Zahlavi

Téma: ASTRONOMIE – Zrcadlová nestabilita v turbulentním slunečním větru

Téma: ASTRONOMIE – Zrcadlová nestabilita v turbulentním slunečním větru

Fri May 12 10:00:00 CEST 2017

Měření parametrů slunečního větru, prováděná in-situ kosmickými družicemi, ukazují izolované i zřetězené struktury plazmatu v tlakové rovnováze. Mnohé z těchto struktur mohou být vytvářeny tzv. zrcadlovou nestabilitou ve směsi částic s teplotní anizotropií. Petr Hellinger z Astronomického ústavu AV ČR se s kolegy ze zahraničí této situaci věnoval s pomocí hybridní numerické simulace.

Neustálé proudění částic od Slunce ve formě tzv. slunečního větru bylo teoreticky předpovězeno Eugenem Parkerem na konci padesátých let minulého století. Parker matematicky postuloval vlastnosti slunečního větru, které byly záhy potvrzeny měřeními přímo v kosmickém prostoru ze sovětských sond Luna. Bylo by však chybou domnívat se, že problematika slunečního větru již byla zcela vyčerpána a vědcům nejsou skrývána žádná tajemství.

Parkerův model je v mnoha směrech příliš zjednodušený, například předpokládá stacionární a laminární sluneční vítr. Měření parametrů slunečního větru prováděná in situ kosmickými družicemi však ukazují, že proudění slunečního větru je silně turbulentní. Magnetické pole i hustoty a rychlosti částic vykazují silné fluktuace v širokém spektru prostorových i časových škál. Speciální třídou těchto fluktuací jsou izolované i zřetězené struktury plazmatu v tlakové rovnováze. Mnohé z těchto struktur mohou být vytvářeny tzv. zrcadlovou nestabilitou ve směsi částic s teplotní anizotropií.

Zrcadlová nestabilita má několik typických vlastností – například generuje nepohybující se struktury, a byť jde o nestabilitu vyvolanou chováním jednotlivých částic, její projevy lze pozorovat na škálách makroskopických, odpovídajících spíše chování plazmatu jako tekutiny. Na chování zrcadlové nestability mají nicméně silný vliv částice, které rezonují s nepohybujícími strukturami, tj. takové částice, které se vůči strukturám pohybují pomalu. Efekty zrcadlové nestability byly v minulosti studovány s pomocí zjednodušených modelů, jejichž společným jmenovatelem byl především předpoklad homogenity prostředí. Tento předpoklad je však problematický v turbulentním slunečním větru.

Petr Hellinger z ASÚ společně s kolegy vyšetřovali chování plazmatu s pomocí numerické simulace napodobující charakter turbulentního slunečního větru. Hybridní simulace postihující jak částicové, tak tekutinové vlastnosti plazmatu byla řešena v expandující dvojrozměrné prostorové doméně, expanzí prostoru bylo napodobeno rozpínání plazmatu v šířícím se slunečním větru a generující teplotní anizotropii.

 

Výsledky na konci simulace: Relativní variace magnitudy magnetického pole ΔB (barevná škála) a (projekce) magnetické pole (šipky) ve dvoudimenzionální simulační doméně (x, y) normalizované na protonovou inerciální délku. Obrázek ukazuje rozvinutou dvoudimenzionální turbulenci s magnetickými víry a lokalizované oblasti se zesíleným magnetickým polem, zrcadlové struktury.

 

Z výsledků simulace jednoznačně vyplývá, že zrcadlová nestabilita se může v plazmatu vyskytovat i v prostředí plazmatu se silně rozvinutou turbulencí a vytvářet stlačitelné nepohybující se magnetizované struktury v tlakové rovnováze s okolím pozorované ve slunečním větru. Amplituda poruch vyvolaných zrcadlovou nestabilitou může být srovnatelná, nebo dokonce větší než je amplituda náhodných poruch vyvolaných silnou turbulencí. Interakce zrcadlových struktur s okolním turbulentním prostředím není v tuto chvíli zcela jasná a vyžaduje navazující studii, nejlépe s pomocí rozvinutější, trojrozměrné simulace. Taková simulace je však výpočetně výrazně náročnější než použitá dvojrozměrná geometrie a proto je třeba její nastavení dobře promyslet. Vhodné odhady parametrického režimu je možné získat třeba právě z jednodušších přístupů.

 

Připravili:
Michal Švanda, Astronomický ústav AV ČR, v. v. i.,
Odbor akademických médií SSČ AV ČR

Foto: Astronomický ústav AV ČR a NASA