Оглавление
- 1 Interchange instability
- 1.1 Описание нестабильности
- 1.2 История открытия
- 1.3 Влияние на ранние устройства
- 1.4 Демонстрация и последствия
- 1.5 Современные решения
- 1.6 История и развитие плазменной физики
- 1.7 Основные уравнения и принципы
- 1.8 Механизм неустойчивости
- 1.9 Современные исследования
- 1.10 Устойчивость плазмы
- 1.11 Простые модели
- 1.12 Наблюдения в космосе
- 1.13 Инъекции Юпитера
- 1.14 Инъекции Сатурна
- 1.15 Полный текст статьи:
- 2 Нестабильность обмена
Interchange instability
-
Описание нестабильности
- Нестабильность, известная как Kruskal–Schwarzschild или flute instability, возникает в магнитных системах термоядерного синтеза.
- Она вызвана градиентами магнитного давления в областях с изогнутым магнитным полем.
- Нестабильность приводит к появлению флейтоподобных структур на поверхности плазмы.
-
История открытия
- Нестабильность была впервые описана в 1954 году Мартином Дэвидом Крускалом и Мартином Шварцшильдом.
- Они показали, что ситуация аналогична Rayleigh–Taylor неустойчивости в классических жидкостях.
- Проблема возникает в областях с вогнутым магнитным полем, где плазма находится внутри кривой.
-
Влияние на ранние устройства
- В 1954 году Эдвард Теллер отметил, что нестабильность может быть проблемой в большинстве устройств термоядерного синтеза.
- Он использовал аналогию с резиновыми лентами, которые могут вытолкнуть желе из центра.
- Большинство ранних устройств страдали от других более мощных неустойчивостей.
-
Демонстрация и последствия
- В 1961 году советская магнитная зеркальная машина продемонстрировала нестабильность.
- Это подтвердило, что проблема существует и в американских зеркалах.
- Были разработаны новые зеркальные конструкции и модификации для других устройств, таких как стеллараторы.
-
Современные решения
- Современные конструкции подавляют нестабильность благодаря сложной форме полей.
- В токамаках и стеллараторах используются конфигурации с отрицательной кривизной, чтобы удерживать плазму в выпуклых полях.
- В современных устройствах нестабильность подавляется, но остаются области с плохой кривизной, где частицы проводят короткое время.
-
История и развитие плазменной физики
- В 1950-х годах возникла теоретическая плазменная физика.
- Исследования, связанные с ядерной энергией, стимулировали интерес к управляемому термоядерному синтезу.
- Неустойчивости в ранних устройствах для удержания плазмы были изучены для их подавления.
-
Основные уравнения и принципы
- В 1954 году Крускал и Шварцшильд исследовали уравнения для неустойчивости.
- В 1958 году Бернштейн вывел энергетический принцип, доказывающий, что изменение потенциала должно быть больше нуля для стабильности системы.
- В 1959 году Голд использовал концепцию неустойчивости для объяснения циркуляции плазмы вокруг Земли.
-
Механизм неустойчивости
- В 1957 году Розенталь и Лонгмайр описали, как магнитное поле планеты накапливает заряд из-за движения ионов и электронов.
- Разделение зарядов создает электрическое поле, которое добавляет E x B движение, направленное к планете.
- Это поддерживает механизм неустойчивости, приводя к введению менее плотного газа радиально внутрь.
-
Современные исследования
- С момента работ Крускала и Шварцшильда было проведено множество теоретических исследований.
- Исследования планетарных магнитосфер с помощью космических зондов помогли развитию теорий неустойчивости.
-
Устойчивость плазмы
- Важнейшее свойство плазмы — её стабильность.
- Системы должны удовлетворять условию, где изменение потенциальной энергии должно быть больше нуля.
- Неустойчивость указывает на более энергетически выгодное состояние, что приводит к эволюции системы.
-
Простые модели
- В модели плазмы, поддерживаемой магнитным полем в однородном гравитационном поле, изменение потенциала указывает на нестабильность.
- В цилиндрически симметричных плазменных устройствах центробежная сила перемещает плазму наружу, где возникают неустойчивости.
-
Наблюдения в космосе
- Наблюдения за инъекциями плазмы в магнитосферах Земли, Юпитера и Сатурна подтверждают существование неустойчивости.
- На Земле неустойчивости ограничивают толщину ночной стороны плазмопаузы.
- На Юпитере неустойчивости играют важную роль в радиальном транспорте плазмы в торе Ио.
-
Инъекции Юпитера
- Использовано более 100 инъекций Юпитера для изучения распределения событий по энергии и времени.
- События часто группировались во времени, что указывает на активность солнечного ветра в магнитосфере Юпитера.
- Выбросы Юпитера могут происходить во все моменты местного времени, что не связано с ситуацией в магнитосфере Земли.
- Сходство с инъекциями Земли указывает на важную роль процесса в накоплении и высвобождении энергии.
- Наличие Ио в системе Юпитера объясняет, почему основная часть взаимообменных движений наблюдается вблизи Ио.
-
Инъекции Сатурна
- Данные “Кассини” подтвердили аналогичный процесс обмена на Сатурне.
- События на Сатурне происходят чаще и более отчетливо из-за более слабой гравитации.
- Магнитосфера Сатурна обеспечивает лучшие условия для изучения нестабильности взаимообмена.
- Плазменный спектрометр Cassini (CAPS) получил радиальные профили плотностей плазмы и температур частиц, что позволило рассчитать источник выброса и радиальную скорость распространения.
- Плотность электронов внутри события была снижена в 3 раза, температура электронов была на порядок выше фоновой, наблюдалось небольшое усиление магнитного поля.
- Модель распределения углов тангажа показала, что событие возникло между 9 < L < 11 и имело радиальную скорость около 260+60/-70 км/с.
- Результаты аналогичны результатам, полученным Галилеем ранее, что указывает на сходство процессов на Сатурне и Юпитере.