Новосибирск, Россия
Новосибирск, Россия
Новосибирск, Россия
Новосибирск, Россия
Новосибирск, Россия
Новосибирск, Россия
Новосибирск, Россия
Новосибирск, Россия
Исследовалась возможность генерации альфвеновских возмущений в магнитных трубках в условиях взрывающейся лазерной плазмы в замагниченной фоновой плазме. Аналогичные по эффекту возбуждения волн торсионного типа процессы, предположительно, обеспечивают перенос энергии от фотосферы Солнца к короне. Исследования проводились на экспериментальном стенде КИ-1, представляющем собой цилиндрическую высоковакуумную камеру диаметром 1.2 м, длиной 5 м, с внешним магнитным полем до 500 Гс вдоль оси камеры и давлением в рабочем режиме до 2·10–6 торр. Лазерная плазма создавалась при фокусировке СО2-лазерного импульса на плоской полиэтиленовой мишени и распространялась в фоновой водородной (или гелиевой) плазме θ-пинча. В результате экспериментально смоделирована магнитная трубка радиусом 15–20 см вдоль оси камеры и направления внешнего магнитного поля, измерено распределение концентрации плазмы в трубке. Зарегистрировано распространение альфвеновской волны вдоль магнитного поля по возмущению поперечной компоненты Bφ магнитного поля и продольного тока Jz. Эти возмущения распространяются со скоростью 70–90 км/с, близкой к альфвеновской, и обладают левосторонней круговой поляризацией поперечной компоненты магнитного поля. Предположительно, альфвеновская волна генерируется за счет магнитного ламинарного механизма бесстолкновительного взаимодействия облака лазерной плазмы и фона. Зарегистрирован высокочастотный вистлерный предвестник, распространяющийся перед альфвеновской волной со скоростью до 300 км/с, обладающий правосторонней поляризацией, направление поляризации меняется с приходом альфвеновской волны. Обнаружены признаки медленной магнитозвуковой волны в виде скачка концентрации фоновой плазмы с одновременным вытеснением внешнего магнитного поля. Это возмущение распространяется со скоростью ~20–30 км/с, близкой к скорости ионного звука при малом значении плазменного бета, и, по предварительным оценкам, переносит около 10 % исходной энергии лазерной плазмы.
Нагрев солнечной короны, магнитные трубки, альфвеновские волны, медленные магнитозвуковые волны, вистлеры, магнитный ламинарный механизм.
ВВЕДЕНИЕ
Широко известной проблемой при исследованиях Солнца является проблема нагрева солнечной короны. Температура солнечной поверхности (фотосферы) составляет приблизительно 5800 °C, в то время как температура солнечной короны превосходит ее на несколько порядков [Прист, 1985]. Существуют различные гипотезы, объясняющие нагрев солнечной короны до столь высоких температур. Одна из гипотез предполагает перенос энергии от поверхности Солнца к короне посредством распространяющихся в плазме альфвеновских волн (АВ) или медленных магнитозвуковых (ММЗ) волн. Данные волны распространяются в плазме, находящейся во внешнем магнитном поле. Частицы плазмы движутся преимущественно вдоль силовых линий магнитного поля и при достаточной напряженности поля образуют так называемую магнитную плазменную трубку вдоль силовой линии. В данной работе приведены результаты эксперимента по моделированию плазменных процессов в трубках, имеющих начало и конец в фотосфере, но большей частью находящихся в атмосфере Солнца (в короне). В целом модельные эксперименты посвящены исследованию генерации альфвеновских и ММЗ-волн (и, возможно, сопутствующих ударных волн) на стенде КИ-1 при инжекции сгустков лазерной плазмы (ЛП) в конусе с раствором ~1 ср и осью вдоль магнитного поля В0 (начальная конфигурация облака ЛП имеет вид направленного взрыва), что характерно для процессов генерации и распространения ММЗ-волн и АВ в солнечной атмосфере. Помимо них в ходе экспериментов были получены данные о быстрых высокочастотных возмущениях — электронных вистлерах, распространяющихся в магнитных трубках со скоростью больше альфвеновской и предшествующих АВ и ММЗ-волнам.
Одной из основных целей данных модельных опытов являлось исследование возможности генерации АВ торсионного типа и их распространения в условиях плазменных структур, имитирующих магнитные трубки в солнечной атмосфере. Такие волны, генерируемые вращательными движениями (по азимуту) на поверхности фотосферы [Antolin, Shibata, 2010], в настоящее время считаются одними из наиболее эффективных источников нагрева короны [De Moortel, Nakaryakov, 2012; Antolin et al., 2015; Okamoto et al., 2015]. Основанием для новых модельных экспериментов данного типа на стенде КИ-1 послужили расчеты [Тищенко, Шайхисламов, 2010, 2014; Тищенко и др., 2014, 2015] формирования цилиндрических каналов вдоль магнитного поля (наподобие магнитной трубки), внутри которых распространялись сгустки ЛП (вместе с генерируемыми ими АВ и ММЗ-волнами), а также результаты предшествующих экспериментов с ЛП [Антонов и др., 1985; Захаров и др., 2006; Шайхисламов и др., 2015] по моделированию различных нестационарных процессов в космической плазме [Вшивков и др., 1987; Brady et al., 2009; Dudnikova et al., 1990; Mourenas et al., 2006; Ponomarenko et al., 2007, 2008; Zakharov, 2002, 2003; Zakharov et al., 2009]. Эксперименты по генерации и распространению торсионных альфвеновских волн (ТАВ) проводились и ранее, но только в фоновой плазме (ФП) с размерами L поперек поля, сравнимыми с антенной [Muller, 1974] или стенками камеры [Wilcox et al., 1961], либо при больших L, но в отсутствие магнитно-плазменных структур типа магнитной трубки, т. е. скорее в однородной безграничной ФП [Yagai et al., 2003] с собственными дисперсионными и поляризационными характеристиками ТАВ.
Другой новой и важной проблемой моделирования ТАВ является сам способ генерации именно торсионных АВ, который по возможности должен наиболее близко физически соответствовать натурным условиям — сдвигово-поворотным смещениям силовых линий магнитного поля (в фотосфере). В этом отношении наиболее перспективным является так называемый магнитный ламинарный механизм (МЛМ) бесстолкновительного взаимодействия [Башурин и др., 1983] сверхальфвеновских потоков плазмы, распространяющихся поперек магнитного поля B0. Этот механизм впервые был экспериментально подтвержден на стенде КИ-1 [Антонов и др., 1985], а впоследствии в работе [Шайхисламов и др., 2015]. Там же более подробно был исследован основной механизм магнитного ламинарного бесстолкновительного взаимодействия — обмен электронами ЛП и ФП, определяющий в данном случае размер R* (см. таблицу) диамагнитной каверны [Wright, 1971]. С точки зрения генерации ТАВ важным свойством МЛМ является формирование на масштабах R* вихревых электрических полей Eφ, ускоряющих ионы ФП вместе с вмороженным в нее магнитным полем [Prokopov et al., 2016]. В результате там (под углами θ≈±45° к полю B0) формируется система Bφ-полей напряженностью вплоть до B0/2 [Башурин и др., 1983], что в совокупности с Eφ может достаточно эффективно генерировать ТАВ. В дальнейших гибридных расчетах по МЛМ [Winske, Gary, 2007] действительно наблюдалось формирование возмущений магнитного поля альфвеновского типа вблизи оси Z (вдоль B0) снаружи сферического облака плазмы.
В данной работе представлены первые результаты экспериментов по моделированию процессов генерации ТАВ именно за счет МЛМ, хотя их постановка не исключает проявления и других механизмов генерации, рассматриваемых пока только теоретически [Oraevsky et al., 2002; Vranjes, 2015].
1. Антонов В.М., Башурин В.П., Голубев А.И. и др. Экспериментальное исследование бесстолкновительного взаимодействия взаимопроникающих потоков плазмы // Журнал прикладной механики и технической физики. 1985. № 6. С. 3–10.
2. Башурин В.П., Голубев А.И., Терехин В.А. О бесстолкновительном торможении ионизированного облака, разлетающегося в однородную замагниченную плазму // Журнал прикладной механики и технической физики. 1983. № 5. С. 10–17.
3. Вшивков В.А., Дудникова Г.И., Захаров Ю.П. и др. Генерация плазменных возмущений при бесстолкновительном взаимодействии сверхальфвеновских потоков: Препринт № 20-87. Институт теоретической и прикладной механики, 1987. 49 с.
4. Захаров Ю.П., Антонов В.М., Бояринцев Э.Л. и др. Роль желобковой неустойчивости холловского типа при взаимодействии лазерной и космической плазмы с магнитным полем // Физика плазмы. 2006. Т. 32, № 3. С. 207–229.
5. Прист Э.Р. Солнечная магнитогидродинамика. М.: Мир, 1985. 589 c.
6. Тищенко В.Н., Шайхисламов И.Ф. Механизм объединения ударных волн в плазме с магнитным полем: критерии и эффективность формирования низкочастотных магнитозвуковых волн // Квантовая электроника. 2010. Т. 40, № 5. С. 464–469.
7. Тищенко В.Н., Шайхисламов И.Ф. Механизм объединения волн: формирование низкочастотных альфвеновских и магнитозвуковых волн в плазме // Квантовая электроника. 2014. Т. 44, № 2. С. 98–101.
8. Тищенко В.Н., Шайхисламов И.Ф., Березуцкий А.Г. Механизм объединения волн в космической плазме с магнитным полем: транспортировка импульса и момента импульса // Cуперкомпьютерные технологии в науке, образовании и промышленности: альманах / Под ред. ак. В.А. Садовничего, ак. Г.И. Савина, чл.-корр. Вл.В. Воеводина. М.: Изд-во МГУ, 2014. С. 65–74.
9. Тищенко В.Н., Захаров Ю.П., Бояринцев Э.Л. и др. Моделирование лазерной плазмой процессов генерации альфвеновских и ударных волн в космической плазме с магнитными полями // VI Всероссийская конференция по взаимодействию высококонцентрированных потоков энергии с материалами в перспективных технологиях и медицине. Новосибирск, 2015. С. 111–115.
10. Шайхисламов И.Ф., Захаров Ю.П., Посух В.Г. и др. Экспериментальное исследование бесстолкновительного сверхальфвеновского взаимодействия взаимопроникающих плазменных потоков // Физика плазмы. 2015. Т. 41, № 5. С. 434–442.
11. Antolin P., Shibata K. The role of torsional Alfven waves in coronal heating // Astrophys. J. 2010. V. 712, N 1. P. 494–510.
12. Antolin P., Okamoto T. J., De Pontieu B., et al. Resonant absorption of transverse oscillations and associated heating in a solar prominence. I. Numerical aspects // Astrophys. J. 2015. V. 809, N 1. P. 72.
13. Brady P., Ditmire T., Horton W., et al. Laboratory experiments simulating solar wind driven magnetospheres // Physics of Plasmas. 2009. V. 16, N 4. 043112.
14. De Moortel I., Nakaryakov V.M., Magnetohydrodynamic waves and coronal seismology: An overview of recent results // Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2012. V. 370, N 1970. P. 3193–3216.
15. Dudnikova G.I., Orishich A.M., Ponomarenko A.G., et al. Laboratory and computer simulations of wave generation processes in non-stationary astrophysical phenomena // Plasma Astrophysics, ESA No SP. 1990. V. 311. P. 191–194.
16. Gekelman W., Van Zeeland M., Vincena S., Pribyl P. Laboratory experiments on Alfvén waves caused by rapidly expanding plasmas and their relationship to space phenomena // J. Geophys. Res. Space Phys. 2003. V. 108, N A7. P. 1281.
17. Kline J.L., Scime E.E. Parametric decay instabilities in the HELIX helicon plasma source // Physics of Plasmas. 2003. V. 10, N 1. P. 135–144.
18. Mourenas D., Simonet F., Zakharov Yu.P., et al. Laboratory and PIC simulations of collisionless interaction between expanding space plasma clouds and magnetic field with and without ionized background // Journal de Physique IV. 2006. V. 133. P. 1025–1030.
19. Muller G. Experimental study of torsional Alfven waves in a cylindrical partially ionized magnetoplasma // J. Plasma Phys. 1974. V. 16. P. 813–822.
20. Niemann C., Gekelman W., Constantin C.G., et al. Dynamics of exploding plasmas in a large magnetized plasma // Physics of Plasmas. 2013. V. 20, N 1. 012108.
21. Okamoto T.J., Antolin P., De Pontieu B., et al. Resonant absorption of transverse oscillations and associated heating in a solar prominence. I. Observational aspects // Astrophys. J. 2015. V. 809, N 1. P. 71.
22. Oraevsky V.N., Ruzhin Yu.Ya., Badin V.I., Deminov M.G. Alfven wave generation by means of high orbital injection of barium cloud in magnetosphere // Adv. Space Res. 2002. V. 29, N 9. P. 1327–1334.
23. Ponomarenko A.G., Zakharov Yu.P., Antonov V.M., et al. Laser plasma experiments to simulate coronal mass ejections during giant solar flare and their strong impact on magnetospheres // IEEE Transactions on Plasma Science. 2007. V. 35, N 4, pt. 1. P. 813–821.
24. Prokopov P.A., Zakharov Yu.P., Tishchenko V.N., et al. Laser plasma simulations of the generation processes of Alfven and collisionless shock waves in space plasma // J. Phys. Conf. Ser. 2016. In print.
25. Rahbarnia K., Ullrich S., Sauer K., et al. Alfvén wave dispersion behavior in singleand multicomponent plasmas // Physics of Plasmas. 2010. V. 17, N 3. 032102.
26. Vranjes J. Alfvén wave coupled with flow-driven fluid instability in interpenetrating plasmas // Physics of Plasmas. 2015. V. 22, N 5. 052102.
27. Wilcox J.M., DeSilva A.W., Cooper W.S. Experiments on Alfven-wave propagation // Physics of Fluids. 1961. V. 4. P. 1506.
28. Winske D., Gary S.P. Hybrid simulations of debris, ambient ion interactions in astrophysical explosions // J. Geophys. Res. 2007. V. 112. A10303.
29. Wright T.P. Early‐time model of laser plasma expansion // Physics of Fluids. 1971. V. 14, N 9. P. 1905–1910.
30. Yagai T., Kumagai R., Hosokawa Y., et al. Excitation of an axisymmetric shear Alfvén wave by a Rogowski‐type antenna // Plasma Physics: 11th International Congress on Plasma Physics: ICPP2002. AIP Publishing, 2003. V. 669, N 1. P. 137–140.
31. Zakharov Yu.P. Laboratory simulations of artificial plasma releases in space // Adv. Space Res. 2002. V. 29, N 9. P. 1335–1344.
32. Zakharov Yu.P. Collisionless laboratory astrophysics with lasers // Plasma Science. IEEE Transactions on Plasma Science. 2003. V. 31, N 6. P. 1243–1251.
33. Zakharov Yu.P., Ponomarenko A.G., Vchivkov K.V., et al. Laser-plasma simulations of artificial magnetosphere formed by giant coronal mass ejections // Astrophys. Space Sci. 2009. V. 322, N 1–4. P. 151–154.
