stringtranslate.com

Альфвеновская волна

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

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

Определение

Альвеновская волна — это низкочастотное (по сравнению с гирочастотой ионов ) бегущее колебание ионов и магнитного поля в плазме . Плотность массы ионов обеспечивает инерцию , а натяжение линий магнитного поля обеспечивает возвращающую силу. Альвеновские волны распространяются в направлении магнитного поля, а движение ионов и возмущение магнитного поля являются поперечными к направлению распространения. Однако альвеновские волны, существующие при косых падении, плавно перейдут в магнитозвуковые волны , когда распространение перпендикулярно магнитному полю.

Альвеновские волны не имеют дисперсии .

Скорость Альвена

Низкочастотная относительная диэлектрическая проницаемость намагниченной плазмы определяется выражением [2], где Bплотность магнитного потока , — скорость света , — проницаемость вакуума , а плотность массы — это сумма по всем видам заряженных частиц плазмы (электронов , а также всех типов ионов). Здесь вид имеет плотность числа и массу на частицу .

Фазовая скорость электромагнитной волны в такой среде равна Для случая альфвеновской волны , где — групповая скорость альфвеновской волны . (Формула для фазовой скорости предполагает, что частицы плазмы движутся с нерелятивистскими скоростями, массовая скорость частиц равна нулю в системе отсчета, а волна распространяется параллельно вектору магнитного поля.)

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

Пренебрегая вкладом электронов в плотность массы, , где — плотность числа ионов, а — средняя масса ионов на частицу, так что

время Альфвена

В физике плазмы альфвеновское время является важной шкалой времени для волновых явлений. Оно связано с альфвеновской скоростью следующим образом: где обозначает характерный масштаб системы. Например, может быть малым радиусом тора в токамаке .

Релятивистский случай

Скорость альфвеновской волны в релятивистской магнитогидродинамике равна [3] где e — полная плотность энергии частиц плазмы, — полное давление плазмы, — магнитное давление . В нерелятивистском пределе, когда , эта формула сводится к приведенной ранее.

История

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

Проблема коронального нагрева

Изучение волн Альвена началось с проблемы нагрева короны , давнего вопроса в гелиофизике . Было неясно, почему температура солнечной короны высокая (около миллиона кельвинов) по сравнению с ее поверхностью ( фотосферой ), которая составляет всего несколько тысяч кельвинов. Интуитивно было бы разумно наблюдать уменьшение температуры при удалении от источника тепла, но, похоже, это не так, даже несмотря на то, что фотосфера плотнее и будет генерировать больше тепла, чем корона.

В 1942 году Ханнес Альфвен предположил в 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, и они, в свою очередь, могут быть ответственны за солнечные пятна. Он заявил:

Если проводящая жидкость помещена в постоянное магнитное поле, то каждое движение жидкости приводит к возникновению ЭДС , которая производит электрические токи. Благодаря магнитному полю эти токи создают механические силы, которые изменяют состояние движения жидкости. Таким образом, возникает своего рода комбинированная электромагнитно-гидродинамическая волна. [4]

В конечном итоге это оказались волны Альвена. За это открытие он получил Нобелевскую премию по физике в 1970 году .

Экспериментальные исследования и наблюдения

Зона конвекции Солнца, область под фотосферой, в которой энергия переносится в основном конвекцией , чувствительна к движению ядра из-за вращения Солнца. Вместе с изменяющимися градиентами давления под поверхностью электромагнитные колебания, возникающие в зоне конвекции, вызывают случайное движение на поверхности фотосферы и производят волны Альвена. Затем волны покидают поверхность, проходят через хромосферу и переходную зону и взаимодействуют с ионизированной плазмой. Сама волна переносит энергию и часть электрически заряженной плазмы.

В начале 1990-х годов де Понтье [5] и Херендель [6] предположили, что волны Альвена также могут быть связаны с плазменными струями, известными как спикулы . Было высказано предположение, что эти кратковременные выбросы перегретого газа переносились объединенной энергией и импульсом их собственной восходящей скорости, а также осциллирующим поперечным движением волн Альвена.

В 2007 году Томчик и др . впервые наблюдали волны Альвена, движущиеся к короне , но их предсказания не могли сделать вывод о том, что энергии, переносимой волнами Альвена, было достаточно для нагрева короны до ее огромных температур, поскольку наблюдаемые амплитуды волн были недостаточно высокими. [7] Однако в 2011 году Макинтош и др . сообщили о наблюдении высокоэнергетических волн Альвена в сочетании с энергичными спикулами, которые могли поддерживать нагрев короны до ее температуры в миллион кельвинов. Эти наблюдаемые амплитуды (20,0 км/с против наблюдавшихся в 2007 году 0,5 км/с) содержали более чем в сто раз больше энергии, чем наблюдавшиеся в 2007 году. [8] Короткий период волн также позволял передавать больше энергии в корональную атмосферу. Спикулы длиной 50 000 км также могут играть роль в ускорении солнечного ветра мимо короны. [9] Альвеновские волны регулярно наблюдаются в солнечном ветре, в частности в быстрых потоках солнечного ветра. Роль альвеновских колебаний во взаимодействии быстрого солнечного ветра с магнитосферой Земли в настоящее время является предметом дискуссий. [10] [11]

Однако вышеупомянутые открытия волн Альвена в сложной атмосфере Солнца, начиная с эпохи Хиноде в 2007 году в течение следующих 10 лет, в основном попадают в область волн Альвена, по сути, генерируемых как смешанная мода из-за поперечного структурирования магнитных и плазменных свойств в локализованных трубках потока. В 2009 году Джесс и др . [12] сообщили о периодическом изменении ширины линии H-альфа , наблюдаемом Шведским солнечным телескопом (SST) над хромосферными яркими точками. Они заявили о первом прямом обнаружении длиннопериодных (126–700 с), несжимаемых, крутильных волн Альвена в нижней солнечной атмосфере.

После основополагающей работы Джесса и др . (2009) в 2017 году Шривастава и др . [13] обнаружили существование высокочастотных крутильных волн Альвена в тонкоструктурных потоковых трубках хромосферы Солнца . Они обнаружили, что эти высокочастотные волны несут значительную энергию, способную нагревать корону Солнца, а также вызывать сверхзвуковой солнечный ветер. В 2018 году, используя спектральные наблюдения, инверсии не-ЛТР (локальное термодинамическое равновесие) и экстраполяции магнитного поля атмосфер солнечных пятен, Грант и др. [14] нашли доказательства того, что эллиптически поляризованные волны Альвена образуют ударные волны быстрой моды во внешних областях хромосферной теневой атмосферы. Они предоставили количественную оценку степени физического тепла, обеспечиваемого диссипацией таких мод волн Альвена над пятнами активной области.

В 2024 году в журнале Science была опубликована статья , в которой подробно описывался ряд наблюдений того, что оказалось той же струей солнечного ветра, что была сделана Parker Solar Probe и Solar Orbiter в феврале 2022 года, и предполагалось, что именно волны Альвена поддерживали энергию струи на достаточно высоком уровне, чтобы соответствовать наблюдениям. [15]

Историческая хронология

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Иваи, К; Шинья, К; Такаши, К. и Моро, Р. (2003) «Изменение давления, сопровождающее волны Альвена в жидком металле» Магнитогидродинамика 39(3): стр. 245-250, страница 245
  2. ^ Чен, ФФ (2016). Введение в физику плазмы и управляемый термоядерный синтез (3-е изд.). Швейцария: Springer International Publishing. С. 55, 126–131.
  3. ^ Гедалин, М. (1993). «Линейные волны в релятивистской анизотропной магнитогидродинамике». Physical Review E. 47 ( 6): 4354–4357. Bibcode : 1993PhRvE..47.4354G. doi : 10.1103/PhysRevE.47.4354. PMID  9960513.
  4. ^ Альфвен, Ханнес (1942). «Существование электромагнитных–гидродинамических волн». Nature . 150 (3805): 405–406. Bibcode :1942Natur.150..405A. doi :10.1038/150405d0. S2CID  4072220.
  5. ^ Барт де Понтье (18 декабря 1997 г.). «Хромосферные спикулы, движимые волнами Альвена». Институт внеземной физики им. Макса Планка. Архивировано из оригинала 16 июля 2002 г. Получено 1 апреля 2012 г.
  6. ^ Герхард Херендель (1992). «Слабозатухающие волны Альвена как драйверы солнечных хромосферных спикул». Nature . 360 (6401): 241–243. Bibcode :1992Natur.360..241H. doi :10.1038/360241a0. S2CID  44454309.
  7. ^ Томчик, С.; Макинтош, С.У.; Кейл, С.Л.; Джадж, П.Г.; Шад, Т.; Сили, Д.Х.; Эдмондсон, Дж. (2007). «Альфвеновские волны в солнечной короне». Science . 317 (5842): 1192–1196. Bibcode :2007Sci...317.1192T. doi :10.1126/science.1143304. PMID  17761876. S2CID  45840582.
  8. ^ Макинтош и др. (2011). «Альфвеновские волны с достаточной энергией для питания тихой солнечной короны и быстрого солнечного ветра». Nature . 475 (7357): 477–480. Bibcode :2011Natur.475..477M. doi :10.1038/nature10235. PMID  21796206. S2CID  4336248.
  9. Карен Фокс (27 июля 2011 г.). «SDO замечает дополнительную энергию в короне Солнца». NASA . Получено 2 апреля 2012 г.
  10. ^ Pokhotelov, D.; Rae, IJ; Murphy, KR; Mann, IR (8 июня 2015 г.). «Влияние изменчивости солнечного ветра на мощность магнитосферных волн ULF». Annales Geophysicae . 33 (6): 697–701. doi : 10.5194/angeo-33-697-2015 .
  11. ^ Боровский, Дж. Э. (5 января 2023 г.). «Дальнейшее исследование влияния восходящих флуктуаций солнечного ветра на связь солнечного ветра и магнитосферы: реален ли эффект?». Frontiers in Astronomy and Space Sciences . 9 : 1–18. doi : 10.3389/fspas.2022.975135 .
  12. ^ ab Jess, David B.; Mathioudakis, Mihalis; Erdélyi, Robert; Crockett, Philip J.; Keenan, Francis P.; Christian, Damian J. (20 марта 2009 г.). «Альфвеновские волны в нижней солнечной атмосфере». Science . 323 (5921): 1582–1585. arXiv : 0903.3546 . Bibcode :2009Sci...323.1582J. doi :10.1126/science.1168680. hdl :10211.3/172550. ISSN  0036-8075. PMID  19299614. S2CID  14522616.
  13. ^ ab Srivastava, Abhishek Kumar; Shetye, Juie; Murawski, Krzysztof; Doyle, John Gerard; Stangalini, Marco; Scullion, Eamon; Ray, Tom; Wójcik, Dariusz Patryk; Dwivedi, Bhola N. (3 марта 2017 г.). "Высокочастотные крутильные волны Альвена как источник энергии для нагрева короны". Scientific Reports . 7 (1): 43147. Bibcode :2017NatSR...743147S. doi :10.1038/srep43147. ISSN  2045-2322. PMC 5335648 . PMID  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 , Bibcode : 2018NatPh..14..480G, doi :10.1038/s41567-018-0058-3, S2CID  119089600
  15. ^ ab Rivera, Yeimy J.; Badman, Samuel T.; Stevens, Michael L.; Verniero, Jaye L.; Stawarz, Julia E.; Shi, Chen; Raines, Jim M.; Paulson, Kristoff W.; Owen, Christopher J.; Niembro, Tatiana; Louarn, Philippe; Livi, Stefano A.; Lepri, Susan T.; Kasper, Justin C.; Horbury, Timothy S.; Halekas, Jasper S.; Dewey, Ryan M.; De Marco, Rossana; Bale, Stuart D. (30 августа 2024 г.). «In situ observations of big-amplitude Alfvén waves heating and accelerating the solar wind» (Наблюдения на месте за альфвеновскими волнами большой амплитуды, нагревающими и ускоряющими солнечный ветер). Science . 385 (6712): 962–966. arXiv : 2409.00267 . doi : 10.1126/science.adk6953. ISSN  0036-8075.
  16. ^ Ленерт, Бо (15 мая 1954 г.). «Магнитогидродинамические волны в жидком натрии». Physical Review . 94 (4): 815–824. Bibcode :1954PhRv...94..815L. doi :10.1103/PhysRev.94.815.
  17. ^ JEPHCOTT, DF (13 июня 1959). «Альфвеновские волны в газовом разряде». Nature . 183 (4676): 1652–1654. Bibcode :1959Natur.183.1652J. doi :10.1038/1831652a0. ISSN  0028-0836. S2CID  11487078.
  18. ^ Sonett, CP; Smith, EJ; Judge, DL; Coleman, PJ (15 февраля 1960 г.). «Текущие системы в остаточном геомагнитном поле: Explorer VI». Physical Review Letters . 4 (4): 161–163. Bibcode : 1960PhRvL...4..161S. doi : 10.1103/PhysRevLett.4.161.
  19. ^ Сугиура, Масахиса (декабрь 1961 г.). «Доказательства низкочастотных гидромагнитных волн в экзосфере». Журнал геофизических исследований . 66 (12): 4087–4095. Bibcode : 1961JGR....66.4087S. doi : 10.1029/jz066i012p04087. ISSN  0148-0227.
  20. ^ Motz, Robin O. (1966). «Генерация волн Альвена в сферической системе». Physics of Fluids . 9 (2): 411–412. Bibcode : 1966PhFl....9..411M. doi : 10.1063/1.1761687. ISSN  0031-9171.
  21. ^ Hollweg, JV (1974). "Гидромагнитные волны в межпланетном пространстве". Publications of the Astronomical Society of the Pacific . 86 (513): 561. Bibcode : 1974PASP...86..561H. doi : 10.1086/129646 . ISSN  1538-3873.
  22. ^ Mendis, DA; Ip, W. -H. (март 1977). «Ионосферы и плазменные хвосты комет». Space Science Reviews . 20 (2): 145–190. Bibcode : 1977SSRv...20..145M. doi : 10.1007/bf02186863. ISSN  0038-6308. S2CID  119883598.
  23. ^ Робертс, Б.; Эдвин, П. М.; Бенц, АО (1984). «Корональные колебания». The Astrophysical Journal . 279 (2): 857–865. Bibcode : 1984ApJ...279..857R. doi : 10.1086/161956 . ISSN  0004-637X.
  24. ^ Aschwanden, Markus J.; Fletcher, Lyndsay; Schrijver, Carolus J.; Alexander, David (1999). "Coronal Loop Oscillations Observed with the Transition Region and Coronal Explorer" (PDF) . The Astrophysical Journal . 520 (2): 880. Bibcode :1999ApJ...520..880A. doi :10.1086/307502. ISSN  0004-637X. S2CID  122698505.
  25. ^ Томчик, С.; Макинтош, С.У.; Кейл, С.Л.; Джадж, П.Г.; Шад, Т.; Сили, Д.Х.; Эдмондсон, Дж. (31 августа 2007 г.). «Альфвеновские волны в солнечной короне». Science . 317 (5842): 1192–1196. Bibcode :2007Sci...317.1192T. doi :10.1126/science.1143304. ISSN  0036-8075. PMID  17761876. S2CID  45840582.
  26. ^ Doorsselaere, T. Van; Nakariakov, VM; Verwichte, E. (2008). «Обнаружение волн в солнечной короне: излом или альфвеновские?». The Astrophysical Journal Letters . 676 (1): L73. Bibcode : 2008ApJ...676L..73V. doi : 10.1086/587029 . ISSN  1538-4357.
  27. ^ "Science: 318 (5856)". Science . 318 (5856). 7 декабря 2007 г. ISSN  0036-8075.
  28. ^ 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.
  29. ^ Okamoto, TJ; Tsuneta, S.; Berger, TE; Ichimoto, K.; Katsukawa, Y.; Lites, BW; Nagata, S.; Shibata, K.; Shimizu, T. (7 декабря 2007 г.). «Корональные поперечные магнитогидродинамические волны в солнечном протуберанце». Science . 318 (5856): 1577–1580. arXiv : 0801.1958 . Bibcode :2007Sci...318.1577O. doi :10.1126/science.1145447. ISSN  0036-8075. PMID  18063785. S2CID  121422620.
  30. ^ Pontieu, B. De; McIntosh, SW; Carlsson, M.; Hansteen, VH; Tarbell, TD; Schrijver, CJ; Title, AM; Shine, RA; Tsuneta, S. (7 декабря 2007 г.). «Хромосферные альфвеновские волны, достаточно сильные, чтобы обеспечить солнечный ветер». Science . 318 (5856): 1574–1577. Bibcode :2007Sci...318.1574D. doi :10.1126/science.1151747. ISSN  0036-8075. PMID  18063784. S2CID  33655095.
  31. ^ Кагашвили, Эдишер Х.; Куинн, Ричард А.; Хольвег, Джозеф В. (2009). «Управляемые волны как диагностический инструмент в солнечной короне». The Astrophysical Journal . 703 (2): 1318. Bibcode : 2009ApJ...703.1318K. doi : 10.1088/0004-637x/703/2/1318 . S2CID  120848530.
  32. ^ 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