Úvodní strana  >  Články  >  Sluneční soustava  >  Výzkumy v ASU AV ČR (50): Turbulence plazmatu a kinetické nestability v expandujícím slunečním větru

Výzkumy v ASU AV ČR (50): Turbulence plazmatu a kinetické nestability v expandujícím slunečním větru

Výsledky ve prostřed (vlevo) a na konci (vpravo) simulace. Amplituda fluktuací magnetického pole (odstíny zelené; tmavší odstín odpovídá vyšší amplitudě) a magnetické siločáry (červené křivky) ve dvoudimenzionální simulační doméně (x,y) normalizované na protonovou inerciální délku. Panel vlevo ukazuje dobře rozvinutou turbulenci charakterizovanou různě velkými víry, které nelineárně interagují, velké víry generují menší. Panel vpravo ukazuje situaci, kdy turbulence je ovlivněna hadicovou nestabilitou, která lokálně (typicky v oblastech mezi jednotlivými víry) generuje silnější magnetické fluktuace a rozvlňuje magnetické siločáry.
Autor: Petr Hellinger

Jako sluneční vítr souhrnně označujeme neustálý proud částic od Slunce do nitra Sluneční soustavy. Jeho popis i matematické modelování procesů v něm probíhajících je jádrem výzkumu skupiny Heliosféry a kosmického počasí Slunečního oddělení ASU. Ve své poslední práci se věnovali modelování turbulence plazmatu na mikroskopických škálách a popisují energetickou kaskádu transformující energii přítomnou na největších škálách do energie jednotlivých částic.

Turbulence v magnetizovaném nízkosrážkovém plazmatu zůstává jedním z nevyřešených problémů fyziky plazmatu. Materiál v kosmickém prostoru, zejména pak sluneční vítr, je tak unikátní laboratoří umožňující studium těchto procesů. Ukazuje se, že v takovém prostředí je turbulence velmi nelineárním problémem, který umožňuje přenos energie od velkých prostorových škál k jednotlivým částicím.

V tom činí i problém této disciplíny. Turbulentní chování na velkých rozměrových škálách lze postihnout tzv. magnetohydrodynamickým (MHD) přístupem, kdy se k plazmatu přistupuje jako k zmagnetizované tekutině. Tento zjednodušující přístup má překvapivě cenné výsledky. Popisuje například celý komplex vln, které se plazmatem šíří. Ve slunečním větru mezi nejdůležitější patří speciální typ magnetohydrodynamických vln, tzv. vlny Alfvénovy. Ty popisují typický způsob šíření poruch magnetického pole. Pro popis dějů na menších škálách, na nichž se již projevují efekty jednotlivých částic, je však MHD přístup nedostačující. Na těchto škálách se očekává kaskádní přenos energie z velkých rozměrů. O tomto přenosu svědčí některé vlastnosti slunečního větru. Např. měřené radiální profily protonové teploty jsou důkazem o radiálním ohřevu protonů, do nějž vstupuje energie porovnatelná právě s energií turbulentní kaskády. Očekává se, že tento energizační proces by mohl mít zpětnou vazbu na samotnou velkorozměrovou turbulenci. Ve slunečním větru situaci nadále komplikuje jeho neustálá expanze, která do procesu přináší naopak útlum. Expanze tedy turbulentní kaskádu zpomaluje. A v neposlední řadě se kvůli „ředění“ látky částicové škály se vzdáleností od Slunce mění, což nejspíše proces energizace částic opět komplikuje.

P. Hellinger a jeho kolegové situaci matematicky modelovali s pomocí hybridního popisu, v němž se řeší pohyby a vlastnosti pouze iontů, zatímco elektrony jsou považovány za nehmotné fluidum sloužící pouze k vyrovnání náboje, aby byla zachována elektrická neutralita látky. To není nijak divoké přiblížení, neboť elektrony jsou reálně tisíckrát méně hmotné než protony. Problém byl řešen pouze ve dvou dimenzích kolmých na pozaďové magnetické pole a na radiální směr. V těchto dvou tranversálních směrech ovlivňovala dění také celková expanze.

V simulaci vystupovalo 1024 makročástic na výpočetní buňku hrajících roli shluků protonů. Jejich kolektivní chování bylo nastaveno tak, aby časoprostorové spektrum bylo izotropní se zastoupením modů s náhodnou fází, lineární Alvénovskou polarizací (tedy že magnetické pole poruchy bylo vždy kolmé na vektor intenzity pozaďového pole) a s nekorelovanými poruchami magnetického pole a rychlosti částic. Systém se nechal vyvíjet podle fyzikálních rovnic.

Vývoj ukazuje, že počáteční náhodné poruchy velmi rychle relaxují a vyvíjí se turbulentní kaskáda, tedy původní ploché spektrum se mění na mocninnou funkci. Směrnice této funkce se však náhle mění u iontové škály. Celková amplituda spektra s časem klesá kvůli expanzi výpočetního boxu a také turbulentním tlumením.

V první fázi vývoje tedy systém relaxuje, zvětšují se poruchy magnetického pole na úkor poruch rychlostí. V druhé fázi dojde k turbulentnímu ohřevu protonů především v kolmém směru. Celkově však teplota protonů klesá, neboť turbulentní ohřev je méně významný než pokles teploty v důsledku expanze výpočetního boxu a protony získávají podstatnou teplotní anizotropii, podobně jako je tomu ve slunečním větru. V systému se však objevují kinetické nestability, konkrétně “hadicová” (firehose) nestabilita. Tato nestabilita nese svůj název po hasičské hadici a to právem. Necháme-li na zemi položenou rovnou hadici s proudící vodou, existuje v systému silná anizotropie (voda proudí pouze podél hadice, nikoli v kolmém směru). Stačí pak malá porucha a hadice se začne “kroutit jako had”. V našem idealizovaném systému se objevují komponenty rychlosti kolmo na původní směr. Hadicová nestabilita tedy omezuje anizotropii protonů a ovlivňuje i charakter turbulence.

Tato teoretická práce tedy ukazuje, že kinetické nestability mohou koexistovat se silnou turbulencí plazmatu dokonce i v 2-D režimu. K přímé aplikaci na chování plazmatu slunečního větru je však ještě daleko. Pro to je potřeba simulaci zobecnit do 3-D, což s sebou nese mimojiné vyšší výpočetní náročnost.

Reference:
Hellinger, P. a kol., Plasma turbulence and kinetic instabilities at ion scales in the expanding solar wind, Astrophysical Journal Letter (2015) 811, L32 (2015), arXiv:1508.03159

Kontakt:
Dr. Mgr. Petr Hellinger, petr.hellinger@asu.cas.cz



Převzato: Astronomický ústav AV ČR, v.v.i.



Seriál

  1. Na čem se pracuje v Ondřejově (1): Objev prvních B[e] nadobrů v Galaxii v Andromedě
  2. Na čem se pracuje v Ondřejově (2): Meteority Příbram a Neuschwanstein nedoprovázejí malá tělesa
  3. Na čem se pracuje v Ondřejově (3): Cesta k seismologii slunečních protuberancí
  4. Na čem se pracuje v Ondřejově (4): Předpověď slupky v galaxii NGC3923: cesta k ověření alternativní teorie gravitace?
  5. Na čem se pracuje v Ondřejově (5): Zašpinění bílí trpaslíci s magnetickým polem
  6. Na čem se pracuje v Ondřejově (6): Proudění plazmatu kolem slunečních skvrn
  7. Výzkumy na AsÚ AV ČR (7): SPLAT - mocný nástroj pro zobrazení a jednoduchou analýzu spekter
  8. Výzkumy na AsÚ AV ČR (8): Druhotná tvorba hvězd ve vznikajících galaxiích a hmotných hvězdokupách
  9. Výzkumy na AsÚ AV ČR (9): Hvězda v prachové obálce v okolí černé veledíry
  10. Výzkumy na AsÚ AV ČR (10): Střižné proudění ve sluneční atmosféře jako generátor elektrického pole
  11. Výzkumy na AsÚ AV ČR (11): Komplikovaná rotace planetky Apophis ovlivňuje její let Sluneční soustavou
  12. Výzkumy na AsÚ AV ČR (12): Protony slunečního větru ve vzdálenosti jedné astronomické jednotky od Slunce
  13. Výzkumy na AsÚ AV ČR (13): Chladný plyn v mezigalaktickém prostoru vytržen z galaxie ESO 137-001
  14. Výzkumy v AsÚ AV ČR (14): Bílá erupce pozorovaná spektrografem IRIS
  15. Výzkumy v AsÚ AV ČR (15): Be hvězda v těsné dvojhvězdě s horkým podtrpaslíkem
  16. Výzkumy v AsÚ AV ČR (16): Vliv rotačního směšování a metalicity na ztrátu hmoty hvězdným větrem
  17. Výzkumy v AsÚ AV ČR (17): Osiřelé penumbry jako testovací materiál pro teorii slunečních skvrn
  18. Výzkumy v AsÚ AV ČR (18): Detailní modely gravitačního pole Země
  19. Výzkumy v AsÚ AV ČR (19): Nejpřesněji určené parametry binární planetky
  20. Výzkumy v AsÚ AV ČR (20): Jasná Perseida s neobvykle vysokou počáteční výškou
  21. Výzkumy v AsÚ AV ČR (21): Prostorové mapování galaktického centra pomocí rentgenové polarimetrie
  22. Výzkumy v AsÚ AV ČR (22): Vliv atmosféry a oceánů na polohu rotační osy Země
  23. Výzkumy v AsÚ AV ČR (23): Analytický model Birkelandových proudů
  24. Výzkumy v AsÚ AV ČR (24): Ověřování zákrytového modelu proměnných aktivních galaktických jader
  25. Výzkumy v AsÚ AV ČR (25): Urychlování elektronových svazků ve slunečních erupcích
  26. Výzkumy v AsÚ AV ČR (26): Jak rotují kometární meteoroidy?
  27. Výzkumy v AsÚ AV ČR (27): Odhalovaná tajemství hvězdy se závojem
  28. Výzkumy v AsÚ AV ČR (28): Hvězdný vítr v dvojhvězdě s kompaktní složkou
  29. Výzkumy v AsÚ AV ČR (29): Rozšiřování magnetických trubic nad slunečními aktivními oblastmi
  30. Výzkumy v AsÚ AV ČR (30): Jak souvisejí astrosféry a astroohony s urychlováním částic kosmického záření?
  31. Výzkumy v AsÚ AV ČR (31): Dlouhodobé změny aktivity kataklyzmické proměnné V1223 Sgr
  32. Výzkumy v AsÚ AV ČR (32): Upřesnění základních parametrů planetky Apophis
  33. Výzkumy v AsÚ AV ČR (33): Možnosti měření magnetických polí ve sluneční chromosféře, přechodové oblasti a koróně
  34. Výzkumy v AsÚ AV ČR (34): Oblak G2 přežil průlet kolem centra Galaxie a je zřejmě mladou hvězdou
  35. Výzkumy v AsÚ AV ČR (35): Mateřské těleso meteoritu Čeljabinsk opět neznámé
  36. Výzkumy v AsÚ AV ČR (36): Nové dvojhvězdy s horkou podtrpasličí hvězdou a vlastnosti této populace hvězd
  37. Výzkumy v AsÚ AV ČR (37): Rekonstrukce vzhledu aktivního galaktického jádra
  38. Výzkumy v AsÚ AV ČR (38): Simulace chování astrofyzikálního plazmatu v extrémních podmínkách
  39. Výzkumy v AsÚ AV ČR (39): Drakonidy 2011 z letadla
  40. Výzkumy v AsÚ AV ČR (40): Kapitoly v učebnici Asteroids IV i od pracovníků AsÚ
  41. Výzkumy v AsÚ AV ČR (41): Balíček programů pro analýzu nemaxwellovských rozdělovacích funkcí částic ve sluneční atmosféře
  42. Výzkumy v AsÚ AV ČR (42): Tajemná povaha rentgenového zdroje Her X-1
  43. Výzkumy v ASU AV ČR (43): Vznik penumbry sluneční skvrny v přímém přenosu
  44. Výzkumy v ASU AV ČR (44): Rekurentní novy v galaxii M 31
  45. Výzkumy v ASU AV ČR (45): Možná naleziště ropy v Perském zálivu z gravitačních modelů
  46. Výzkumy v ASU AV ČR (46): Mohou být hvězdné pulsace zdrojem proměnnosti hvězdného větru?
  47. Výzkumy v ASU AV ČR (47): O původu meteorického roje Kvadrantid
  48. Výzkumy v ASU AV ČR (48): ALMA bude pozorovat i Slunce
  49. Výzkumy v ASU AV ČR (49): Vliv rentgenového záření na charakter hvězdných větrů v dvojhvězdách s hmotnou komponentou
  50. Výzkumy v ASU AV ČR (50): Turbulence plazmatu a kinetické nestability v expandujícím slunečním větru
  51. Výzkumy v ASU AV ČR (51): Vzhled rázové vlny hvězdy při průletu kolem centra Galaxie
  52. Výzkumy v ASU AV ČR (52): Mění srážky tvar planetek?
  53. Výzkumy v ASU AV ČR (53): Udržely póry sluneční cyklus v době Maunderova minima?
  54. Výzkumy v ASU AV ČR (54): Supererupce na hvězdě DG CVn
  55. Výzkumy v ASU AV ČR (55): Souvislost oblaků CO s obálkami HI v Mléčné dráze
  56. Výzkumy v ASU AV ČR (56): Nárůst kontinua ve slunečních erupcích – nové možnosti jejich předpovědí?
  57. Výzkumy v ASU AV ČR (57): Katalog videí dokumentujících pád bolidu Čeljabinsk
  58. Výzkumy v ASU AV ČR (58): Tisícileté cykly střední výšky světového oceánu
  59. Výzkumy v ASU AV ČR (59): Model expanze oblaků ve slunečním větru
  60. Výzkumy v ASU AV ČR (60): Detekce dopadů zemských miniměsíců
  61. Výzkumy v ASU AV ČR (61): Lze ze spektra aktivního galaktického jádra usoudit na povahu jeho zdroje?
  62. Výzkumy v ASU AV ČR (62): Lze pozorovat ohřev koróny nanoerupcemi?
  63. Výzkumy v ASU AV ČR (63): Neobvyklá rotace trpasličí galaxie je důsledkem nedávné srážky
  64. Výzkumy v ASU AV ČR (64): Přímé pozorování klouzavé rekonexe dalekohledem GREGOR
  65. Výzkumy v ASU AV ČR (65): Složky těsné vizuální dvojhvězdy 1 Del rozlišeny spektroskopicky
  66. Výzkumy v ASU AV ČR (66): Příčky v galaxiích jako důsledek vzájemného slapového působení
  67. Výzkumy v ASU AV ČR (67): Neobvyklé chemické složení zašpiněného bílého trpaslíka
  68. Výzkumy v ASU AV ČR (68): Hustota průmětů drah umělých družic Země na zemském povrchu a přesnost parametrů gravitačního pole Země
  69. Výzkumy v ASU AV ČR (69): Vlastnosti plazmatu ve slunečních protuberancích
  70. Výzkumy v ASU AV ČR (70): Útok létajících hadů - mohou vodíkové proudy fragmentovat na izolované oblaky vodíku?
  71. Výzkumy v ASU AV ČR (71): Vlastnosti satelitů planetek


O autorovi

Michal Švanda

Michal Švanda

Doc. Mgr. Michal Švanda, Ph. D., (*1980) pochází z městečka Ždírec nad Doubravou na Českomoravské vrchovině, avšak od studií přesídlil do Prahy a jejího okolí. Vystudoval astronomii a astrofyziku na MFF UK, kde poté dokončil též doktorské studium ve stejném oboru. Zabývá se sluneční fyzikou, zejména dynamickým děním ve sluneční atmosféře, podpovrchových vrstvách a helioseismologií a aktivitou jiných hvězd. Pracuje v Astronomickém ústavu Akademie věd ČR v Ondřejově a v Astronomickém ústavu Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy v Praze, kde se v roce 2016 habilitoval. V letech 2009-2011 působil v Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung v Katlenburg-Lindau v Německu. Astronomií, zprvu pozorovatelskou, posléze spíše „barovou“, za zabývá od svých deseti let. Před začátkem pracovní kariéry působil v organizačním týmu Letní astronomické expedice na hvězdárně v Úpici, z toho dva roky na pozici hlavního vedoucího. Kromě astronomie se zajímá o letadla, zejména ta s více než jedním motorem a řadou okýnek na každé straně. Více o autorovi na jeho webových stránkách svanda.astronomie.cz.

Štítky: Turbulence, Sluneční vítr


39. vesmírný týden 2016

39. vesmírný týden 2016

Přehled událostí na obloze od 26. 9. do 2. 10. 2016. Měsíc bude v novu. Venuše, Mars a Saturn najdeme večer stále jen nízko nad obzorem. Neptun a Uran můžeme pozorovat celou noc. Na ranní obloze můžeme před svítáním pozorovat kužel zvířetníkového světla do něhož před východem Slunce stoupá planeta Merkur a bude zde také srpek Měsíce.

Další informace »

Česká astrofotografie měsíce

Pradědovy Perseidy 2016

Píše se rok 258, 10. srpen. Na rošt nad horké uhlí je položen správce chrámové pokladny před několika dny popraveného papeže Sixta II a je opékán zaživa. Po chvíli volá: „Z jedné strany jsem již opečený, pokud mě chcete mít dobře udělaného, je čas mě otočit na druhou stranu.“ Toto utrpení podstoupil

Další informace »

Poslední čtenářská fotografie

Mesic

Mesic

Další informace »