары тығыздық жағындағы кіріске таралатын Альфвен толқынының таралу жылдамдығы төмендейді (магнитопауза жағдайында тығыз магнитокап), сондықтан магнит өрісінің бұрылуы сол АУ-да күшейеді, өйткені магнит сызығы қайта қосылу орнынан алыстайды: демек, магнитопаузаның ток қабаты сыртқы, баяу АУ-да көбірек шоғырланады. Біркелкі кедергісі бар резистивті МГД қайта қосылудың модельдеулері Пэтчек моделіне қарағанда Sweet-Parker моделіне сәйкес созылған ток қабатының дамуын көрсетті. Бірақ, егер жергілікті, аномалды үлкен кедергі қолданылса, резистивті МГД модельдеулерінде Пэтчек қайта қосылуын іске асыруға болады. Аномальды кедергіні қолдану тек бөлшектердің орташа еркін жүріс жолы қайта қосылу қабатынан үлкен болған кезде ғана орынды болғандықтан, Пэтчек қайта қосылуын іске асырудан бұрын басқа соқтығысусыз әсерлер маңызды болуы мүмкін.
This expression allows for fast reconnection and is almost independent of the Lundquist number. Theory and numerical simulations show that most of the actions of the shocks that were proposed by Petschek can be carried out by Alfvén waves and in particular rotational discontinuities (RDs). In cases of asymmetric plasma densities on the two sides of the current sheet (as at Earth's dayside magnetopause) the Alfvén wave that propagates into the inflow on higher density side (in the case of the magnetopause the denser magnetosheath) has a lower propagation speed and so the field rotation increasingly becomes at that RD as the field line propagates away from the reconnection site: hence the magnetopause current sheet becomes increasingly concentrated in the outer, slower, RD. Simulations of resistive MHD reconnection with uniform resistivity showed the development of elongated current sheets in agreement with the Sweet–Parker model rather than the Petschek model. When a localized anomalously large resistivity is used, however, Petschek reconnection can be realized in resistive MHD simulations. Because the use of an anomalous resistivity is only appropriate when the particle mean free path is large compared to the reconnection layer, it is likely that other collisionless effects become important before Petschek reconnection can be realized.
Аномальды резистивтілік және Бом диффузиясы
Sweet-Parker моделінде магниттік диффузия тұрақты деп есептеледі. Оны массасы және электр заряды бар электронның қозғалыс теңдеуі арқылы бағалауға болады:
мұндағы – соқтығысу жиілігі. Тұрақты күйде , болғандықтан, жоғарыдағы теңдеу және электр тогының анықтамасы, мұндағы – электронның сан тығыздығы, келесіні береді:
Дегенмен, егер электрондардың дрейф жылдамдығы плазманың жылу жылдамдығынан асып кетсе, тұрақты күйге қол жеткізу мүмкін емес және магниттік диффузия жоғарыда көрсетілгеннен әлдеқайда үлкен болуы керек. Бұл аномальды кедергі деп аталады, , ол Sweet-Parker моделіндегі қайта қосылу жылдамдығын фактормен арттыра алады. Тағы бір ұсынылған механизм – магниттік өріс бойымен Bohm диффузиясы. Бұл Омдық кедергіні , деп алмастырады, бірақ оның әсері, аномальды кедергіге ұқсас, байқаулармен салыстырғанда әлі де өте шағын.
Another proposed mechanism is known as the Bohm diffusion across the magnetic field. This replaces the Ohmic resistivity with , however, its effect, similar to the anomalous resistivity, is still too small compared with the observations.
Стохастикалық қайта қосу
Стохастикалық қайта қосылымда магнит өрісінің турбуленттіліктен туындайтын шағын масштабты кездейсоқ компоненті болады. Қайта қосылу аймағындағы турбулентті ағын үшін 1995 жылы Голдрейх пен Сридхар жасаған модель сияқты магнитогидродинамикалық турбуленттілік моделін қолдану керек. Бұл стохастикалық модель резистивтік эффектілер сияқты шағын масштабты физикаға тәуелді емес және тек турбуленттік эффектілерге байланысты. Дереккөз бойынша, стохастикалық модельде турбуленттілік бастапқыда алыс орналасқан магнит өрісі сызықтарын кішкентай аралыққа жақындастырады, онда олар жергілікті түрде қайта қосылуы мүмкін (Sweet-Parker типіндегі қайта қосылу), ал турбуленттік суперсызықтық диффузияға (Ричардсон диффузиясы) байланысты қайтадан ажырасады. Ұзындығы бар ток парағы үшін қайта қосылу жылдамдығының жоғарғы шегі мына формуламен беріледі:
мұнда , және тиісінше турбуленттік инъекция ұзындығы мен жылдамдығы, ал – Альфвен жылдамдығы. Бұл модель сандық симуляциялар арқылы сәтті тексерілген.
MHD емес процесс: Тоқтамаусыз қайта қосу
Иондық инерциялық ұзындығынан қысқа ұзындық өлшемдерінде (мұндағы – иондық плазма жиілігі), иондар электрондардан бөлініп шығады және магнит өрісі ірі плазмаға емес, электрондық сұйықтыққа «мұздай» бекітіледі. Осы өлшемдерде Холл эффектісі маңызды рөл атқарады. Екі сұйықтық модельдеуі резистивті қайта қосылуға тән екі Y нүктелі геометрияның орнына X нүктелі геометрияның қалыптасуын көрсетеді. Содан кейін электрондар Уистлер толқындары арқылы өте жоғары жылдамдыққа дейін үдетіледі. Иондар тоқ қабатының жанындағы кеңірек «тарлықта» еркін қозғала алатыны және электрондар стандартты МГД-ға қарағанда Холл МГД-да әлдеқайда жылдам қозғалатыны себепті, қайта қосылу процесі жылдамдауы мүмкін. Екі сұйықтық/соқтығысусыз қайта қосылу Жердің магнитосферасында ерекше маңызды.
Күн атмосферасы
Магниттік қайта қосылу күннің жарылуы, короналық массаның шығарылуы және күн атмосферасындағы көптеген басқа да құбылыстар кезінде болады. Күн жарылыстарын бақылауға дәлел ретінде кіріс/шығыс ағындары, төмен қарай ағыншақтар және магниттік топологиядағы өзгерістерді бақылаулар келтіріледі. Бұрын күн атмосферасын қашықтықтан бейнелеу арқылы бақылау жүргізілгендіктен, магниттік өрістер тікелей бақыланған емес, олар болжамдалған немесе есептелген. Дегенмен, күннің магниттік қайта қосылысының алғашқы тікелей бақылаулары 2012 жылы (ал 2013 жылы жарияланды) Жоғары Ажыратымдылықтағы Короналық Бейнелеу құралы арқылы алынды.
Жердің магнит қабаты
Жердің магнитосферасында (күндізгі магнитопаузада және магнитоқұйрықта) болатын магниттік қайта қосылу құбылыстары көптеген жылдар бойы болжаммен келтірілді, себебі олар магнитосфераның кең ауқымды мінез-құлқының көптеген аспектілерін және оның Жерге жақын планетааралық магнит өрісінің бағытына тәуелділігін ерекше түсіндірді. Кейіннен Cluster II және Магнитосфералық көп масштабты миссиясы сияқты ғарыш кемелері процесті тікелей және орнында бақылауға жеткілікті ажыратымдылықта және бірнеше жерде бақылау жүргізуге мүмкіндік берді. Cluster II – төрт ғарыш кемесінен тұратын миссия, төрт ғарыш кемесі кеңістікте ұшу кезінде кеңістіктік және уақыттық өзгерістерді бөлу үшін тетраэдр түрінде орналастырылған. Ол Жердің магнит өрісінің Күннің магнит өрісімен (яғни планетааралық магнит өрісімен) қайта қосылатын көптеген оқиғаларды байқады. Бұларға полярлық жарықтарға жақын жердегі Жердің ионосферасында күнге қарай конвекцияны тудыратын «кері қайта қосылу», Жердің маңына бөлшектер мен энергияны жіберуге мүмкіндік беретін «күндізгі қайта қосылу» және магнитосфераға терең бөлшектерді жіберіп, Жердің магнитоқұйрығында сақталған энергияны босататын «құйрық қайта қосылу» жатады. 2015 жылдың 13 наурызында ұшырылған Магнитосфералық көп масштабты миссиясы ғарыш кемелерінің тығыз топтамасының арқасында Cluster II нәтижелерінің кеңістіктік және уақыттық ажыратымдылығын арттырды. Бұл электрондық диффузия аймағындағы электр токтерінің мінез-құлқын жақсырақ түсінуге мүмкіндік берді. 2008 жылдың 26 ақпанында THEMIS зерттеулері магнитосфералық жарықтардың басталуына себеп болған оқиғаны анықтады. Айға дейінгі қашықтықтың шамамен үштен бірін құрайтын бес зерттеудің екеуі магниттік қайта қосылу оқиғасын тіркеді, ол полярлық жарықтардың күшеюінен 96 секунд бұрын болған. THEMIS миссиясының бас зерттеушісі, Калифорния университетінің (Лос-Анджелес) докторы Василис Ангелопулос: «Біздің деректеріміз магниттік қайта қосылудың бастаушы күш екенін алғаш рет нақты көрсетеді» деді.
Зертханалық плазмалық эксперименттер
Магниттік қайта қосылу көптеген зертханалық тәжірибелерде де байқалды. Мысалы, UCLA-дағы Үлкен плазма құрылғысы (LAPD) зерттеулері екі ағын сызығы жүйесінің магниттік қайта қосылу аймағына жақын квази-сепаратрикс қабаттарын байқап, картаға түсірді. Ал Принстон плазма физикасы зертханасындағы (PPPL) Магниттік қайта қосылу эксперименті (MRX) жүргізілген тәжірибелер магниттік қайта қосылудың көптеген аспектілерін, соның ішінде модель қолданылатын жағдайлардағы Свитт-Паркер моделін растады. NSTX сфералық токамагында бастапқы плазма тогын жасау үшін қолданылған спиральдік инъекция физикасын талдау нәтижесінде доктор Фатима Ибрахими плазманы жылдам магниттік қайта қосылу арқылы үдетіп, ғарышқа қозғалыс күшін тудыратын плазмалық қозғалтқыш ұсынды. «Ағаш тісті» тербелістер – токамак плазмасының орталық бөлігінде жүзететін мерзімді араласу процестері. Кадомцев моделі «ағаш тісті» тербелістерді ішкі бұрылыс режимінің әсерінен қауіпсіздік коэффициентінің өзгеруіне байланысты орталық аймақтың орын ауыстыруынан туындаған магниттік қайта қосылудың салдары ретінде сипаттайды.