stringtranslate.com

Альфвеновская волна

Группа двойных слоев, образующаяся в альфвеновской волне, примерно на шестой части расстояния слева. Красный = электроны, Зеленый = ионы, Желтый = электрический потенциал, Оранжевый = параллельное электрическое поле, Розовый = плотность заряда, Синий = магнитное поле
Кинетическая альфвеновская волна

В физике плазмы альфвеновская волна , названная в честь Ханнеса Альфвена , представляет собой тип плазменной волны , в которой ионы колеблются в ответ на восстанавливающую силу, создаваемую эффективным натяжением силовых линий магнитного поля . [1]

Определение

Альвеновская волна — это низкочастотное (по сравнению с ионной гирочастотой ) бегущее колебание ионов и магнитного поля в плазме . Массовая плотность ионов обеспечивает инерцию , а натяжение силовых линий магнитного поля обеспечивает восстанавливающую силу. Альвеновские волны распространяются в направлении магнитного поля, а движение ионов и возмущение магнитного поля поперечны направлению распространения. Однако альфвеновские волны, существующие при наклонном падении, плавно переходят в магнитозвуковые волны , когда распространение перпендикулярно магнитному полю.

Альвеновские волны не имеют дисперсии .

Альвеновская скорость

Низкочастотная относительная диэлектрическая проницаемость замагниченной плазмы определяется выражением [2]

Bплотность магнитного потокаскорость светапроницаемостьа

Фазовая скорость электромагнитной волны в такой среде равна

групповая скорость альфвеновских волн

Если , то . С другой стороны, когда , . То есть при сильном поле или низкой плотности групповая скорость альфвеновской волны приближается к скорости света, и альфвеновская волна становится обычной электромагнитной волной.

Пренебрегая вкладом электронов в массовую плотность, , где – плотность числа ионов, – средняя масса иона на частицу, так что

Время в Альвене

В физике плазмы альвеновское время является важной шкалой времени для волновых явлений. Она связана со скоростью Альвена соотношением:

токамаке

Релятивистский случай

Скорость альфвеновской волны в релятивистской магнитогидродинамике равна [3]

e
магнитное давление

История

Магнитные волны, называемые альфвеновскими S-волнами, исходят от основания струй черных дыр .

Проблема коронального нагрева

Изучение альфвеновских волн началось с проблемы нагрева короны , давней проблемы гелиофизики . Было неясно, почему температура солнечной короны такая высокая (около миллиона кельвинов) по сравнению с ее поверхностью (фотосферой ) , которая составляет всего несколько тысяч кельвинов. Интуитивно понятно, что имело бы смысл увидеть снижение температуры при удалении от источника тепла, но, похоже, это не так, даже несмотря на то, что фотосфера более плотная и будет генерировать больше тепла, чем корона.

В 1942 году Ханнес Альфвен предположил в журнале Nature существование электромагнитно-гидродинамической волны, которая переносила бы энергию из фотосферы для нагрева короны и солнечного ветра . Он утверждал, что у Солнца есть все необходимые критерии для поддержки этих волн, а они, в свою очередь, могут быть ответственны за солнечные пятна. Он постановил:

Если проводящую жидкость поместить в постоянное магнитное поле, каждое движение жидкости вызывает ЭДС , вызывающую электрические токи. Благодаря магнитному полю эти токи создают механические силы, изменяющие состояние движения жидкости. Таким образом создается своего рода комбинированная электромагнитно-гидродинамическая волна. [4]

В конечном итоге это оказались волны Альфвена. За это открытие он получил Нобелевскую премию по физике 1970 года .

Экспериментальные исследования и наблюдения

Конвекционная зона Солнца, область под фотосферой, в которой энергия переносится в основном за счет конвекции , чувствительна к движению ядра из-за вращения Солнца. Вместе с различными градиентами давления под поверхностью электромагнитные колебания, возникающие в зоне конвекции, вызывают хаотические движения на поверхности фотосферы и порождают альфвеновские волны. Затем волны покидают поверхность, проходят через хромосферу и переходную зону и взаимодействуют с ионизированной плазмой. Сама волна несет в себе энергию и часть электрически заряженной плазмы.

В начале 1990-х годов де Понтье [5] и Херендель [6] предположили, что альфвеновские волны также могут быть связаны с плазменными струями, известными как спикулы . Предполагалось, что эти короткие всплески перегретого газа переносятся совокупной энергией и импульсом их собственной восходящей скорости, а также колеблющимся поперечным движением альфвеновских волн.

Сообщается, что в 2007 году альфвеновские волны впервые наблюдали движение к короне Томчиком и др ., но их предсказания не могли сделать вывод о том, что энергии, переносимой альфвеновскими волнами, было достаточно, чтобы нагреть корону до ее огромных температур, поскольку наблюдаемые амплитуды волн были недостаточно высокими. [7] Однако в 2011 году Макинтош и др . сообщил о наблюдении высокоэнергетических альфвеновских волн в сочетании с энергичными спикулами, которые могли поддерживать нагрев короны до температуры в миллион кельвинов. Эти наблюдаемые амплитуды (20,0 км/с против наблюдаемых в 2007 году 0,5 км/с) содержали более чем в сто раз больше энергии, чем те, которые наблюдались в 2007 году . [8] Короткий период волн также позволил передать больше энергии в корональную атмосферу. Спикулы длиной 50 000 км также могут играть роль в ускорении солнечного ветра мимо короны. [9] Волны Альвена обычно наблюдаются в солнечном ветре, особенно в быстрых потоках солнечного ветра. Роль альфвеновских колебаний во взаимодействии быстрого солнечного ветра с магнитосферой Земли в настоящее время дискутируется. [10] [11]

Однако вышеупомянутые открытия альфвеновских волн в сложной атмосфере Солнца, начиная с эпохи Хиноде в 2007 году и в течение следующих 10 лет, в основном относятся к области альфвеновских волн, по существу генерируемых как смешанная мода из-за поперечной структуризации магнитного поля. и свойства плазмы в трубках локализованного потока. В 2009 году Джесс и др . [12] сообщили о периодическом изменении ширины линии H-альфа , наблюдаемом Шведским солнечным телескопом (SST) над яркими точками хромосферы . Они заявили о первом прямом обнаружении долгопериодных (126–700 с) несжимаемых крутильных альфвеновских волн в нижних слоях солнечной атмосферы.

После плодотворной работы Джесса и др . (2009), в 2017 г. Шривастава и др . [13] обнаружили существование высокочастотных крутильных альфвеновских волн в хромосферных тонкоструктурных трубках потока Солнца . Они обнаружили, что эти высокочастотные волны несут значительную энергию, способную нагревать солнечную корону, а также вызывать сверхзвуковой солнечный ветер. В 2018 году, используя наблюдения спектральных изображений , не-ЛТР-инверсии (локальное термодинамическое равновесие) и экстраполяцию магнитного поля атмосфер солнечных пятен, Грант и др. [14] обнаружили доказательства существования эллиптически поляризованных альфвеновских волн, образующих ударные волны быстрой моды во внешних областях хромосферной теневой атмосферы. Они обеспечили количественную оценку степени физического тепла, обеспечиваемого рассеянием таких волновых мод Альвена над пятнами активной области.

Исторический график

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Иваи, К; Шинья, К.; Такаши К. и Моро Р. (2003) «Изменение давления, сопровождающее альфвеновские волны в жидком металле» Магнитогидродинамика 39 (3): стр. 245–250, стр. 245.
  2. ^ Чен, FF (2016). Введение в физику плазмы и управляемый термоядерный синтез (3-е изд.). Швейцария: Международное издательство Springer. стр. 55, 126–131.
  3. ^ Гедалин, М. (1993). «Линейные волны в релятивистской анизотропной магнитогидродинамике». Физический обзор E . 47 (6): 4354–4357. Бибкод : 1993PhRvE..47.4354G. doi : 10.1103/PhysRevE.47.4354. ПМИД  9960513.
  4. ^ Альфвен, Ханнес (1942). «Существование электромагнитно-гидродинамических волн». Природа . 150 (3805): 405–406. Бибкод : 1942Natur.150..405A. дои : 10.1038/150405d0. S2CID  4072220.
  5. Барт де Понтье (18 декабря 1997 г.). «Хромосферные спикулы, движимые альфвеновскими волнами». Институт внеземной физики Макса Планка. Архивировано из оригинала 16 июля 2002 года . Проверено 1 апреля 2012 г.
  6. ^ Герхард Херендель (1992). «Слабо затухающие альфвеновские волны как драйверы солнечных хромосферных спикул». Природа . 360 (6401): 241–243. Бибкод : 1992Natur.360..241H. дои : 10.1038/360241a0. S2CID  44454309.
  7. ^ Томчик, С.; Макинтош, Юго-Запад; Кейл, СЛ; Судья, PG; Шад, Т.; Сили, Д.Х.; Эдмондсон, Дж. (2007). «Альфвеновские волны в солнечной короне». Наука . 317 (5842): 1192–1196. Бибкод : 2007Sci...317.1192T. дои : 10.1126/science.1143304. PMID  17761876. S2CID  45840582.
  8. ^ Макинтош; и другие. (2011). «Альфвеновы волны с достаточной энергией, чтобы питать тихую солнечную корону и быстрый солнечный ветер». Природа . 475 (7357): 477–480. Бибкод :2011Natur.475..477M. дои : 10.1038/nature10235. PMID  21796206. S2CID  4336248.
  9. Карен Фокс (27 июля 2011 г.). «SDO обнаруживает дополнительную энергию в солнечной короне». НАСА . Проверено 2 апреля 2012 г.
  10. ^ Похотелов, Д.; Рэй, Эй Джей; Мерфи, КР; Манн, ИК (8 июня 2015 г.). «Влияние изменчивости солнечного ветра на мощность магнитосферных УНЧ-волн». Анналы геофизики . 33 (6): 697–701. дои : 10.5194/angeo-33-697-2015 .
  11. Боровский, Ю.Э. (5 января 2023 г.). «Дальнейшее исследование влияния флуктуаций солнечного ветра вверх по течению на связь солнечного ветра и магнитосферы: реален ли эффект?». Границы астрономии и космических наук . 9 : 1–18. дои : 10.3389/fspas.2022.975135 .
  12. ^ аб Джесс, Дэвид Б.; Матиудакис, Михалис; Эрдели, Роберт; Крокетт, Филип Дж.; Кинан, Фрэнсис П.; Кристиан, Дамиан Дж. (20 марта 2009 г.). «Альфвеновские волны в нижней солнечной атмосфере». Наука . 323 (5921): 1582–1585. arXiv : 0903.3546 . Бибкод : 2009Sci...323.1582J. дои : 10.1126/science.1168680. hdl : 10211.3/172550. ISSN  0036-8075. PMID  19299614. S2CID  14522616.
  13. ^ аб Шривастава, Абхишек Кумар; Шетье, Джуи; Муравский, Кшиштоф; Дойл, Джон Джерард; Стангалини, Марко; Скаллион, Имон; Рэй, Том; Войчик, Дариуш Патрик; Двиведи, Бхола Н. (3 марта 2017 г.). «Высокочастотные крутильные альфвеновские волны как источник энергии для нагрева короны». Научные отчеты . 7 (1): 43147. Бибкод : 2017NatSR...743147S. дои : 10.1038/srep43147. ISSN  2045-2322. ПМЦ 5335648 . ПМИД  28256538. 
  14. ^ аб Грант, Сэмюэл Д.Т.; Джесс, Дэвид Б.; Загарашвили, Теймураз В.; Бек, Кристиан; Сокас-Наварро, Гектор; Ашванден, Маркус Дж.; Киз, Питер Х.; Кристиан, Дамиан Дж.; Хьюстон, Скотт Дж.; Хьюитт, Ребекка Л. (2018), «Диссипация альфвеновской волны в солнечной хромосфере», Nature Physics , 14 (5): 480–483, arXiv : 1810.07712 , Бибкод : 2018NatPh..14..480G, doi : 10.1038/s41567 -018-0058-3, S2CID  119089600
  15. Ленерт, Бо (15 мая 1954 г.). «Магнитогидродинамические волны в жидком натрии». Физический обзор . 94 (4): 815–824. Бибкод : 1954PhRv...94..815L. doi : 10.1103/PhysRev.94.815.
  16. ^ ДЖЕФКОТТ, DF (13 июня 1959 г.). «Альфвеновские волны в газовом разряде». Природа . 183 (4676): 1652–1654. Бибкод : 1959Natur.183.1652J. дои : 10.1038/1831652a0. ISSN  0028-0836. S2CID  11487078.
  17. ^ Сонетт, CP; Смит, Э.Дж.; Судья, Д.Л.; Коулман, П.Дж. (15 февраля 1960 г.). «Современные системы в рудиментарном геомагнитном поле: Эксплорер VI». Письма о физических отзывах . 4 (4): 161–163. Бибкод : 1960PhRvL...4..161S. doi :10.1103/PhysRevLett.4.161.
  18. ^ Сугиура, Масахиса (декабрь 1961 г.). «Свидетельства существования низкочастотных гидромагнитных волн в экзосфере». Журнал геофизических исследований . 66 (12): 4087–4095. Бибкод : 1961JGR....66.4087S. дои : 10.1029/jz066i012p04087. ISSN  0148-0227.
  19. ^ Моц, Робин О. (1966). «Генерация альфвеновских волн в сферической системе». Физика жидкостей . 9 (2): 411. Бибкод : 1966PhFl....9..411M. дои : 10.1063/1.1761687. ISSN  0031-9171.
  20. ^ Холлвег, СП (1974). «Гидромагнитные волны в межпланетном пространстве». Публикации Тихоокеанского астрономического общества . 86 (513): 561. Бибкод : 1974PASP...86..561H. дои : 10.1086/129646 . ISSN  1538-3873.
  21. ^ Мендис, Д.А.; ИП, В.-Х. (март 1977 г.). «Ионосферы и плазменные хвосты комет». Обзоры космической науки . 20 (2): 145–190. Бибкод :1977ССРв...20..145М. дои : 10.1007/bf02186863. ISSN  0038-6308. S2CID  119883598.
  22. ^ Робертс, Б.; Эдвин, премьер-министр; Бенц, АО (1984). «Корональные колебания». Астрофизический журнал . 279 (2): 857–865. Бибкод : 1984ApJ...279..857R. дои : 10.1086/161956 . ISSN  0004-637X.
  23. ^ Ашванден, Маркус Дж.; Флетчер, Линдси; Шрийвер, Каролус Дж.; Александр, Дэвид (1999). «Колебания корональной петли, наблюдаемые с помощью переходной области и Coronal Explorer» (PDF) . Астрофизический журнал . 520 (2): 880. Бибкод : 1999ApJ...520..880A. дои : 10.1086/307502. ISSN  0004-637X. S2CID  122698505.
  24. ^ Томчик, С.; Макинтош, Юго-Запад; Кейл, СЛ; Судья, PG; Шад, Т.; Сили, Д.Х.; Эдмондсон, Дж. (31 августа 2007 г.). «Альфвеновские волны в солнечной короне». Наука . 317 (5842): 1192–1196. Бибкод : 2007Sci...317.1192T. дои : 10.1126/science.1143304. ISSN  0036-8075. PMID  17761876. S2CID  45840582.
  25. ^ Дорсселаэр, Т. Ван; Накаряков В.М.; Вервичте, Э. (2008). «Обнаружение волн в солнечной короне: излом или Альфвен?». Письма астрофизического журнала . 676 (1): L73. Бибкод : 2008ApJ...676L..73V. дои : 10.1086/587029 . ISSN  1538-4357.
  26. ^ «Наука: 318 (5856)» . Наука . 318 (5856). 7 декабря 2007 г. ISSN  0036-8075.
  27. ^ Киртайн, JW; Голуб, Л.; Лундквист, Л.; Баллегойен, А. ван; Савчева А.; Симодзё, М.; ДеЛука, Э.; Цунета, С.; Сакао, Т. (7 декабря 2007 г.). «Доказательства существования альфвеновских волн в солнечных рентгеновских струях». Наука . 318 (5856): 1580–1582. Бибкод : 2007Sci...318.1580C. дои : 10.1126/science.1147050. ISSN  0036-8075. PMID  18063786. S2CID  39318753.
  28. ^ Окамото, Ти Джей; Цунета, С.; Бергер, Т.Э.; Ишимото, К.; Кацукава, Ю.; Лайтс, Б.В.; Нагата, С.; Шибата, К.; Симидзу, Т. (7 декабря 2007 г.). «Корональные поперечные магнитогидродинамические волны в солнечном протуберанце». Наука . 318 (5856): 1577–1580. arXiv : 0801.1958 . Бибкод : 2007Sci...318.1577O. дои : 10.1126/science.1145447. ISSN  0036-8075. PMID  18063785. S2CID  121422620.
  29. ^ Понтье, Б. Де; Макинтош, Юго-Запад; Карлссон, М.; Ханстин, В.Х.; Тарбелл, Т.Д.; Шрийвер, CJ; Название, AM; Шайн, РА; Цунета, С. (7 декабря 2007 г.). «Хромосферные альвеновские волны, достаточно сильные, чтобы питать солнечный ветер». Наука . 318 (5856): 1574–1577. Бибкод : 2007Sci...318.1574D. дои : 10.1126/science.1151747. ISSN  0036-8075. PMID  18063784. S2CID  33655095.
  30. ^ Кагашвили, Эдишер Х.; Куинн, Ричард А.; Холлвег, Джозеф В. (2009). «Управляемые волны как инструмент диагностики солнечной короны». Астрофизический журнал . 703 (2): 1318. Бибкод : 2009ApJ...703.1318K. дои : 10.1088/0004-637x/703/2/1318 . S2CID  120848530.
  31. ^ Тьерри Альбусьер; Филипп Карден; Франсуа Дебре; Патрик Ла Рицца; Жан-Поль Массон; Франк Плуниан; Адольфо Рибейро; Денис Шмитт (2011). «Экспериментальное свидетельство распространения альфвеновских волн в сплаве галлия». Физ. Жидкости . 23 (9): 096601. arXiv : 1106.4727 . Бибкод : 2011PhFl...23i6601A. дои : 10.1063/1.3633090. S2CID  2234120.

дальнейшее чтение

Внешние ссылки