epojení) magnetického pole

Podobné dokumenty
Vlny ve sluneční atmosféře. Petr Jelínek

Numerické simulace v astrofyzice

epojení) magnetického pole

Úvod do fyziky plazmatu

Eruptivní procesy na Slunci a jejich optická, radiová a EUV diagnostika

SLUNCE A JEHO POZOROVÁNÍ I FYZIKA PLAZMATU

Koróna, sluneční vítr. Michal Švanda Sluneční fyzika LS 2014/2015

Základy magnetohydrodynamiky. aneb MHD v jedné přednášce?! To si snad děláte legraci!

Koróna, sluneční vítr

Sluneční dynamika. Michal Švanda Astronomický ústav AV ČR Astronomický ústav UK

Pedagogická fakulta Katedra fyziky. Rekonexe magnetického pole a její důsledky v plazmové astrofyzice

ZÁŘENÍ V ASTROFYZICE

Úvod do fyziky plazmatu

Proč studovat hvězdy? 9. 1 Úvod Energetické úvahy Zjednodušení použitá při konstrukci sférických modelů Model našeho Slunce 15

11. Koróna, sluneční vítr

4.2.3 ŠÍŘE FREKVENČNÍHO PÁSMA CHOROVÉHO ELEMENTU A DISTRIBUČNÍ FUNKCE VLNOVÝCH NORMÁL

Slunce, erupce, ohřev sluneční koróny

Obnovitelné zdroje energie Budovy a energie

Urychlení KZ. Obecné principy, Fermiho urychlení, druhý řád, první řád, spektrum

Sluneční fyzika. Vojtěch Sidorin. Praha,

Geomagnetická aktivita je důsledkem sluneční činnosti. Pavel Hejda a Josef Bochníček

změna konfigurace => změna proudů tekoucích systémem => změna magnetického pole (i na Zemi)

TERMOMECHANIKA 15. Základy přenosu tepla

Odhalená tajemství slunečních skvrn

Obr. 141: První tři Bernsteinovy iontové módy. Na vodorovné ose je bezrozměrný vlnový vektor a na svislé ose reálná část bezrozměrné frekvence.

Urychlování částic ve vesmíru aneb záhadné extrémně energetické kosmické záření

Jihočeská univerzita v Českých Budějovicích. Numerické simulace magnetoakustických vln ve sluneční koróně

Složení hvězdy. Hvězda - gravitačně vázaný objekt, složený z vysokoteplotního plazmatu; hmotnost 0,08 M ʘ cca 150 M ʘ, ale R136a1 (LMC) má 265 M ʘ

počátek 17. století, Johannes Kepler: 19. století: počátek 20. století: 1951, Ludwig Biermann:

Vlny v plazmatu. Narušení rovnováhy, perturbace se šíří prostorem => vlny Vlna musí být řešením příslušných rovnic plazmatu => módy

Diskontinuity a šoky

Petr Kulhánek České vysoké učení technické v Praze, Fakulta elektrotechnická, katedra fyziky


Urychlené částice z pohledu sluneční rentgenové emise

Příklady Kosmické záření

O symetrii tokamaku. Vtomto článku opustíme tematiku konkrétních. Jan Mlynář. 50 let UFP AV ČR

Plazma. magnetosféra komety. zbytky po výbuchu supernovy. formování hvězdy. slunce

Žhavé i vychladlé novinky ze sluneční fyziky. Michal Švanda Astronomický ústav AV ČR Astronomický ústav UK

Plazma. Ve zkratce. Definice plazmatu. Typické teploty (energie)

Numerické simulace MHD vln v neutrální proudové vrstvě

5.0 EMISE BUZENÉ HVIZDY A PŘÍKLADY JINÝCH TYPŮ VLN

Šíření tepla. Obecnéprincipy

Anomální doutnavý výboj

c) vysvětlení jednotlivých veličin ve vztahu pro okamžitou výchylku, jejich jednotky

Mechanika tekutin. Hydrostatika Hydrodynamika

Astronomie Sluneční soustavy II. Slunce. Jan Ebr Olomouc,

Interakce laserového impulsu s plazmatem v souvislosti s inerciální fúzí zapálenou rázovou vlnou

SLUNCE. 5. lekce Bára Gregorová a Ondrej Kamenský

Slunce nejbližší hvězda

Počítačový model plazmatu. Vojtěch Hrubý listopad 2007

Kosmické počasí, předpovědi aktivity. Michal Švanda Sluneční fyzika LS 2014/2015

Obecná teorie relativity pokračování. Petr Beneš ÚTEF

Základní charakteristiky

Systémy pro využití sluneční energie

Plazmové metody. Základní vlastnosti a parametry plazmatu

Batse rozložení gama záblesků gama záblesků detekovaných družicí BATSE v letech Rozložení je isotropní.

Měření šířky zakázaného pásu polovodičů

Obsah PŘEDMLUVA 11 ÚVOD 13 1 Základní pojmy a zákony teorie elektromagnetického pole 23

Spektroskopie Slunce. Michal Švanda. Astronomický ústav MFF UK Astronomický ústav AV ČR. Spektroskopie (nejen) ve sluneční fyzice LS 2011/2012

Ing. Pavel Hrzina, Ph.D. - Laboratoř diagnostiky fotovoltaických systémů Katedra elektrotechnologie K13113

Reliktní záření a jeho polarizace. Ústav teoretické fyziky a astrofyziky

Fyzika II, FMMI. 1. Elektrostatické pole

Základy spektroskopie a její využití v astronomii

Základní otázky pro teoretickou část zkoušky.

Vnitřní magnetosféra

7. Rotace Slunce, souřadnice

Země jako dynamické těleso. Martin Dlask, MFF UK

Mgr. Jan Ptáčník. Elektrodynamika. Fyzika - kvarta! Gymnázium J. V. Jirsíka

POZOROVÁNÍ SLUNCE VE SPEKTRÁLNÍCH ČARÁCH. Libor Lenža Hvězdárna Valašské Meziříčí, p. o.

1. Změřte Hallovo napětí v Ge v závislosti na proudu tekoucím vzorkem, magnetické indukci a teplotě. 2. Stanovte šířku zakázaného pásu W v Ge.

Základní experiment fyziky plazmatu

Stručný úvod do spektroskopie

Skalární a vektorový popis silového pole

Astronomie Sluneční soustavy I. PřF UP, Olomouc,

Úvod do moderní fyziky. lekce 3 stavba a struktura atomu

Aktivní perturbace vesmírného prostředí v blízkosti Země. Prof. Wayne A. Scales, Ph.D. Bradley Department of Electrical and Computer Engineering

Vojtěch Hrubý: Esej pro předmět Seminář EVF

Úvod. Zatmění Slunce 2006

Seznam otázek pro zkoušku z biofyziky oboru lékařství pro školní rok

Experimentální realizace Buquoyovy úlohy

Slunce zdroj energie pro Zemi

Atmosféra, znečištění vzduchu, hašení

9. Astrofyzika. 9.4 Pod jakým úhlem vidí průměr Země pozorovatel na Měsíci? Vzdálenost Měsíce od Země je km.

Extragalaktická astrofyzika. Aktivní galaktická jádra, Jety

V nejnižším energetickém stavu valenční elektrony úplně obsazují všechny hladiny ve valenčním pásu, nemohou zprostředkovat vedení proudu.

Fyzika 6. ročník. přesahy, vazby, mezipředmětové vztahy průřezová témata. témata / učivo. očekávané výstupy RVP. očekávané výstupy ŠVP

Relativistická dynamika

Elektřina a magnetismus úlohy na porozumění

KIS a jejich bezpečnost I Šíření rádiových vln

Přednášky z lékařské biofyziky Biofyzikální ústav Lékařské fakulty Masarykovy univerzity, Brno

KATAKLYZMICKÉ UDÁLOSTI. 10. lekce Bára Gregorová a Vašek Glos

Všechny galaxie vysílají určité množství elektromagnetického záření. Některé vyzařují velké množství záření a nazývají se aktivní.

Jednokapalinové přiblížení (MHD-magnetohydrodynamika)

VY_32_INOVACE_08.Fy.9. Slunce

Cesta do nitra Slunce

Světlo jako elektromagnetické záření

Pokroky matematiky, fyziky a astronomie

Plazmové metody. Co je to plazma? Jak se uplatňuj. ují plazmové metody v technice?

MENSA GYMNÁZIUM, o.p.s. TEMATICKÉ PLÁNY TEMATICKÝ PLÁN (ŠR 2017/18)

Přijímací zkouška na navazující magisterské studium 2015

Transkript:

Rekonexe magnetického pole, current-sheet, X-bodX

Rekonexe (rekonekce, přepojenp epojení) magnetického pole Ve fyzice plazmatu je jev rekonexe magnetického pole velmi důležitým jevem Jde o jev, s jehož pomocí se daří vysvětlovat řadu dosud nepochopených dějů v plazmatu. Mezi ně patří například sluneční erupce, jevy na hranici magnetosféry Země a meziplanetárního prostoru, jevy v atmosférách magnetarů, stejně tak jako jevy v laboratorním plazmatu. K přepojení magnetických silokřivek dochází na všech nám dostupných škálách

Rekonexe (rekonekce, přepojenp epojení) magnetického pole Přepojení magnetických silokřivek, rekonekce, rekonexe (původní anglický termín je reconnection) nebo mluvíme o tzv. o magnetickém zkratu Dochází k tomu, že magnetické silokřivky prudce změní svou dosavadní topologii do jiné, energeticky výhodnější podoby Při tom dojde k uvolnění energie, která zahřeje okolní plazma. Někdy natolik, že plazma zazáří i v RTG oboru. V každém případě však změna topologie magnetických silokřivek znamená zásadní změnu v chování plazmatu.

Rekonexe magnetického pole Rezistivní a Alfvénův čas Doba rekonexe Občas se ještě v plazmatu zavádí tzv. Lundquistovo číslo Pro posouzení rychlosti rekonexe se ještě používá tzv. index rekonexe (následující vztah platí pro samovolnou rekonexi):

Rekonexe magnetického pole

Rovnice rezistivní MHD Pro popis přepojení magnetických indukčních čar je třeba použít tzv. rezistivní MHD, ve které má plazma nenulový odpor

Difúze a zamrzání plazmatu Vyjdeme z rovnice popisující magnetické pole v plazmatu: Člen zamrzání Člen difúze Magnetické pole v plazmatu se tedy může měnit dvěma způsoby Difúze pomalé pronikání magnetického pole do okolního plazmatu Zamrznutí magnetické indukční čáry sledují pohyb plazmatu a zdá se nám jako by byly zamrzlé v plazmatu

Magnetické Reynoldsovočíslo slo Pokud odhadneme příspěvky obou zmíněných členů, tj. členu difúze a zamrzání, dostaneme tzv. magnetické Reynoldsovo číslo: Pokud je plazma ideálně vodivé, pak magnetické Reynoldsovočíslo Rm >> 1 a převládá člen zamrzání magnetického pole v plazmatu Naopak pro pomalé pohyby plazmatu dominuje difúze, tj. R m << 1 Na Slunci je toto číslo obvykle dost vysoké, např. ve slunečních skvrnách η 10 3 m 2 s -1, L 10 4 km, v 1 km s -1 vychází R m 10 7 Obecně můžeme říct, že ve slunečním plazmatu dominuje člen zamrzání, existují ovšem výjimky okolí X-bodů, rekonexe při erupcích

Člen zamrzání plazmatu

Člen difúze plazmatu Teoretický rozbor difúzního členu je příliš složitý a proto se jím nebudeme zabývat Rezistivní čas:

Rekonexe magnetického pole Jde o proces přepojení magnetických silokřivek do jiné, energeticky výhodnější konfigurace uvolní se magnetická energie ve formě tepla, které zahřeje okolní plazma K přepojování dochází v oblastech, kde magnetické siločáry míří opačným směrem, to je v astrofyzice velice časté smyčky magnetického pole v koróně, magnetosféra Země, atd.

Rekonexe magnetického pole

Rekonexe magnetického pole

Rekonexe magnetického pole Pokud má plazma konečnou vodivost, může dojít k transformaci mezi magnetickou, tepelnou a kinetickou složkou energie. Přispívají k tomu proudy tekoucí v plazmatu a následný ohmický ohřev Představme si, že v plazmatu se k sobě přiblíží dvě oblasti magnetického pole s opačně orientovanými silokřivkami. V této oblasti vzniká tzv. difúzní region. Ten je charakteristický velmi nízkou hodnotou magnetického pole. Právě zde dojde ke změně topologie magnetických silokřivek, jejich přepojení do nové konfigurace s nižší energií

Rekonexe magnetického pole Při přepojení tečou v difúzním regionu velké elektrické proudy, které zahřívají plazma. Energie magnetického pole je transformována do tepelné energie plazmatu. Horké plazma nadbytečnou energii intenzivně vyzařuje do okolí V některých situacích způsobí nestability opakované přepojení magnetických silokřivek s periodicky se opakujícími body nulového pole tvaru X a O.

Řízená 2D rekonexe (Sweetův-Parkerův model) V malé oblasti v okolí proudové vrstvy dochází k podstatnému zvýšení odporu taková oblast se nazývá difúzní region Na konci 60. let minulého století navrhli Sweet a Parker model řízené rekonexe, kde předpokládají, že platí

Sweet-Parker Parkerův model Sweetův-Parkerův model, je založen na třech předpokladech Rychlost vtékajícího plazmatu Rychlost vytékajícího plazmatu Vztah mezi oběma rychlostmi Index (rychlost řízené rekonexe)

Rychlá 2D rekonexe (Petschekův model) Idex řízené rekonexe je vyšší, nž samovolné, tj. probíhá rychleji, avšak některé děje jsou ještě rychlejší, než odpovídá tomuto modelu Proto H. Petschek navrhl v roce 1964 jiný model, kde k rekonexi dochází ve velmi malé oblasti, kde se ještě vytvoří rázová vlna, která celý proces urychlí Tento model je tedy schopen popsat některé procesy vedoucí k rychlé rekonexi, jeho význačným omezením je ale to, že se předpokládá malý difúzní region

Turbulentní rekonexe Rychlost rekonexe magnetického pole může urychlit ještě existence přítomnost vln a turbulence v plazmatu V modelu turbulentní rekonexe (GS95) lze nalézt index rekonexe jako Charakter difúzního regionu je fraktální, tj. struktury se na menších rozměrech opakují (až do Larmorova poloměru pro ionty)

Simulace turbulentní rekonexe Shibata a Tanuma (Earth, Planets, Space 53, 2001) navrhli schematický koncept tzv. fraktální rekonexe Bárta et al. použili AMR pro řešení tohoto problému

Simulace turbulentní rekonexe Bárta, M. - Büchner, J. - Karlický, M. - Skála, J.: Spontaneous Current-Layer Fragmentation and Cascading Reconnection in Solar Flares I: Model and Analysis., The Astrophysical Journal 737 (2011)

Rekonexe ve 3D Pokud má magnetické pole i výraznou složku kolmou na proudovou vrstvu, hovoříme o 3D rekonexi Situace může být podobná jako na následujícím obrázku Zatím jsou mechanizmy 3D rekonexe prozkoumány jen velmi málo Parnell, C.E., Smith, J.M. Neukirch, T. and Priest, E.R. ''The structure of threedimensional magnetic neutral points'' Physics of Plasmas, 3, No. 3: 759-770 (1996)

Vyvržen ení koronáln lní hmoty Je to oblak plazmatu vyvržený z koróny Slunce do meziplanetárního prostoru V případě srážky s magnetickým polem Země dochází nejen k polárním zářím, ale také geomagnetické bouře, které mohou vést k poruchám na telekomunkačních družicích, problémům v letecké dopravě nebo k poruchám rozvodných sítí elektrické energie

Magnetary Neutronová hvězda s mimořádně silným magnetickým polem až 10 12 T Povrch magnetaru tvoří kůra z neutronů a magnetického pole, ve které dochází k rekonexi, přičemž se uvolní značné množství energie, které zahřeje magnetickou korónu magnetaru Vznikne horký oblak elektron pozitronových párů (jsou zachyceny a drženy silným magnetickým polem ) a fotonů (fotony unikají v podobě vzplanutí RTG nebo gama záření) Někdy dojde ke katastrofické rekonexi magnetických silokřivek a k gigantickému záblesku, který je tisíckrát energetičtější než běžně se opakující vzplanutí. Zatím byly pozorovány tři takové případy (1979, 1998, 2004), v posledním byla uvolněná energie doposud nejvyšší, a to 10 39 J.

Magnetary

1. Magnetoakustické vlny v diagnostice erupční proudové vrstvy

Numerické simulace Počáteční perturbace v rychlosti

Grupová rychlost plazmových vln Pro výpočet grupové rychlosti plazmových vln, numericky řešíme pohybovou rovnici pro plazma kde

Grupová rychlost plazmových vln Předchozí diferenciální rovnici druhého řádu, můžeme přepsat na dvě rovnice prvního řádu:

Výsledky z numerických simulací Časový vývoj hustoty, waveletové spektrum příchozího signálu a grupová rychlost plazmových vln

Výsledky waveletová analýza Porovnání detekovaných signálů (vlevo) a odpovídajícící waveletová spektra (vpravo) pro dvě tloušťky Harrisova current sheetu; w CS = 0.50 Mm (horní řada) and w CS = 1.50 Mm (spodní řada). Data byla zaznamenávána v detekčním bodě L D = {L/2; H/2}.

Výsledky waveletová analýza Porovnání detekovaných signálů (vlevo) a odpovídajícící waveletová spektra (vpravo) pro dvě různé hodnoty β = 0.01 (hornířada) andβ= 0.05 (spodnířada). Data byla zaznamenávána v detekčním bodě L D = {L/2; H/2}.

Výsledky detekované signály Porovnání příchozích signálů ve vybraných detekčních L D = L/4, L/2, 3L/4 (horní, prostřední a spodní řada). Levý sloupec odpovídá poloze (H/2) a pravý poloze (3H/4) nad středem neutrální proudové vrstvy.

Výsledky waveletová analýza Časový vývoj a porovnání tadpole profilů ve třech různých detekčních bodech L D = L/4, L/2, 3L/4 (horni, prostřední, a spodnířada).

Diagnostika z hlediska erupcí Studovali jsme šíření magnetoakustických vln ve dvou strukturách Jednoduchý hustotní pás Harris current-sheet (neutrální proudová vrstva) Z globálního hlediska můžeme říci, že se magnetoakustické vlny v obou strukturách projevují velice podobně Nalezli jsme rozdíly pouze ve středových oblastech studovaných struktur, kde se nejvíce liší magnetické pole. Můžeme říci, že není jednoduché rozlišit, z hlediska diagnostiky, mezi oběma studovanými případy

Diagnostika z hlediska erupcí Z hlediska diagnostiky jsou nedůležitějšími nalezenými fakty periody mohou být použity k odhadu pološířek pozorovaných struktur tadpoles jsou delší a jejich hlavy jsou detekovány později když zvětšujeme vzdálenost mezi detekčním a petrurbačním bodem Z tohoto důvodu můžeme též odhadnout vzdálenost mezi rádiovým zdrojem, jehož modulovaný signál je analyzován a oblastí, kde byla daná magnetoakustická vlna inicializována

2. Harris current-sheet v gravitačním m poli a bez gravitačního pole

Harris current-sheet Řešili jsme numericky MHD rovnice (1)-(4) pomocí numerického kódu FLASH Do rovnice (2) je nutno přidat gravitační člen Počáteční pulz v rychlosti generuje se tzv. sausage mód

Harris CS bez a s gravitací

Harris CS MHD model

Výsledky detekovaný signál Detekované vlnové signály v L D Pološířka w CS = 1.0 Mm. = 50Mm, 60 Mm, and 70 Mm (nahoře, uprostřed a dole).

Výsledky waveletov ová analýza Časový vývoj wavelet tadpoles pro tři různé detekční body: L D = 50Mm, 60 Mm, and 70Mm nahoře, uprostřed a dole). Pološířka w CS = 1.0 Mm.

Signály + waveletov ová analýza Porovnání signálů a jejich odpovídající waveletová spektra ve třech různých detekčních bodech L D = 50Mm, 60 Mm, and 70Mm (nahoře, uprostřed a dole) pro případ nižší teploty. Pološířka w CS = 1.0 Mm.

Příklady Najděte vztahy pro výpočet rozložení hustoty a tlaku pro strukturu tzv. X-bodu, popsaného vektorovým potenciálem ve tvaru Vyjádřete podmínku rovnováhy current-sheetu v charakteristických rychlostech zvukové a Alfvénovy Určete tlak v centru a na okraji current-sheetu v erupci, víte-li, že n cs = 4.10 16 m -3, T = 1.10 7 K a plasma β = 0,1. Jaká je Alfvénova a zvuková rychlost v centru a na okraji takové struktury? Jaký je vztah mezi Alfvénovou a zvukovou rychlostí? Odhadněte za jak dlouho by vymizelo magnetické pole difúzí ze sluneční skvrny o poloměru 10 Mm a koeficient difúze je η = 10 3 m 2 s -1.

V textu byly použity některé obrázky a text z knihy: P. Kulhánek, Úvod do teorie plazmatu, AGA 2011, Praha.