2.3. Магнитное пересоединение и генерация высокоскоростных потоков плазмы в токовых слоях, развивающихся в лабораторных условиях

     руководители    Франк А.Г., ИОФ РАН;   Островская Г.В., ФТИ РАН

 
1.  Фундаментальная научная проблема, на решение которой направлен проект:  
     Магнитное пересоединение в токовых слоях и трансформация магнитной энергии в энергию плазмы и ускоренных частиц
 
2. Конкретная фундаментальная задача (задачи) в рамках проблемы, на решение которой направлен проект:
     Наиболее мощные проявления солнечной активности – вспышки и корональные выбросы массы (CMEs) зарождаются в активных областях Солнца, которые обладают сложной магнитной структурой и сильным магнитным полем. Источником энергии, выделяющейся при развитии CMEs и во вспышках, являются непотенциальные магнитные поля, которые создаются электрическими токами в солнечной короне. Несмотря на широкое развитие исследований в космосе, многие вопросы, связанные с природой вспышек и CMEs остаются неясными, в том числе вопрос о причинно-следственных связях CMEs и вспышек. Определенный вклад в эти проблемы могут внести лабораторные эксперименты, которые позволяют многократно воспроизводить изучаемые явления, контролировать и варьировать условия эксперимента, проводить детальные комплексные исследования с помощью современных методов диагностики плазмы. Известно, что формирование протяженных токовых слоев в высокопроводящей плазме приводит к концентрации значительного запаса магнитной энергии, а её преобразование в другие виды в процессах магнитного пересоединения может протекать как сравнительно медленно, в течение всего времени существования метастабильного слоя, так и взрывным образом – при разрыве слоя. В последнее время в лабораторных токовых слоях была обнаружена генерация сверхальфвеновских сверхтепловых потоков плазмы, которые возникают в течение метастабильной стадии эволюции слоя, т.е. ещё до начала или даже в отсутствие вспышечного процесса. Конкретные фундаментальные задачи, на решение которых направлен проект, состоят в экспериментальных исследованиях преобразования магнитной энергии в сильноточных токовых слоях, определении корреляций и причинно-следственных связей между особенностями структуры магнитных полей, токов и электродинамических сил с характеристиками высокоскоростных плазменных потоков и возможностями реализации вспышечных явлений. Подчеркнем, что между основными физическими процессами в лабораторных токовых слоях и вспышечными явлениями в космической плазме имеется качественная аналогия. Поэтому результаты, которые будут получены в рамках проекта, будут способствовать познанию природы нестационарных астрофизических явлений, оказывающих существенное влияние на состояние межпланетного пространства, на атмосферу Земли и планет и, в конечном счете, на «космическую погоду».
 
3. Предлагаемые методы и подходы:
     Проект будет выполняться методами экспериментальной физики, с использованием установки ТС-3D (ИОФ РАН), современных методов диагностики плазмы и обработки данных. Будут проведены комплексные экспериментальные исследования магнитоплазменных процессов в токовых слоях, которые формируются в различных трехмерных (3D) и двумерных (2D) магнитных конфигурациях. Будут исследованы структура и динамика токовых слоев в зависимости от условий их развития, пространственно-временные характеристики высокоскоростных потоков плазмы и электродинамических сил, которые могут приводить к ускорению плазмы. Изучение магнитных полей токовых слоев будет ориентировано на выяснение структуры токов и электродинамических сил, а также на поиск условий перехода токового слоя от метастабильного состояния к импульсной фазе магнитного пересоединения, т.е. к разрыву слоя. Энергии потоков плазмы, температуры ионов и электронов, концентрация плазмы будут определяться на основе методов спектроскопии; 2D распределения концентрации электронов и структура плазмы – методом голографической интерферометрии; характеристики ускоренных электронов – с помощью детекторов рентгеновского излучения. Сопоставление структуры электродинамических сил с характеристиками потоков плазмы будут направлены на изучение механизмов ускорения в токовых слоях, сформированных в разных 3D и 2D магнитных конфигурациях, при различной концентрации и массовом составе начальной плазмы. Планируется также выяснение причинно-следственных связей между особенностями генерации потоков плазмы в токовых слоях и возможностями реализации вспышечных процессов.
 
4. Ожидаемые в конце 2012 года научные результаты:
     На основе измерений магнитных полей будут получены данные о пространственно-временной эволюции электрических токов и электродинамических сил в токовых слоях, которые формируются в различных условиях и в различных магнитных конфигурациях. Будет разработана и апробирована специальная компьютерная программа для получения оперативной информации о пространственно-временных изменениях распределений токов плазмы и электродинамических сил. Будут проведены измерения профилей наиболее интенсивных эмиссионных спектральных линий плазмы токового слоя, которые могут быть уширены как за счет эффекта Доплера, так и эффекта Штарка. Измерения будут проведены с улучшенным пространственным разрешением, при регистрации излучения в разных направлениях относительно токового слоя, что позволит определить и направленные, и тепловые скорости плазмы.
 
5. Современное состояние исследований в данной области науки, сравнение ожидаемых результатов с мировым уровнем:
     В последние годы лабораторные эксперименты, в которых изучаются процессы магнитного пересоединения, получили новое развитие, в основном за рубежом, в США, Японии и Китае, где создаются новые установки, предназначенные как для фундаментальных исследований, так и для моделирования процессов в космосе. Вместе с тем, научные результаты, полученные авторами проекта, находятся на мировом уровне, они хорошо известны, признаны российским и мировым научным сообществом, неоднократно представлялись в виде приглашенных и обзорных докладов на международных и российских конференциях. Реализация проекта позволит сохранить высокий уровень исследований, а результаты, ожидаемые в рамках выполнения проекта, будут находиться на мировом уровне.
 
6. Имеющийся у коллектива научный задел по предлагаемому проекту; полученные ранее результаты, разработанные методы, технологии и системы:
     Научный задел по проекту был получен на основе исследований динамики сильноточных токовых слоев, в том числе в рамках Программы ОФН-15. В результате было обнаружено:

  •    Токовые слои, концентрирующие значительный запас магнитной энергии, могут развиваться и в 2D, и в 3D магнитных конфигурациях с особыми линиями X типа, в том числе в присутствии сильной продольной компоненты магнитного поля, направленной вдоль X линии. Формирование токового слоя сопровождается эффективным сжатием плазмы и усилением продольной компоненты в пределах слоя;
  •    Поперечное магнитное поле токового слоя содержит X линию, как и исходная магнитная конфигурация, что способствует генерации токов Холла и ускорению плазмы вдоль поверхности токового слоя;
  •    Ионы плазмы последовательных степеней ионизации локализованы в различных, пространственно разнесенных областях токового слоя;
  •    Регистрация двух или нескольких спектральных линий одного и того же иона или атома, которые в различной степени чувствительны к доплер- и штарк-эффекту, позволяет определять и скорости ионов, и концентрацию плазмы (либо напряженности неравновесных электрических полей);
  •    Получены первые результаты, свидетельствующие о генерации сверхтепловых потоков плазмы в токовых слоях;
  •    Разработан и апробирован метод регистрации пространственно-временные изменений магнитных полей токовых слоев в течение одного импульса работы экспериментальной установки на основе многоканальных магнитных измерений. = Разработано программное обеспечение для оперативной обработки результатов магнитных измерений и графического отображения пространственных распределений различных компонент магнитного поля и их изменений во времени.
  •    Разработана и создана двухканальная система регистрации профилей спектральных линий за один импульс работы установки. Профили записываются с помощью цифровой программируемой электронно-оптической камеры Nanogate-1UF с усилителем яркости на основе МКП и с ПЗС-матрицей в качестве приемника излучения.

7. Список основных публикаций научного коллектива, наиболее близко относящихся к предлагаемому проекту (не более 5):

  •    С.Ю. Богданов, Г.В. Дрейден, В.С. Марков, Г.В. Островская, А.Г. Франк. Проявления двухжидкостных свойств плазмы при формировании токовых слоев в тяжелых инертных газах – исследования методом голографической интерферометрии // Физика плазмы 2007. Т. 33. С. 1014-1027.
  •    Г.С. Воронов, Н.П. Кирий, В.С. Марков, Г.В. Островская, А.Г. Франк. Спектроскопические измерения температуры электронов, температуры и эффективного заряда ионов в токовых слоях, сформированных в двумерных и трехмерных магнитных конфигурациях // Физика плазмы 2008. Т. 34. С. 1080-1097.
  •     А.Г. Франк. Динамика токовых слоев как основа вспышечных явлений в замагниченной плазме. // УФН 2010. Т. 180(9). C. 982-988.
  •     А.Г. Франк, С.Н. Сатунин. Эволюция структуры электрических токов и электродинамических сил в токовых слоях // Физика плазмы 2011. Т. 37. С. 889-908.
  •     Н.П. Кирий, В.С. Марков, А.Г. Франк. Генерация сверхтепловых потоков плазмы в токовых слоях // Письма в ЖЭТФ 2012. Т. 95(1). C. 17-22.

8. Список основных публикаций руководителя проекта в рецензируемых журналах (не более 3):

  •    A.G. Frank, N.P. Kyrie, S.N. Satunin. Plasma dynamics in laboratory-produced current sheets // Physics of Plasmas 2011. V. 18(11). P 111209(1-9).
  •    A.G. Frank, S.G. Bugrov, V.S. Markov. Enhancement of the guide field during the current sheet formation in the three-dimensional magnetic configuration with an X line // Physics Letters A 2009. V. 373(16). P. 1460-1464.
  •    A.G. Frank, S.G. Bugrov, V.S. Markov. Hall currents in a current sheet: structure and dynamics // Physics of Plasmas 2008. V. 15(9), P. 092102 (1-10).