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].
ПР
Институт лазерной физики СО РАН Россия · Новосибирск
