ОТДЕЛ ФИЗИКИ СОЛНЦА ГАИШ МГУ

ТЕМА КУРСОВОЙ РАБОТЫ:

ТОПОЛОГИЧЕСКИЙ ТРИГГЕР МАГНИТНОГО
ПЕРЕСОЕДИНЕНИЯ В СОЛНЕЧНЫХ ВСПЫШКАХ

Магнитное пересоединение – это процесс разрыва силовых линий магнитного поля и их последующего перезамыкания в новой конфигурации (см. рисунок). Высвобождающаяся энергия магнитного поля приводит к нагреву и выбросу плазменных струй, ускорению заряженных частиц до высоких энергий и другим интересным эффектам. По этой причине магнитное пересоединение рассматривается в настоящее время как наиболее вероятный механизм, ответственный за возникновение магнитных бурь в околоземном пространстве, вспышек на Солнце, а также привлекается для описания процессов энерговыделения в межзвездной плазме и в магнитосферах компактных релятивистских объектов. Магнитное пересоединение инициируется в так называемых "нейтральных" или "нулевых" точках магнитного поля, где нарушается теорема о единственности силовой линии, проходящей через заданную точку пространства. Ключевой проблемой в теории магнитного пересоединения является то, что возмущения магнитного поля распространяются вдоль силовых линий с так называемой альвеновской скоростью vA = B/(4πρ)1/2, которая вблизи нулевой точки становится очень малой. Таким образом, оказывается затруднительным обеспечить достаточно быстрое распространение процесса пересоединения в пространстве. Большинство из предпринимавшихся попыток обойти данную трудность были основаны на рассмотрении процессов турбулентного переноса, мелкомасштабной филаментации области пересоединения и других "локальных" эффектах. Кардинально иной подход к этой проблеме, полностью снимающий "альвеновский предел" на скорость магнитного пересоединения и получивший название "топологического триггера", был предложен в 1988г. группой сотрудников Теоретического Отдела ФИАН (В.С. Горбачев, С.Р. Кельнер, Б.В. Сомов, А.С. Шварц), работавших под руководством Нобелевского лауреата, акад. В.Л. Гинзбурга. Главная особенность этого механизма состоит в том, что седлообразная конфигурация магнитного поля с нулевой точкой, инициирующей магнитное пересоединение, создается не локальными токовыми системами, а за счет суперпозиции внешних источников на границах рассматриваемой области. Для проведения соответствующих расчетов уже недостаточно использовать дифференциальные уравнения, описывающие локальные физические процессы, а необходимо привлекать "глобальные" теоремы дифференциальной геометрии и алгебраической топологии. Именно поэтому данный механизм магнитного пересоединения получил название "топологического". Основную идею "топологического триггера" можно наглядно представить себе следующим образом: Рассмотрим процесс горения, распространяющийся по некоторой поверхности. Тогда, если этот процесс осуществляется за счет локальной теплопроводности, то его скорость ограничена величиной порядка тепловой скорости молекул vT (т.е., имеет место "тепловой предел" на скорость распространения пламени). С другой стороны, если поджигание вещества осуществляется за счет внешнего воздействия (например, лучом лазера), то скорость распространения пламени станет определяться лишь скоростью этого луча vray , а "тепловой предел" уже не будет играть никакой роли. Конечно, в случае магнитного пересоединения ситуация является несколько более сложной: Во-первых, неясно, можно ли вообще за счет внешних источников создать седлообразную конфигурацию с нулевой точкой, требуемую для магнитного пересоединения? Во-вторых (что еще более важно), возникает вопрос – можно ли подобрать такую конфигурацию внешних источников, чтобы ее малое изменение приводило к быстрому перемещению нулевой точки в пространстве? Однако, как показывают аккуратные математические расчеты, на оба этих вопроса можно дать положительный ответ. Как видно на конкретном примере, изображенном на рисунке, за счет "топологического триггера" нулевая точка (находящаяся на пересечении двух магнитных аркад) быстро движется в пространстве при очень незначительном перемещении источников. Тем самым, процесс магнитного пересоединения может быть инициирован за короткое время в большой области пространства. Несмотря на то, что эффект "топологического триггера" был теоретически предсказан еще 30 лет назад, он до сих пор остается мало исследованным явлением, как в теоретическом, так и в наблюдательном аспекте. Это связано, прежде всего, с необходимостью проведения измерений с высоким пространственным и временным разрешением, а также с набором значительной статистики. Одним из направлений исследований, проводившихся в последнее десятилетие в Отделе физики Солнца ГАИШ, было изучение возможности проявления эффекта "топологического триггера" в больших солнечных вспышках (А.В. Орешина, И.В. Орешина, Б.В. Сомов). При этом было установлено, что в предвспышечном состоянии действительно реализуются условия, необходимые для возникновения "топологической неустойчивости" магнитного поля; однако проследить развитие "топологического триггера" в самом процессе вспышки оказывалось затруднительно из-за развития сильных токовых систем непосредственно в области пересоединения. В настоящее время, акцент сделан на поисках проявлений "топологического триггера" в хромосферных микровспышках (Ю.В. Думин, Б.В. Сомов), т.к. для них легче набрать большую статистику наблюдений, и эффект "топологического триггера" в них не замаскирован развитием локальных токовых систем. В частности, по наблюдениям в хромосферной линии CaII был идентифицирован специфический класс микровспышек, развитие которых начинается с узкой, быстро распространяющейся в пространстве полосы свечения (см. рисунок), которая вероятно и соответствует траектории нулевой точки в конфигурации магнитного поля, допускающей возникновение "топологического триггера". В качестве перспективных направлений исследований по проблеме "топологического триггера" студентам Астрономического отделения ГАИШ предлагаются курсовые работы по следующим темам: Трехмерное численное моделирование динамики магнитных полей и плазмы в конфигурациях, где согласно общим теоремам следует ожидать возникновения "топологического триггера". Анализ наблюдений хромосферных микровспышек с Hinode и других спутников с целью идентификации основных качественных особенностей, связанных с развитием "топологического триггера". Теоретический поиск новых конфигураций магнитных источников, в которых может реализоваться эффект "топологического триггера". © Ю.В. Думин, 2018