ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2015, том 55, № 5, с. 587-597
УДК 523.62-726
РЕЗКИЕ ГРАНИЦЫ ПОТОКОВ В СОЛНЕЧНОМ ВЕТРЕ: НЕЙТРАЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ И СТРУКТУРЫ © 2015 г. А. П. Кропоткин
Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, г. Москва e-mail: apkrop@dec1.sinp.msu.ru Поступила в редакцию 21.01.2015 г.
В солнечном ветре обнаружены сильные неоднородности потока с очень резкими границами. Интерпретация таких наблюдений опирается на два известных нелинейных плазменных эффекта. Во-первых, сильные неоднородности плотности могут генерироваться в потоке на некотором расстоянии от источника, если на уровне источника имеется модуляция скорости потока. Во-вторых, возникающие таким образом неоднородности, распространяясь в плазменной среде, испытывают нелинейное искажение профиля, выражающееся прежде всего в укручении переднего фронта распространяющегося уплотнения. На малых масштабах фронта на картину накладываются кинетические эффекты, порождающие дисперсию волн и в результате определяющие предельный малый масштаб, порядка ионного ларморовского радиуса или ионной инерционной длины.
DOI: 10.7868/S0016794015040082
1. РЕЗЮМЕ НАБЛЮДЕНИЙ.
ПРОБЛЕМЫ ИНТЕРПРЕТАЦИИ
В плазме солнечного ветра (СВ) постоянно существуют неоднородности. Их анализ позволяет выделять различные типы, среди которых наиболее распространены альвеновские волны и тангенциальные разрывы [например, Плазменная гелиогеофизика, 2008]. Пространственные масштабы этих структур варьируют в широком диапазоне. Также и относительные изменения в них плазменных параметров (плотности, скорости, температуры, магнитного поля) бывают очень разнообразны. Однако только в последнее десятилетие были обнаружены резкие (длительность фронта, наблюдаемого на космическом аппарате, порядка нескольких секунд и менее) и большие по амплитуде скачки потока ионов солнечного ветра, которые служат проявлением структурных границ очень малого масштаба. Обнаружение и исследование таких событий стало возможным только с появлением измерений плазмы с достаточно большим временным разрешением. Такой экспериментальный материал был получен на основе анализа рядов долговременных высокоскоростных (с разрешением не хуже 1 с и вплоть до 60 мс) измерений потока ионов солнечного ветра в период 1996—2000 гг. с помощью интегрального цилиндра Фарадея в приборе ВДП (всенаправлен-ный датчик плазмы) на российском высокоапо-гейном спутнике ИНТЕРБОЛ-1 [Ша2ап18еуа й а1., 2005]. В последнее время база данных дополнительно расширена путем анализа результатов эксперимента "Плазма-Ф" со спутника СПЕКТР-Р
проекта РАДИОАСТРОН [Застенкер и др., 2003]. В этом эксперименте разрешение улучшено до рекордной величины 32 мс.
Развернутый анализ данных, полученных на спутнике ИНТЕРБОЛ-1, представлен в работе [Ша2аПзеуа е! а1., 2005]. Среди характерных особенностей наблюдаемых вариаций — указанные выше очень резкие границы неоднородностей: масштаб может быть порядка десятка гирорадиу-сов протона. Другая важная особенность — малость изменений направленной скорости ионов, так что большие вариации потока частиц обусловлены только изменениями плотности. Таким образом, как считают авторы [Ша2аПзеуа е! а1., 2005], следует исключить из рассмотрения ударные волны.
Однако если иметь в виду только стационарные МГД структуры скачка, на которых должны выполняться известные условия, вытекающие из законов сохранения вещества, импульса и энергии, то альтернативой остается только тангенциальный разрыв, на котором должна сохраняться величина полного давления (газодинамического плюс давления магнитного поля). Действительно, вращательные разрывы здесь исключены, поскольку на границе происходит сильная вариация плотности. Хотя в наблюдениях почти всегда, в 95% случаев, вариации газодинамического и магнитного давления противоположны по знаку, так что происходит (хотя бы частичная) их взаимная компенсация, однако в 45% случаев полное давление все же изменяется на большую величину, превышающую 10%.
Рис. 1. Схема формирования уплотнений, порождаемых модуляцией скорости на исходном уровне.
Во всех этих случаях, таким образом, наблюдаются нестационарные, эволюционирующие структуры, конечно, при интерпретации их в принятом в [Ша2аПзеуа е! а1., 2005] одномерном МГД приближении. Численное моделирование в таком приближении было проведено в работе [Бархатов и др., 2003], однако, низкое пространственное и временное разрешение не позволило там обнаружить важный эффект укручения фронта неоднородности, на который мы обращаем внимание в данной работе. С другой стороны, нелинейные стационарные кинетические структуры, предложенные для объяснения резких границ в статье [Алешин и др., 2007], требуют весьма искусственного выбора граничных условий, не учитывают магнитного поля и приводят к нереалистично малому пространственному масштабу порядка дебаевского радиуса.
В данной работе для интерпретации указанных наблюдений мы привлекаем два, вообще говоря, хорошо известных нелинейных эффекта. Во-первых, сильные неоднородности плотности плазмы могут генерироваться в свободном потоке на некотором расстоянии от ее источника, если на уровне источника имеется модуляция скорости потока. Во-вторых, для возникающих таким образом сильных неоднородностей необходимо уже учитывать отклонение от приближения свободного потока; тогда, распространяясь в плазменной среде, такие неоднородности испытывают нелинейное искажение профиля, выражающееся, прежде всего, в укручении переднего фронта распространяющегося уплотнения.
2. ГЕНЕРАЦИЯ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ
ПЛОТНОСТИ В СВОБОДНОМ ПОТОКЕ, ПОРОЖДАЕМАЯ ВАРИАЦИЕЙ СКОРОСТИ НА НАЧАЛЬНОМ УРОВНЕ
2.1. Общий принцип. Аналогия с каустикой. В
космической плазме весьма часто существуют быстрые направленные потоки частиц, скорость которых сильно превышает величину теплового разброса, а движение почти свободно — столкновения очень редки. Таковы, например, солнечный ветер и другие звездные ветры. Другой пример — потоки электронов в верхней атмосфере, порождающих дискретные формы полярных сияний.
Такие потоки бывают промодулированы по скорости. В той области, где действует механизм модуляции, плотность потока может оставаться постоянной. Однако вдали от этой области плотность тогда должна испытывать резкие вариации, образуя локализованные сгустки. Это хорошо известный эффект, полностью подобный эффекту каустики в лучевой оптике. В СВЧ электронике, например, он давно используется для формирования электронных сгустков в клистроне. Рис. 1 схематически иллюстрирует, как это происходит, если периодически меняющийся потенциал и модулирует электронный пучок на уровне 5 = 0. На расстоянии 5 = й возникают пики плотности.
Применительно к задачам физики космической плазмы, естественно, возникает вопрос, каким образом формируются сами локализованные зоны модуляции. Причем положение их должно быть привязано к крупномасштабной системе в целом: к солнечной короне, к ионосфере Земли и т.п., то есть, они не должны сноситься вместе с потоком, как это происходит, например, с гидромагнитными возмущениями в сверхзвуковом и сверхальвеновском потоке солнечного ветра.
В солнечном ветре известен механизм формирования модуляции скорости в заданной потоковой трубке. Он обеспечивается совместным действием двух эффектов: (а) горизонтальной неоднородности источника ветра — солнечной короны и (б) вращения Солнца. Из-за вращения Солнца в заданную потоковую трубку последовательно попадают элементы корональной плазмы, ускоренной до скорости солнечного ветра, происходящие из разных, соседних в горизонтальном направлении, участков короны. (Как известно, крупномасштабными источниками действительно "быстрого" ветра, со скоростью, в разы превышающей среднюю скорость, служат корональные дыры). Соседство на исходном уровне источников ветра с большей и с меньшей скоростью должно приводить к модуляции скорости в данной потоковой трубке, происходящей на ее исходном уровне. Вообще говоря, источники могут иметь горизонтальные пространственные масштабы, лежащие в некотором диапазоне, и это
должно приводить к разнообразию временных масштабов модуляции скорости. По-видимому, самый малый горизонтальный масштаб неодно-родностей, порождающих (относительно слабую) модуляцию скорости солнечного ветра, должен определяться супергрануляцией на фотосферном уровне, см., например, в книгах [Плазменная ге-лиогеофизика, 2008; зошоу, 2012]. Механизмы возникновения неоднородностей в полях и плазме хромосферы и короны под действием конвективных движений в фотосфере обсуждаются в работе [Кропоткин, 2011]. Указания, следующие из современных наблюдательных данных, приведены, например, в работе [Яедиегеу е! а1., 2014].
Легко оценить характерное расстояние от Солнца, на котором при этом формируются уплотнения. Обозначая это расстояние через ё, скорость ветра через V, амплитуду вариации скорости через Д V, находим для периода модуляции на исходном уровне:
T ~ d
1
■ + Av
d Av
d
Ay
A v RqD.q
(1)
функция распределения по скоростям имеет уже не один, а несколько дельтаобразных пиков.
Здесь же мы будем полагать, что функция распределения имеет конечную ширину из-за теплового разброса частиц по скоростям. Функция распределения / (х, V, ?) для свободного потока подчиняется уравнению Лиувилля
df df п — + v— = 0.
dt dx
(2)
Решение имеет вид f (x,v, t) = F (t,v), где
df
С другой стороны, если обозначить характерный горизонтальный масштаб неоднородности через
А у, то Т = и, значит,
П0Я0
т = ? - х/ V, так что — = Fт, — = V, а функция
д? дх
F может быть задана граничным условием, например,
/(х = 0, V,= ехр{-^ ( - Уд - VI бшю?)2}.
Здесь N — концентрация частиц на уровне х = 0, 8 — эффективная ширина распределения по скоростям, V — центральное значение скорости, v1 — амплитуда вариаций скорости, будем считать ее малой, V1 <§ V0.
Введем 2, = v - v0, тогда 1 =
1
v
и
v 0 I 1+-
í
где Д0 и обозначают радиус Солнца и угловую скорость его вращения, соответственно. Полагая
для примера V ~ 400 км/с, Д v/v ~ 0.1, Ау = 3 х 104 км (ч
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.