Novosibirsk, Russian Federation
Novosibirsk, Russian Federation
Novosibirsk, Russian Federation
Novosibirsk, Russian Federation
Novosibirsk, Russian Federation
Novosibirsk, Russian Federation
Novosibirsk, Russian Federation
Novosibirsk, Russian Federation
The paper deals with generation of Alfven plasma disturbances in magnetic flux tubes through exploding laser plasma in magnetized background plasma. Processes with similar effect of excitation of torsion-type waves seem to provide energy transfer from the solar photosphere to corona. The studies were carried out at experimental stand KI-1 represented a high-vacuum chamber of 1.2 m diameter, 5 m long, external magnetic field up to 500 Gs along the chamber axis, and up to 2·10–6 Torr pressure in operating mode. Laser plasma was produced when focusing the CO2 laser pulse on a flat polyethylene target, and then the laser plasma propagated in θ-pinch background hydrogen (or helium) plasma. As a result, the magnetic flux tube of 15–20 cm radius was experimentally simulated along the chamber axis and the external magnetic field direction. Also, the plasma density distribution in the tube was measured. Alfven wave propagation along the magnetic field was registered from disturbance of the magnetic field transverse component Bφ and field-aligned current Jz. The disturbances propagate at near-Alfven velocity of 70–90 km/s and they are of left-hand circular polarization of the transverse component of magnetic field. Presumably, Alfven wave is generated by the magnetic laminar mechanism of collisionless interaction between laser plasma cloud and background. The right-hand polarized high-frequency whistler predictor was registered which have been propagating before Alfven wave at 300 km/s velocity. The polarization direction changed with Alfven wave coming. Features of a slow magnetosonic wave as a sudden change in background plasma concentration along with simultaneous displacement of the external magnetic field were found. The disturbance propagates at ~20–30 km/s velocity, which is close to that of ion sound at low plasma beta value. From preliminary estimates, the disturbance transfers about 10 % of the original energy of laser plasma.
Solar corona heating, magnetic flux tubes, Alfven waves, slow magnetosonic waves, whist-lers, magnetic laminar mechanism.
ВВЕДЕНИЕ
Широко известной проблемой при исследованиях Солнца является проблема нагрева солнечной короны. Температура солнечной поверхности (фотосферы) составляет приблизительно 5800 °C, в то время как температура солнечной короны превосходит ее на несколько порядков [Прист, 1985]. Существуют различные гипотезы, объясняющие нагрев солнечной короны до столь высоких температур. Одна из гипотез предполагает перенос энергии от поверхности Солнца к короне посредством распространяющихся в плазме альфвеновских волн (АВ) или медленных магнитозвуковых (ММЗ) волн. Данные волны распространяются в плазме, находящейся во внешнем магнитном поле. Частицы плазмы движутся преимущественно вдоль силовых линий магнитного поля и при достаточной напряженности поля образуют так называемую магнитную плазменную трубку вдоль силовой линии. В данной работе приведены результаты эксперимента по моделированию плазменных процессов в трубках, имеющих начало и конец в фотосфере, но большей частью находящихся в атмосфере Солнца (в короне). В целом модельные эксперименты посвящены исследованию генерации альфвеновских и ММЗ-волн (и, возможно, сопутствующих ударных волн) на стенде КИ-1 при инжекции сгустков лазерной плазмы (ЛП) в конусе с раствором ~1 ср и осью вдоль магнитного поля В0 (начальная конфигурация облака ЛП имеет вид направленного взрыва), что характерно для процессов генерации и распространения ММЗ-волн и АВ в солнечной атмосфере. Помимо них в ходе экспериментов были получены данные о быстрых высокочастотных возмущениях — электронных вистлерах, распространяющихся в магнитных трубках со скоростью больше альфвеновской и предшествующих АВ и ММЗ-волнам.
Одной из основных целей данных модельных опытов являлось исследование возможности генерации АВ торсионного типа и их распространения в условиях плазменных структур, имитирующих магнитные трубки в солнечной атмосфере. Такие волны, генерируемые вращательными движениями (по азимуту) на поверхности фотосферы [Antolin, Shibata, 2010], в настоящее время считаются одними из наиболее эффективных источников нагрева короны [De Moortel, Nakaryakov, 2012; Antolin et al., 2015; Okamoto et al., 2015]. Основанием для новых модельных экспериментов данного типа на стенде КИ-1 послужили расчеты [Тищенко, Шайхисламов, 2010, 2014; Тищенко и др., 2014, 2015] формирования цилиндрических каналов вдоль магнитного поля (наподобие магнитной трубки), внутри которых распространялись сгустки ЛП (вместе с генерируемыми ими АВ и ММЗ-волнами), а также результаты предшествующих экспериментов с ЛП [Антонов и др., 1985; Захаров и др., 2006; Шайхисламов и др., 2015] по моделированию различных нестационарных процессов в космической плазме [Вшивков и др., 1987; Brady et al., 2009; Dudnikova et al., 1990; Mourenas et al., 2006; Ponomarenko et al., 2007, 2008; Zakharov, 2002, 2003; Zakharov et al., 2009]. Эксперименты по генерации и распространению торсионных альфвеновских волн (ТАВ) проводились и ранее, но только в фоновой плазме (ФП) с размерами L поперек поля, сравнимыми с антенной [Muller, 1974] или стенками камеры [Wilcox et al., 1961], либо при больших L, но в отсутствие магнитно-плазменных структур типа магнитной трубки, т. е. скорее в однородной безграничной ФП [Yagai et al., 2003] с собственными дисперсионными и поляризационными характеристиками ТАВ.
Другой новой и важной проблемой моделирования ТАВ является сам способ генерации именно торсионных АВ, который по возможности должен наиболее близко физически соответствовать натурным условиям — сдвигово-поворотным смещениям силовых линий магнитного поля (в фотосфере). В этом отношении наиболее перспективным является так называемый магнитный ламинарный механизм (МЛМ) бесстолкновительного взаимодействия [Башурин и др., 1983] сверхальфвеновских потоков плазмы, распространяющихся поперек магнитного поля B0. Этот механизм впервые был экспериментально подтвержден на стенде КИ-1 [Антонов и др., 1985], а впоследствии в работе [Шайхисламов и др., 2015]. Там же более подробно был исследован основной механизм магнитного ламинарного бесстолкновительного взаимодействия — обмен электронами ЛП и ФП, определяющий в данном случае размер R* (см. таблицу) диамагнитной каверны [Wright, 1971]. С точки зрения генерации ТАВ важным свойством МЛМ является формирование на масштабах R* вихревых электрических полей Eφ, ускоряющих ионы ФП вместе с вмороженным в нее магнитным полем [Prokopov et al., 2016]. В результате там (под углами θ≈±45° к полю B0) формируется система Bφ-полей напряженностью вплоть до B0/2 [Башурин и др., 1983], что в совокупности с Eφ может достаточно эффективно генерировать ТАВ. В дальнейших гибридных расчетах по МЛМ [Winske, Gary, 2007] действительно наблюдалось формирование возмущений магнитного поля альфвеновского типа вблизи оси Z (вдоль B0) снаружи сферического облака плазмы.
В данной работе представлены первые результаты экспериментов по моделированию процессов генерации ТАВ именно за счет МЛМ, хотя их постановка не исключает проявления и других механизмов генерации, рассматриваемых пока только теоретически [Oraevsky et al., 2002; Vranjes, 2015].
1. Antolin P., Shibata K. The role of torsional Alfven waves in coronal heating. Astrophys. J. 2010, vol. 712, no. 1, pp. 494–510.
2. Antolin P., Okamoto T.J., De Pontieu B., Uitenbroek H., Van Doorsselaere T., Yokoyama T. Resonant absorption of transverse oscillations and associated heating in a solar prominence. I. Numerical aspects. Astrophys. J. 2015, vol. 809, no. 1, p. 72.
3. Antonov V.M., Bashurin V.P., Golubev A.I., Zhmailo V.A., Zakharov Y.P., Ponomarenko A.G., Posukh V.G. Experimental study of the collisionless interaction of interpenetrating plasma flows. Zhurnal prikladnoi mekhaniki i tekhnicheskoi fiziki [Journal of Applied Mechanics and Technical Physics]. 1985, no. 6, p. 3 (in Russian).
4. Bashurin V.P., Golubev A.I., Terekhin V.A. About collisionless braking ionized clouds, fly away in a homogeneous magnetized plasma. Zhurnal prikladnoi mekhaniki i tekhnicheskoi fiziki [Journal of Applied Mechanics and Technical Physics]. 1983, no. 5, pp. 10–17 (in Russian).
5. Brady P., Ditmire T., Horton W., Mays M.L., Zakharov Yu.P., Laboratory experiments simulating wind driven magnetospheres. Physics of Plasmas. 2009, vol. 16, no. 4, 043112.
6. De Moortel I., Nakaryakov V.M. Magnetohydrodynamic waves and coronal seismology: An overview of recent results. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2012, vol. 370, no. 1970, pp. 3193–3216.
7. Dudnikova G.I., Orishich A.M., Ponomarenko A.G., Vshivkov V.A., Zakharov Yu.P. Laboratory and computer simulations of wave generation processes in non-stationary astrophysical phenomena. Plasma Astrophysics, ESA No SP. 1990, vol. 311, pp. 191–194.
8. Gekelman W., Van Zeeland M., Vincena S., Pribyl P. Laboratory experiments on Alfvén waves caused by rapidly expanding plasmas and their relationship to space phenomena. J. Geophys. Res. Space Phys. 2003, vol. 108, no. A7, р. 1281.
9. Kline J.L., Scime E.E. Parametric decay instabilities in the HELIX helicon plasma source. Physics of Plasmas. 2003, vol. 10, no. 1, pp. 135–144.
10. Mourenas D., Simonet F., Zakharov Yu.P., et al. Laboratory and PIC simulations of collisionless interaction between expanding space plasma clouds and magnetic field with and without ionized background. Journal de Physique IV. 2006, vol. 133, pp. 1025–1030.
11. Muller G. Experimental study of torsional Alfven waves in a cylindrical partially ionized magnetoplasma. J. Plasma Physics. 1974, vol. 16, pp. 813–822.
12. Niemann C., Gekelman W., Constantin C.G., et al. Dynamics of exploding plasmas in a large magnetized plasma. Physics of Plasmas. 2013, vol. 20, no. 1, 012108.
13. Okamoto T.J., Antolin P., De Pontieu B., Uitenbroek H., Van Doorsselaere T., Yokoyama T. Resonant absorption of transverse oscillations and associated heating in a solar prominence. I. Observational aspects. Astrophys. J. 2015, vol. 80, no. 1, p. 71.
14. Oraevsky V.N., Ruzhin Yu.Ya., Badin V.I., Deminov M.G. Alfven wave generation by means of high orbital injection of barium cloud in magnetosphere. Adv. Space Res. 2002, vol. 29, no. 9, pp. 1327–1334.
15. Ponomarenko A.G., Zakharov Yu.P., Antonov V.M., et al. Laser plasma experiments to simulate coronal mass ejections during giant solar flare and their strong impact on magnetospheres. IEEE Transactions on Plasma Science. 2007, vol. 35, no. 4, pt. 1, pp. 813–821.
16. Priest E.R. Solnechnaya magnitogidrodinamika [Solar Magnetohydrodynamics]. Moscow, Mir Publ., 1985, 589 p. (in Russian).
17. Prokopov P.A., Zakharov Yu.P., Tishchenko V.N., Shaikhislamov I.F., Boyarintsev E.L., Melekhov A.V., Ponomarenko A.G., Posukh V.G., Terekhin V.A. Laser plasma simulations of the generation processes of Alfven and collisionless shock waves in space plasma. Journal of Physics. Conference Series. 2016. In print.
18. Rahbarnia K. Ullrich S., Sauer K., et al. Alfvén wave dispersion behavior in single-and multicomponent plasmas. Physics of Plasmas. 2010, vol. 17, no. 3, 032102.
19. Shaikhislamov I.F., Zakharov Y.P., Posukh V.G., Melekhov A.V., Boyarintsev E.L., Ponomarenko A.G., Terekhin V.A. Experimental study of super-Alfven collisionless interaction of interpenetrating plasma flows. Fizika plazmy [Plasma Physics]. 2015, vol. 41, no. 5, pp. 434–442. DOI: 10.7668/S036729211 5050054 (in Russian).
20. Tishchenko V.N., Shaikhislamov I.F. Wave merging mechanism: formation of low-frequency Alfven and magnetosonic waves in cosmic plasmas. Kvantovaya elektronika [Quantum Electronics]. 2014, vol. 44, no. 2, p. 98 (in Russian).
21. Tishchenko V.N., Shaikhislamov I.F. The mechanism of merging of shock waves in a plasma with a magnetic field: criteria and efficiency of formation of low-frequency magnetosonic waves. Kvantovaya elektronika [Quantum Electronics]. 2010, vol. 40, no. 5, pp. 464–469 (in Russian).
22. Tishchenko V.N., Shaikhislamov I.F., Berezutskiy A.G. The mechanism of merging of waves in space plasma with magnetic field: transportation of momentum and angular momentum. Superkomp’yuternye tekhnologii v nauke, obrazovanii i promyshlennosti: al’manakh [Supercomputers Technologies in Science, Education and Industry: The almanac]. Moscow, MSU Publ., 2014, pp. 65–74 (in Russian).
23. Tishchenko V.N., Zakharov Y.P., Boyarintsev E.L., Melekhov A.V., Posukh V.G., Shaikhislamov I.F., Prokopov P.A., Berezutskiy A.G. Simulation of laser plasma generation processes and Alfven shock waves in space plasma with magnetic fields. VI Vserossiiskaya konferentsiya po vzaimodeistviyu vysokokontsentrirovannykh potokov energii s materialami v perspektivnykh tekhnologiyah i meditsine [6th National Conference on the Interaction of Highly Concentrated Flows of Energy Materials in Advanced Technology and Medicine]. Novosibirsk, 2015, pp. 111–115 (in Russian).
24. Vchivkov V.A., Dudnikova G.I., Zakharov Y.P., Orishich A.M. Generatsiya plazmennykh vozmushchenii pri besstolknovitel´nom vzaimodeistvii sverkhal’fvenovskikh potokov [Generation of Plasma Disturbances in the Collisionless Interaction of Super-Alfven Flows]. Preprint no. 20-87. Novosibirsk, Institute of Theoretical and Applied Mechanics Publ., 1987, 49 p.
25. Vranjes J. Alfvén wave coupled with flow-driven fluid instability in interpenetrating plasmas. Physics of Plasmas. 2015, vol. 22, no. 5, 052102.
26. Wilcox J.M., DeSilva A.W., Cooper W.S. Experiments on Alfven-wave propagation. Physics of Fluids. 1961, vol. 4, p. 1506.
27. Winske D., Gary S.P. Hybrid simulations of debris, ambient ion interactions in astrophysical explosions. J. Geophys. Res. 2007, vol. 112, A10303.
28. Wright T.P. Early‐time model of laser plasma expansion. Physics of Fluids. 1971, vol. 14, no. 9, pp. 1905–1910.
29. Yagai T., Kumagai R., Hosokawa Y., Hattori K., Ando A., Inutake M. Excitation of an axisymmetric shear Alfvén wave by a Rogowski‐type antenna. Plasma Physics: 11th International Congress on Plasma Physics. ICPP2002. AIP Publ., 2003, vol. 669, no. 1, pp. 137–140.
30. Zakharov Yu.P. Laboratory simulations of artificial plasma releases in space. Adv. Space Res. 2002, vol. 29, no. 9, pp. 1335–1344.
31. Zakharov Yu.P. Collisionless laboratory astrophysics with lasers. Plasma Science. IEEE Transactions on Plasma Science. 2003, vol. 31, no. 6, pp. 1243–1251.
32. Zakharov Yu.P., Antonov V.M., Boyarintsev E.L., et al. The role of the Hall flute instability in the interaction of laser and space plasma with magnetic field. Fizika plazmy [Plasma Physics]. 2006, vol. 32, no. 3, pp. 207–229 (in Russian).
33. Zakharov Yu.P., Ponomarenko A.G., Vchivkov K.V., Horton W., Brady P. Laser-plasma simulations of artificial magnetosphere formed by giant coronal mass ejections. Astrophys. Space Sci. 2009, vol. 322, no. 1–4, pp. 151–154.
