Альфвеновская волна

Альфвеновская волна в плазме - это низкочастотные (по сравнению с ионной циклотронной частотой ) бегущие колебания ионов и магнитного поля . Массовая плотность ионов обеспечивает инерцию, а натяжение силовых линий магнитного поля обеспечивает восстанавливающую силу.

Волна распространяется в направлении магнитного поля, хотя волны существуют при наклонном падении и плавно переходят в магнитозвуковую волну, когда распространение перпендикулярно магнитному полю.

Движение ионов и возмущение магнитного поля происходят в одном направлении и поперек направления распространения. Волна бездисперсионная .

Низкочастотная относительная диэлектрическая проницаемость замагниченной плазмы ε определяется выражением ^[2]

${\ displaystyle \ varepsilon = 1 + {\ frac {c ^ {2} \ mu _ {0} \ rho} {B ^ {2}}}}$

где В представляет собой напряженность магнитного поля , с представляет собой скорость света , μ ₀ является проницаемостью в вакууме , а ρ = Σ п _ы т _ы является общей плотностью массы заряженных частиц плазмы. Здесь s распространяется на все виды плазмы, как электроны, так и (несколько типов) ионы.

Следовательно, фазовая скорость электромагнитной волны в такой среде равна

${\ displaystyle v = {\ frac {c} {\ sqrt {\ varepsilon}}} = {\ frac {c} {\ sqrt {1 + {\ dfrac {c ^ {2} \ mu _ {0} \ rho } {B ^ {2}}}}}}}$

или же

${\ displaystyle v = {\ frac {v_ {A}} {\ sqrt {1 + {\ dfrac {v_ {A} ^ {2}} {c ^ {2}}}}}}}$

где

${\ displaystyle v_ {A} = {\ frac {B} {\ sqrt {\ mu _ {0} \ rho}}}}$

- альфвеновская скорость . Если v « с , то v ≈ v . С другой стороны, когда v _A → ∞ , то v → c . То есть при высоком поле или низкой плотности скорость альфвеновской волны приближается к скорости света, и альфвеновская волна становится обычной электромагнитной волной.

Пренебрегая вкладом электронов в массовую плотность и предполагая, что существует один тип ионов, мы получаем

${\ displaystyle v_ {A} = {\ frac {B} {\ sqrt {\ mu _ {0} n_ {i} m_ {i}}}} ~~}$ в СИ

${\ displaystyle v_ {A} = {\ frac {B} {\ sqrt {4 \ pi n_ {i} m_ {i}}}} ~~}$ в Гауссе

${\ displaystyle v_ {A} \ приблизительно \ left (2,18 \ times 10 ^ {11} \, {\ mbox {cm s}} ^ {- 1} \ right) \ left ({\ frac {m_ {i}}) {m_ {p}}} \ right) ^ {- {\ frac {1} {2}}} \ left ({\ frac {n_ {i}} {{\ rm {cm}} ^ {- 3}}) } \ right) ^ {- {\ frac {1} {2}}} \ left ({\ frac {B} {\ rm {gauss}}} \ right)}$

где n _i - концентрация ионов, а m _i - масса иона.

В физике плазмы альфвеновское время τ _A является важной шкалой времени для волновых явлений. Это связано с альфвеновской скоростью следующим образом:

${\ displaystyle \ tau _ {A} = {\ frac {a} {v_ {A}}}}$

где а обозначает характерный масштаб системы. Например, a может быть малым радиусом тора в токамаке .

В 1993 году Гедалин вывел скорость альфвеновской волны, используя релятивистскую магнитогидродинамику ^[3], как

${\ displaystyle v = {\ frac {c} {\ sqrt {1 + {\ dfrac {e + P} {2P_ {m}}}}}}}}$

где e - полная плотность энергии частиц плазмы, P - полное давление плазмы, P _m =В ²/2 мк ₀- магнитное давление . В нерелятивистском пределе P ≪ e ≈ ρc ² , и мы немедленно восстанавливаем выражение из предыдущего раздела.

Проблема коронального нагрева

Изучение альфвеновских волн началось с проблемы нагрева короны , давнего вопроса гелиофизики . 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 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 предложил в Nature существование электромагнитно-гидродинамической волны, которая будет переносить энергию из фотосферы для нагрева короны и солнечного ветра . Он утверждал, что у солнца есть все необходимые критерии, чтобы поддерживать эти волны, и они, в свою очередь, могут быть причиной солнечных пятен. Он постановил:

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

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

-  Ханнес Альфвен, Существование электромагнитно-гидродинамических волн , ^[4]

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

Экспериментальные исследования и наблюдения

Зона конвекции Солнца, область под фотосферой, в которой энергия переносится в основном за счет конвекции , чувствительна к движению ядра из-за вращения Солнца. Вместе с изменяющимися градиентами давления под поверхностью электромагнитные колебания, возникающие в зоне конвекции, вызывают беспорядочное движение 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 энергию и часть электрически заряженной плазмы.

В начале 1990-х годов Де Понтье ^[5] и Хэрендель ^[6] предположили, что альфвеновские волны также могут быть связаны с плазменными струями, известными как спикулы . Было предположено, что эти короткие всплески перегретого газа переносятся объединенной энергией и импульсом их собственной восходящей скорости, а также осциллирующим поперечным движением альфвеновских волн. В 2007 году Томцызк и др. Впервые наблюдали альфвеновские волны, идущие к короне, но их предсказания не могли сделать вывод о том, что энергии, переносимой альфвеновскими волнами, было достаточно, чтобы нагреть корону до ее огромных температур для наблюдаемых амплитуды волн были недостаточно высокими. ^[7] Однако в 2011 г. McIntosh et al. 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 по сравнению с 0,5 км / с 2007 г.) содержали в сто раз больше энергии, чем наблюдаемые в 2007 г. ^[8] Короткий период волн также позволил передать больше энергии в атмосферу короны. Спикулы длиной 50 000 км также могут играть роль в ускорении солнечного ветра мимо короны. ^[9] Однако вышеупомянутые открытия альфвеновских волн в сложной атмосфере Солнца, начиная с эры Хиноде в 2007 году в течение следующих 10 лет, в основном относятся к сфере альфвеновских волн, по существу генерируемых как смешанная мода из-за поперечной структуризации магнитных и магнитных полей. свойства плазмы в локализованных жидкостных трубках. В 2009 году Джесс и др. ^[10] 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 альфвеновских волн в нижней части солнечной атмосферы. После основополагающей работы Джесс и др. (2009), в 2017 году Srivastava et al. ^[11] обнаружили существование высокочастотных крутильных альфвеновских волн в тонкоструктурных трубках солнечного хромосферного потока . Они обнаружили, что эти высокочастотные волны несут значительную энергию, способную нагревать корону Солнца, а также вызывать сверхзвуковой солнечный ветер. В 2018 году, используя наблюдения с помощью спектральных изображений , инверсии без ЛТР и экстраполяцию магнитных полей атмосфер солнечных пятен, Грант и др. ^{В [12] были} обнаружены свидетельства того, что эллиптически поляризованные альфвеновские волны образуют ударные волны быстрой моды во внешних областях хромосферной тени. Они предоставили количественную оценку степени физического тепла, обеспечиваемого рассеянием таких мод альфвеновских волн над пятнами активной области.

• 1942: Альфвен предполагает существование электромагнитно-гидромагнитных волн в статье, опубликованной в Nature 150, 405–406 (1942) .
• 1949: Лабораторные эксперименты С. Лундквиста производят такие волны в намагниченной ртути со скоростью, которая приближается к формуле Альфвена.
• 1949: Энрико Ферми использует альфвеновские волны в своей теории космических лучей . Согласно Александру Дж. Десслеру в статье журнала Science 1970 года , Ферми слушал лекцию в Чикагском университете, Ферми кивнул головой, воскликнув «конечно», а на следующий день мир физики сказал «конечно».
• 1950: Альфвен публикует первое издание своей книги « Космическая электродинамика» , в которой подробно рассматриваются гидромагнитные волны и обсуждается их применение как в лабораторной, так и в космической плазме.
• 1952: Дополнительное подтверждение появляется в экспериментах Уинстона Бостика и Мортона Левина с ионизированным гелием .
• 1954: Бо Ленерт создает альфвеновские волны в жидком натрии . ^[13]
• 1958: Юджин Паркер предлагает гидромагнитные волны в межзвездной среде .
• 1958: Бертольд, Харрис и Хоуп обнаруживают альфвеновские волны в ионосфере после ядерного испытания на Аргусе , вызванные взрывом, и движущиеся со скоростью, предсказанной формулой Альфвена.
• 1958: Юджин Паркер предполагает, что гидромагнитные волны в солнечной короне распространяются на солнечный ветер .
• 1959: Д. Ф. Джефкотт создает альфвеновские волны в газовом разряде. ^[14]
• 1959: CH Kelley и J. Yenser создают альфвеновские волны в окружающей атмосфере.
• 1960: Коулман и др. сообщить об измерении альфвеновских волн магнитометром на борту спутников Pioneer и Explorer . ^[15]
• 1961: Сугиура предлагает доказательства существования гидромагнитных волн в магнитном поле Земли. ^[16]
• 1961: Джеймсон изучает нормальные альфвеновские моды и резонансы в жидком натрии .
• 1966: РО Моц генерирует и наблюдает альвеновские волны в ртути . ^[17]
• 1970: Ханнес Альфвен получает Нобелевскую премию по физике 1970 года за «фундаментальные работы и открытия в магнитогидродинамике с плодотворными применениями в различных областях физики плазмы ».
• 1973: Юджин Паркер предлагает гидромагнитные волны в межгалактической среде .
• 1974: JV Hollweg предполагает существование гидромагнитных волн в межпланетном пространстве . ^[18]
• 1977: Мендис и Ип предполагают существование гидромагнитных волн в коме кометы Кохоутека . ^[19]
• 1984: Робертс и др. предсказывает наличие стоячих МГД волн в солнечной короне ^[20] и открывает поле корональной сейсмологии .
• 1999: Ашванден и др. ^[21] и Накаряков и др. сообщают об обнаружении затухающих поперечных колебаний солнечных корональных петель, наблюдаемых с помощью формирователя изображений EUV на борту Transition Region And Coronal Explorer ( TRACE ), интерпретируемых как стоячие изгибные (или "альвеновские") колебания петель. Это подтверждает теоретическое предсказание Roberts et al. (1984).
• 2007: Tomczyk et al. сообщил об обнаружении альвеновских волн на изображениях солнечной короны с помощью прибора Coronal Multi-Channel Polarimeter (CoMP) в Национальной солнечной обсерватории , Нью-Мексико. ^[22] Однако эти наблюдения оказались изломными волнами корональных плазменных структур. ^[23] [1] ^{[ постоянная мертвая ссылка ]} [2]
• 2007: В журнале Science был выпущен специальный выпуск о космической обсерватории Hinode . ^[24] Сигнатуры альфвеновских волн в корональной атмосфере наблюдали Сиртейн и др. ^[25] Окамото и др. ^[26] и Де Понтье и др. ^[27] Оценка плотности энергии наблюдаемых волн Де Понтье и др. показали, что энергии, связанной с волнами, достаточно, чтобы нагреть корону и ускорить солнечный ветер .
• 2008: Кагашвили и др. использует волновые колебания в качестве диагностического инструмента для обнаружения альфвеновских волн в солнечной короне. ^[28]
• 2009: Джесс и др. обнаруживать торсионные альвеновские волны в структурированной хромосфере Солнца с помощью шведского солнечного телескопа . ^[10]
• 2011: показано, что альфвеновские волны распространяются в жидком металлическом сплаве из галлия . ^[29]
• 2017: 3D численное моделирование, выполненное Srivastava et al. показывают, что высокочастотные (12–42 мГц) альфвеновские волны, обнаруженные Шведским солнечным телескопом, могут нести значительную энергию для нагрева внутренней короны Солнца. ^[11]
• 2018: Используя наблюдения спектральных изображений, инверсии без ЛТР и экстраполяцию магнитного поля атмосфер солнечных пятен, Грант и др. обнаружили свидетельства того, что эллиптически поляризованные альфвеновские волны образуют ударные волны быстрой моды во внешних областях хромосферной теневой атмосферы. Впервые эти авторы представили количественную оценку степени физического тепла, обеспечиваемого рассеянием таких мод альфвеновских волн. ^[12]

11. Электромагнитодинамика жидкостей У. Ф. Хьюзом и Ф. Дж. Янгом, стр. 159 - 161, с. 308, стр. 311, стр. 335, стр. 446 John Wiley & Sons, Нью-Йорк, LCCC # 66-17631

• Альфвен, Х. (1942), "Существование электромагнитных волн-гидродинамическая", Природа , 150 (3805): 405-406, Bibcode : 1942Natur.150..405A , DOI : 10.1038 / 150405d0 , S2CID  4072220
• Альфвен, Х. (1981), Cosmic Plasma , Голландия: Reidel, ISBN 978-90-277-1151-9
• Ашванден, MJ; Fletcher, L .; Schrijver, CJ; Александр, Д. (1999), "Колебания корональной петли, наблюдаемые с помощью переходной области и коронального исследователя" (PDF) , The Astrophysical Journal , 520 (2): 880–894, Bibcode : 1999ApJ ... 520..880A , doi : 10.1086 / 307502
• Бертольд, В.К .; Харрис, AK; Хоуп, Х.Дж. (1960), «Мировые эффекты гидромагнитных волн из-за Аргуса», Журнал геофизических исследований , 65 (8): 2233–2239, Bibcode : 1960JGR .... 65.2233B , doi : 10.1029 / JZ065i008p02233
• Bostick, Winston H .; Левин, Мортон А. (1952), "Экспериментальная демонстрация в лаборатории существования магнитогидродинамических волн в ионизированном гелии", Physical Review , 87 (4): 671, Bibcode : 1952PhRv ... 87..671B , doi : 10.1103 / PhysRev.87.671
• Coleman, PJ, Jr .; Sonett, CP; Судья, DL; Смит, EJ (1960), «Некоторые предварительные результаты эксперимента с магнитометром Pioneer V», Journal of Geophysical Research , 65 (6): 1856–1857, Bibcode : 1960JGR .... 65.1856C , doi : 10.1029 / JZ065i006p01856
• Крамер, Н.Ф .; Владимиров, С.В. (1997), "Альфвеновские волны в пыльных межзвездных облаках" , Публикации Астрономического общества Австралии , 14 (2): 170–178, Bibcode : 1997PASA ... 14..170C , doi : 10.1071 / AS97170
• Десслер, AJ (1970), "шведский бунтарь признал после многих лет неприятия и неизвестности", Science , 170 (3958): 604-606, Bibcode : 1970Sci ... 170..604D , DOI : 10.1126 / science.170.3958. 604 , PMID  17799293
• Falceta-Gonçalves, D .; Джатенко-Перейра, В. (2002), "Эффекты альфвеновских волн и радиационного давления в пылевых ветрах звезд поздних типов", Astrophysical Journal , 576 (2): 976–981, arXiv : astro-ph / 0207342 , Bibcode : 2002ApJ ... 576..976F , DOI : 10,1086 / 341794 , S2CID  429332
• Ферми, Э. (1949), «О происхождении космического излучения», Physical Review , 75 (8): 1169–1174, Bibcode : 1949PhRv ... 75.1169F , doi : 10.1103 / PhysRev.75.1169 , S2CID  7070907
• Галтье, С. (2000), "Теория слабой турбулентности для магнитогидродинамики несжимаемой жидкости", J. Plasma Physics , 63 (5): 447–488, arXiv : astro-ph / 0008148 , Bibcode : 2000JPlPh..63..447G , DOI : 10,1017 / S0022377899008284 , S2CID  15528846
• Hollweg, JV (1974), "Гидромагнитные волны в межпланетном пространстве", Публикации Тихоокеанского астрономического общества , 86 (октябрь 1974): 561–594, Bibcode : 1974PASP ... 86..561H , doi : 10.1086 / 129646
• Ip, W.-H .; Mendis, DA (1975), "Кометное магнитное поле и связанные с ним электрические токи", Icarus , 26 (4): 457–461, Bibcode : 1975 Icar ... 26..457I , doi : 10.1016 / 0019-1035 (75 ) 90115-3
• Jephcott, DF (1959), "Альвеновские волны в газовом разряде", Природа , 183 (4676): 1652-1654, Bibcode : 1959Natur.183.1652J , DOI : 10.1038 / 1831652a0 , S2CID  11487078
• Ленерт, Бо (1954), "Магнитогидродинамические волны в жидком натрии", Physical Review , 94 (4): 815–824, Bibcode : 1954PhRv ... 94..815L , doi : 10.1103 / PhysRev.94.815
• Lundquist, S. (1949), "Экспериментальные исследования магнитогидродинамических волн", Physical Review , 76 (12): 1805–1809, Bibcode : 1949PhRv ... 76.1805L , doi : 10.1103 / PhysRev.76.1805
• Mancuso, S .; Спенглер, С.Р. (1999), "Наблюдения за вращением корональной фазы Фарадея: измерения и пределы неоднородностей плазмы", The Astrophysical Journal , 525 (1): 195–208, Bibcode : 1999ApJ ... 525..195M , doi : 10.1086 / 307896
• Моц, РО (1966), «Генерация альвеновских волн в сферической системе», Физика жидкостей , 9 (2): 411–412, Bibcode : 1966PhFl .... 9..411M , doi : 10.1063 / 1.1761687
• Накаряков ВМ; Ofman, L .; Deluca, EE; Робертс, В .; Давила, JM (1999), "TRACE наблюдение затухающих колебаний корональных петель: последствия для нагрева короны", Science , 285 (5429): 862-864, Bibcode : 1999Sci ... 285..862N , DOI : 10.1126 / наука. 285.5429.862 , PMID  10436148
• Ofman, L .; Ван, Т.Дж. (2008), «Наблюдения Hinode поперечных волн с потоками в корональных петлях», Астрономия и астрофизика , 482 (2): L9 – L12, Bibcode : 2008A & A ... 482L ... 9O , doi : 10.1051 / 0004 -6361: 20079340
• Отани, Н.Ф. (1988a), «Ионно-циклотронная неустойчивость Альфвена, теория и методы моделирования», Журнал вычислительной физики , 78 (2): 251–277, Bibcode : 1988JCoPh..78..251O , doi : 10.1016 / 0021 -9991 (88) 90049-6
• Отани, Н.Ф. (1988b), "Применение нелинейных динамических инвариантов в одиночной электромагнитной волне к исследованию альфвеновско-ионно-циклотронной неустойчивости", Физика жидкостей , 31 (6): 1456–1464, Bibcode : 1988PhFl ... 31.1456O , DOI : 10,1063 / 1,866736
• Паркер, EN (1955), "Гидромагнитные волны и ускорение космических лучей", Physical Review , 99 (1): 241–253, Bibcode : 1955PhRv ... 99..241P , doi : 10.1103 / PhysRev.99.241
• Parker, EN (1958), "сверхтепловым поколение частиц в солнечной короне", Astrophysical Journal , 128 : 677, Bibcode : 1958ApJ ... 128..677P , дои : 10,1086 / 146580
• Паркер, EN (1973), «Внегалактические космические лучи и галактическое магнитное поле», Astrophysics and Space Science , 24 (1): 279–288, Bibcode : 1973Ap & SS..24..279P , doi : 10.1007 / BF00648691 , S2CID  119623745
• Зильберштейн, М .; Отани, Н.Ф. (1994), "Компьютерное моделирование альфвеновских волн и двойных слоев вдоль силовых линий полярного магнитного поля" (PDF) , Журнал геофизических исследований , 99 (A4): 6351–6365, Bibcode : 1994JGR .... 99.6351S , DOI : 10,1029 / 93JA02963
• Сугиура, Масахиса (1961), «Некоторые свидетельства существования гидромагнитных волн в магнитном поле Земли», Physical Review Letters , 6 (6): 255–257, Bibcode : 1961PhRvL ... 6..255S , doi : 10.1103 / PhysRevLett. 6,255
• Tomczyk, S .; Макинтош, ЮАР; Кейл, SL; Судья, П.Г. Schad, T .; Сили, DH; Edmondson, J. (2007), "Волны в солнечной короне", Science , 317 (5842): 1192-1196, Bibcode : 2007Sci ... 317.1192T , DOI : 10.1126 / science.1143304 , PMID  17761876 , S2CID  45840582
• Van Doorsselaere, T .; Накаряков ВМ; Вериджте, Э. (2008), «Обнаружение волн в солнечной короне: излом или альфвен?», Астрофизический журнал , 676 (1): L73 – L75, Bibcode : 2008ApJ ... 676L..73V , CiteSeerX  10.1. 1.460.1896 , DOI : 10,1086 / 587029
• Вашегани Фарахани, S .; Van Doorsselaere, T .; Verwichte, E .; Накаряков В.М. (2009), "Распространение поперечных волн в мягких рентгеновских корональных струях", Астрономия и астрофизика , 498 (2): L29 – L32, Bibcode : 2009A & A ... 498L..29V , doi : 10.1051 / 0004- 6361/200911840
• Джесс, Дэвид Б.; Матиудакис, Михалис; Эрдейи, Роберт; Крокетт, Филип Дж .; Кинан, Фрэнсис П .; Кристиан, Дамиан Дж. (2009), «Альфвеновские волны в нижней части солнечной атмосферы», Science , 323 (5921): 1582–1585, arXiv : 0903.3546 , Bibcode : 2009Sci ... 323.1582J , doi : 10.1126 / science.1168680 , ЛВП : 10211,3 / 172550 , PMID  19299614 , S2CID  14522616
• Шривастава, Абхишек К .; Шетье, Джуи; Муравски, Кшиштоф; Дойл, Джон Джерард; Стангалини, Марко; Скаллион, Эамон; Рэй, Том; Войчик, Дариуш Патрик; Двиведи, Бхола Н. (2017), «Высокочастотные крутильные альфвеновские волны как источник энергии для нагрева короны», Scientific Reports , 7 : id.43147, Bibcode : 2017NatSR ... 743147S , doi : 10.1038 / srep43147 , PMC  5335648 , PMID  28256538
• Грант, Сэмюэл Д. Т.; Джесс, Дэвид Б.; Закарашвили, Теймураз В .; Бек, Кристиан; Сокас-Наварро, Гектор; Ашванден, Маркус Дж .; Ключи, Питер Х .; Кристиан, Дамиан Дж .; Хьюстон, Скотт Дж .; Хьюитт, Ребекка Л. (2018), «Диссипация волн Альфвена 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
• Муртаза, Гулам. «Распространение альвеновских волн в пылевых атомах» (PDF) . NCP . Дата обращения 9 мая 2020 .

• Обнаружена таинственная рябь на Солнце Дэйв Мошер 2 сентября 2007 г. Space.com
• EurekAlert! уведомление от 7 декабря 2007 г. Специальный выпуск " Наука"
• EurekAlert! уведомление: «Ученые нашли решение солнечной головоломки»