Удары и разрывы представляют собой переходные слои, в которых свойства плазмы изменяются от одного состояния равновесия к другому. Связь между свойствами плазмы по обе стороны от скачка уплотнения или разрыва может быть получена из консервативной формы уравнений магнитной гидродинамики ( МГД ), предполагающей сохранение массы, импульса, энергии и.
Условия скачка Ренкина – Гюгонио для МГД.
Условия скачка через не зависящую от времени МГД ударную волну или разрыв называют уравнениями Ренкина – Гюгонио для МГД. В системе, движущейся с скачком / скачком, эти условия скачка можно записать:
где , v , p, B - плотность , скорость , (тепловое) давление и магнитное поле плазмы соответственно. Индексы t и n относятся к касательной и нормальной компонентам вектора (по отношению к фронту скачка уплотнения / разрыва). Индексы 1 и 2 относятся к двум состояниям плазмы по обе стороны от скачка / разрыва.
Контактные и тангенциальные разрывы
Контактные и тангенциальные разрывы представляют собой переходные слои, через которые перенос частиц отсутствует. Таким образом, в кадре, движущемся с разрывом,.
Контактные разрывы - это неоднородности, для которых тепловое давление, магнитное поле и скорость непрерывны. Меняются только массовая плотность и температура.
Касательные разрывы - это разрывы, для которых сохраняется полное давление (сумма теплового и магнитного давлений ). Нормальная составляющая магнитного поля тождественно равна нулю. Плотность, тепловое давление и тангенциальная составляющая вектора магнитного поля могут быть прерывистыми по всему слою.
Шоки
Удары - это переходные слои, через которые происходит перенос частиц. В MHD есть три типа ударов: медленные, промежуточные и быстрые.
Промежуточные скачки уплотнения не сжимающие (это означает, что плотность плазмы не изменяется поперек скачка уплотнения). Частный случай промежуточного скачка уплотнения называется вращательным разрывом. Они изэнтропичны . Все термодинамические величины непрерывны в толчке, но тангенциальная составляющая магнитного поля может «вращаться». Однако промежуточные толчки в целом, в отличие от вращательных разрывов, могут приводить к разрыву давления.
Удары в медленном и быстром режиме являются сжимающими и связаны с увеличением энтропии . Поперек медленной ударной волны тангенциальная составляющая магнитного поля уменьшается. При ударе в быстром режиме он увеличивается.
Тип толчков зависит от относительной величины восходящей скорости в раме, движущейся вместе с скачком, относительно некоторой характерной скорости. Эти характерные скорости, медленные и быстрые магнитозвуковые скорости, связаны со скоростью Альвена ,и скорость звука , следующим образом:
где скорость Альфвена и - угол между падающим магнитным полем и вектором нормали к скачку.
Нормальная составляющая медленного скачка распространяется со скоростью в системе, движущейся с восходящей плазмой, - плазма промежуточного скачка со скоростью и быстрой ударной волны со скоростью . Волны быстрой моды имеют более высокие фазовые скорости, чем волны медленной моды, потому что плотность и магнитное поле находятся в фазе, тогда как компоненты волны медленной моды не совпадают по фазе.
Пример толчков и разрывов в космосе
- Ударная волна на головной части Земли , которая является границей, на которой скорость солнечного ветра падает из-за присутствия магнитосферы Земли, представляет собой ударную волну быстрой моды. Завершающая ударная волна представляет собой ударную волну быстрой моды из-за взаимодействия солнечного ветра с межзвездной средой .
- Магнитное пересоединение может произойти, связанное с ударной волной в медленной моде (Петчека или быстрое магнитное пересоединение) в солнечной короне . [1]
- Существование промежуточных шоков до сих пор остается предметом дискуссий. Они могут образовываться при моделировании МГД , но их стабильность не доказана.
- Разрывы (как контактные, так и тангенциальные) наблюдаются в солнечном ветре, за астрофизическими ударными волнами ( остатком сверхновой ) или из-за взаимодействия нескольких ударных волн, вызванных КВМ .
- Магнитопауза Земли обычно представляет собой тангенциальный разрыв. [2]
- Корональные выбросы массы (CME), движущиеся со сверхальфвеновскими скоростями, способны вызывать МГД-толчки быстрой моды, распространяясь от Солнца в солнечный ветер. Сигнатуры этих толчков были идентифицированы как в радио (как радиовсплески типа II), так и в ультрафиолетовом (УФ) спектрах. [3]
Смотрите также
Рекомендации
Оригинальные исследования МГД ударных волн можно найти в следующих статьях.
- Герлофсон, Н. (1950). «Магнитогидродинамические волны в проводнике сжимаемой жидкости». Природа . ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 165 (4208): 1020–1021. DOI : 10.1038 / 1651020a0 . ISSN 0028-0836 .
- De Hoffmann, F .; Теллер, Э. (15 ноября 1950 г.). «Магнитогидродинамические удары». Физический обзор . Американское физическое общество (APS). 80 (4): 692–703. DOI : 10.1103 / Physrev.80.692 . ISSN 0031-899X .
- Хелфер, Х. Лоуренс (1953). «Магнитогидродинамические ударные волны». Астрофизический журнал . IOP Publishing. 117 : 177. DOI : 10,1086 / 145675 . ISSN 0004-637X .
- Фридрихс, К.О. "Нелинейное волновое движение в магнитной гидродинамике", Los Alamos Sci. Лаборатория. Отчет LAMS-2105 (Физика), написанный в сентябре 1954 г., распространен в марте 1957 г. См. Также несколько исправленную и более доступную версию этого отчета, написанную совместно с Х. Кранцером, Заметки по магнитогидродинамике, VIII, Нелинейное волновое движение, AEC Computing and Applied Математический центр Института математических наук Нью-Йоркского университета, отчет № NYO-6486 (1958).
- «Структура магнитогидродинамических ударных волн». Труды Лондонского королевского общества. Серия А. Математические и физические науки . Королевское общество. 233 (1194): 367–376. 29 декабря 1955 г. doi : 10.1098 / rspa.1955.0272 . ISSN 0080-4630 .
- Базер, Дж. (1958). "Разрешение начального разрыва сдвигового потока в одномерном потоке гидромагнитов". Астрофизический журнал . IOP Publishing. 128 : 686. DOI : 10,1086 / 146581 . ISSN 0004-637X .
- Bazer, J .; Эриксон, WB (1959). «Гидромагнитные удары». Астрофизический журнал . IOP Publishing. 129 : 758. DOI : 10,1086 / 146673 . ISSN 0004-637X .
- Sears, WR (1 октября 1960 г.). «Некоторые замечания о потоке мимо тел». Обзоры современной физики . Американское физическое общество (APS). 32 (4): 701–705. DOI : 10,1103 / revmodphys.32.701 . ISSN 0034-6861 .
- Град, Гарольд (1 октября 1960 г.). «Приводимые задачи в установившихся магнитожидкостных динамических потоках». Обзоры современной физики . Американское физическое общество (APS). 32 (4): 830–847. DOI : 10,1103 / revmodphys.32.830 . ISSN 0034-6861 .
Ссылки на учебники.
- Э. Прист, " Солнечная магнитогидродинамика " (глава 5), Дордрехт, 1987.
- Т. Гомбози " Физика космической среды " (глава 6), Cambridge University Press, 1998.
- ^ HE Petschek, Аннигиляция магнитного поля в физике солнечных вспышек, Труды симпозиума AAS-NASA, состоявшегося 28–30 октября 1963 года в Центре космических полетов Годдарда, Гринбелт, штат Мэриленд. Под редакцией Уилмота Н. Гесса. Вашингтон, округ Колумбия: Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства, Отдел науки и технической информации, 1964 г., стр. 425.
- ^ Магнитопауза Бельгийский институт космической аэрономии
- ^ С. Манкузо и др., UVCS / SOHO наблюдения ударной волны, вызванной КВМ: последствия для механизмов нагрева ионов за корональным ударом , Astronomy and Astrophysics, 2002, v.383, p.267-274