Магниттік спецификация - Википедия - Magnetic helicity

Магниттік спираль болып табылады идеалды квадрат инвариант[1][2] (болатын шама сақталған болмаған кезде қарсылық ) магнетогидродинамика ұсынатын теңдеулер кері аудару жылы Фурье кеңістігі.[3] Бұл кішігірім магниттік спираль құрылымдарынан үлкен және үлкен құрылымдар құруға болатындығын білдіреді.

Осы екі қасиеттің арқасында (идеалды инварианттылық және кері беріліс) оның кедергісі әдетте өте төмен бірнеше астрофизикалық жүйелерде өте маңызды. Бірнешеуін келтірсек: магниттік спираль динамикасы маңызды күн сәулелері және корональды масса лақтыру,[4] құрамында бар күн желі[5] және арқылы көрінеді Паркер спиралы ең үлкен таразыларда,[6] және оны сақтау өте маңызды динамо процестер.[7][8][9][10] Бұл сондай-ақ термоядролық зерттеулер, мысалы керісінше өрісті қысу тәжірибелер.[11]

Математикалық анықтама

Имандылық тегіс векторлық өрістің 3D кеңістігінде доменде анықталған - өріс сызықтарының бір-біріне оралып, оралатын деңгейінің стандартты өлшемі.[12][13] Ол ретінде анықталады көлемдік интеграл скаляр көбейтіндісінің және оның бұйралау :

,

қайда - бұл интегралдаудың көлемдік дифференциалды элементі, интеграция бүкіл қарастырылатын доменде жүреді.

Магниттік спираль туралы , бұл магниттік векторлық потенциал , осылай болып табылады магнит өрісі:[10]

.

Магниттік спиральдың Wb бірліктері бар2 (Webers шаршы) SI бірліктері және Mx2 (максвеллдер шаршы) Гаусс бірліктері.[14]

Магнит өрісінің анықтылығы , бірге ағым «деп аталадыағымдағы список "[15] және идеалды инвариант емес.

Идеал квадраттық инварианттық

1950 жылдардың аяғында Lodewijk Woltjer және Вальтер М. Эльзассер тәуелсіз түрде ашылды идеалды инварианттық магниттік[1][2] яғни нөлдік кедергі кезінде оны сақтау. Вольтжердің жабық жүйеге жарамдылығы келесі түрде қайталанады:

Идеал MHD, магнит өрісі және магниттік векторлық потенциал уақыт эволюциясы:

мұндағы екінші теңдеу біріншісін «айналдыру» арқылы алынады және Бұл скалярлық потенциал берілген калибр күйі (қараңыз калибрді қарастыру туралы параграф ). Скалярлық потенциал жоғалып кететін етіп өлшеуішті таңдау (= 0), магниттік спецификалық уақыт эволюциясы:

.

Бірінші интеграл нөлден бастап үшін ортогоналды болып табылады кросс-өнім . Екінші интегралды бөлімдер бойынша біріктіруге болады:

Бірінші интеграл бүкіл көлемде орындалады және нөлге тең, өйткені жоғарыда жазылғандай. Екінші интеграл беткі интегралға сәйкес келеді , жабық жүйенің шекаралары. Ол нөлге тең, өйткені тұйық жүйенің ішіндегі қозғалыстар векторлық потенциалға шекара бетінде әсер ете алмайды , магниттік векторлық потенциал үздіксіз функция болғандықтан.

Магниттік спираль өзгермейтін барлық жағдайларда (төмендегі абзацты қараңыз), магниттік спираль нақты өлшеуіш таңдауынсыз сақталады. .

Магниттік спираль тіпті кішігірім, бірақ ақырғы кедергісімен жақсы жақындатылған күйінде сақталады, бұл жағдайда магнитті қайта қосу тарайды энергия.[6][10]

Кері аударым қасиеті

Магниттік спираль Фурье кеңістігінде кері ауысуға ұшырайды. Бұл мүмкіндікті бірінші болып ұсынған Уриэль Фриш және әріптестер[3] және көптеген сандық эксперименттер арқылы тексерілген.[16][17][18][19][20][21] Бұл магниттік спиральдың кері берілісі арқылы үлкен және үлкен магниттік құрылымдар ұсақ масштабтағы ауытқулардан дәйекті түрде пайда болатындығын растайды.

Осы кері аударым үшін аргумент алынды[3] мұнда қайталанады, ол Фурье спектрінің магниттік спиральында «іске асырылу шарты» деп аталады (қайда Фурье коэффициенті толқын векторы магнит өрісінің , және сол сияқты , жұлдызды күрделі конъюгат. «Іске асыру мүмкіндігі» қолданбасына сәйкес келеді Коши-Шварц теңсіздігі, ол мыналарды береді:

,

бірге магниттік энергия спектрі. Бұл теңсіздікті алу үшін (бірге The электромагниттік бастап Фурье кеңістігіндегі толқын векторына ортогоналды, өзгертілген магниттік векторлық потенциалдың бөлігі қолданылды) . 2-фактор қағазда жоқ[3] өйткені магниттік спираль ол жерде балама ретінде анықталады .

Бұдан кейін жылдамдық өрісі жоқ және магнит өрісі тек екі толқын векторында болатын бастапқы жағдайды елестетуге болады және . Біз толығымен спиральды магнит өрісін қабылдаймыз, бұл оның іске асырылу шартын қанықтыратынын білдіреді: және . Барлық энергия мен магниттік тұрақтылықты беру басқа толқын векторына жасалады деп есептесек , бір жағынан магниттік анықтамалықты және жалпы энергияны сақтау ((м) агнетикалық және (к) инетикалық энергияның қосындысы) екінші жағынан:

Энергияның екінші теңдігі кинетикалық энергиясы жоқ бастапқы күйді қарастыратындығымыздан туындайды. Сонда бізде міндетті түрде бар . Шынында да, егер бізде болар еді , содан кейін:

бұл іске асыру шартын бұзатын еді. Бұл дегеніміз . Атап айтқанда, үшін , магниттік спираль кішігірім толқын векторына ауысады, бұл үлкен таразыларды білдіреді.

Топологиялық интерпретация

Магниттік спиральдылық - бұл топологиялық тұжырымдаманы қорыту сілтеме нөмірі магнит өрісін сипаттауға қажетті дифференциалдық шамаларға.[6] Электромагнетизмдегі көптеген шамалар сияқты, магниттік спиральдылық (магнит өрісінің сызықтарын сипаттайтын) тығыз байланысты сұйықтықтың механикалық спиральдылығы (бұл сұйықтық ағынының сызықтарын сипаттайды) және олардың динамикасы өзара байланысты.[3][22]

Егер магнит өрісінің сызықтары бұралған жіптің артынан жүрсе арқан, бұл конфигурация нөлдік магниттік анықтамалыққа ие болады; сол қолдың арқандарында теріс мәндер, ал оң қолдарда оң мәндер болады.

Егер магнит өрісі турбулентті және әлсіз біртекті болмаса, магниттік спираль тығыздық және оның байланысты ағыны өріс сызығының байланысының тығыздығы бойынша анықталуы мүмкін.[15]

Есептегіштер

Магниттік спираль өлшеуішке тәуелді шама, өйткені оған градиент қосу арқылы қайта анықтауға болады (калибр таңдау ). Алайда, таза магнит ағыны жоқ шекараларды немесе мерзімді жүйелерді мінсіз өткізу үшін бүкіл домендегі магниттік спираль инвариантты болып табылады,[15] яғни калибрді таңдауға тәуелсіз. Өлшегіш-өзгермейтін салыстырмалы спецификация шекаралық беттерінде нөлдік емес магнит ағыны бар көлемдер үшін анықталды.[6]

Сондай-ақ қараңыз

Әдебиеттер тізімі

  1. ^ а б Вольтьер, Л. (1958-06-01). «КҮШІСІЗ МАГНЕТИКАЛЫҚ САЛАЛАР ТУРАЛЫ». Ұлттық ғылым академиясының материалдары. 44 (6): 489–491. дои:10.1073 / pnas.44.6.489. ISSN  0027-8424.
  2. ^ а б Эльзасер, Уолтер М. (1956-04-01). «Гидромагниттік динамо теориясы». Қазіргі физика туралы пікірлер. 28 (2): 135–163. дои:10.1103 / revmodphys.28.135. ISSN  0034-6861.
  3. ^ а б в г. e Фриш, У .; Пукет, А .; ЛЭОрат, Дж .; Mazure, A. (1975-04-29). «Магнитогидродинамикалық турбуленттіліктегі магниттік спиральдың кері каскадының мүмкіндігі». Сұйықтық механикасы журналы. 68 (4): 769–778. дои:10.1017 / s002211207500122x. ISSN  0022-1120.
  4. ^ Төмен, B. C. (1996), «Күн тәжіндегі магнетогидродинамикалық процестер: алау, тәждік масса шығару және магниттік Helicity», Күн және астрофизикалық магнетогидродинамикалық ағындар, Дордрехт: Springer Нидерланды, 133–149 бет, ISBN  978-94-010-6603-7, алынды 2020-10-08
  5. ^ Бибер, Дж. В .; Эвенсон, П. А .; Matthaeus, W. H. (сәуір 1987). «Паркер өрісінің магниттік спецификасы». Astrophysical Journal. 315: 700. дои:10.1086/165171. ISSN  0004-637X.
  6. ^ а б в г. Бергер, MA (1999). «Магниттік спиральға кіріспе». Плазма физикасы және бақыланатын синтез. 41 (12B): B167-B175. Бибкод:1999PPCF ... 41..167B. дои:10.1088 / 0741-3335 / 41 / 12B / 312.
  7. ^ Вишнияк, Этан Т .; Чо, Джунгион (сәуір, 2001). «Магниттік тікұшақты сақтау және астрофизикалық динамалар». Astrophysical Journal. 550 (2): 752–760. дои:10.1086/319817. ISSN  0004-637X.
  8. ^ Бранденбург, А .; Лазарян, А. (2013-08-31). «Астрофизикалық гидромагниттік турбуленттік». Ғарыштық ғылымдар туралы шолулар. 178 (2–4): 163–200. дои:10.1007 / s11214-013-0009-3. ISSN  0038-6308.
  9. ^ Бранденбург, А. (2009). «Гидромагниттік динамо теориясы». Scholarpedia. 2 (3): 2309. Бибкод:2007SchpJ ... 2.2309B. дои:10.4249 / scholarpedia.2309. Rev # 73469.
  10. ^ а б в Блэкмен, Э.Г. (2015). «Магниттік Helicity және ауқымды магниттік өрістер: праймер». Ғарыштық ғылымдар туралы шолулар. 188 (1–4): 59–91. arXiv:1402.0933. Бибкод:2015 SSSRv..188 ... 59B. дои:10.1007 / s11214-014-0038-6.
  11. ^ Эсканде, Д. Ф .; Мартин, П .; Ортолани, С .; Буффа, А .; Франц, П .; Маррелли, Л .; Мартинес, Э .; Спиццо, Г .; Каппелло, С .; Мурари, А .; Pasqualotto, R. (2000-08-21). «Квази-тікұшақтылықтың қайтарымды өрісті плинмалары». Физикалық шолу хаттары. 85 (8): 1662–1665. дои:10.1103 / physrevlett.85.1662. ISSN  0031-9007.
  12. ^ Cantarella J, DeTurck D, Gluck H және т.б. Геометрия мен топологияның спиральға әсері [J]. Ғарыштағы магниттік спираль және зертханалық плазмалар, 1999: 17-24. дои:10.1029 / GM111p0017
  13. ^ Moffatt, H. K. (1969-01-16). «Шиеленіскен құйын сызықтарының түйіндік дәрежесі». Сұйықтық механикасы журналы. 35 (1): 117–129. дои:10.1017 / s0022112069000991. ISSN  0022-1120.
  14. ^ «NRL Plasma Formulary 2013 PDF» (PDF).
  15. ^ а б в Субраманиан, К .; Бранденбург, А. (2006). «Магниттік спиральдың тығыздығы және оның әлсіз біртекті емес турбуленттілік ағыны». Astrophysical Journal Letters. 648 (1): L71 – L74. arXiv:astro-ph / 0509392. Бибкод:2006ApJ ... 648L..71S. дои:10.1086/507828.
  16. ^ Пукет, А .; Фриш, У .; Léorat, J. (1976-09-24). «Күшті MHD спираль турбуленттілігі және сызықтық емес динамо эффект». Сұйықтық механикасы журналы. 77 (2): 321–354. дои:10.1017 / s0022112076002140. ISSN  0022-1120.
  17. ^ Менегуззи, М .; Фриш, У .; Pouquet, A. (1981-10-12). «Тік емес және түрақты емес турбулентті динамалар». Физикалық шолу хаттары. 47 (15): 1060–1064. дои:10.1103 / physrevlett.47.1060. ISSN  0031-9007.
  18. ^ Балсара, Д .; Pouquet, A. (қаңтар 1999). «Дыбыстан жоғары магнетогидродинамикалық ағындарда ауқымды құрылымдардың пайда болуы». Плазма физикасы. 6 (1): 89–99. дои:10.1063/1.873263. ISSN  1070-664X.
  19. ^ Кристенсон, Маттиас; Хиндмарш, Марк; Бранденбург, Аксель (2001-10-22). «Үш өлшемді магнетогидродинамикалық турбуленттіктің ыдырауындағы кері каскад». Физикалық шолу E. 64 (5). дои:10.1103 / physreve.64.056405. ISSN  1063-651X.
  20. ^ Бранденбург, Аксель (сәуір, 2001). «Кері каскад және сызықтық емес альфа-изотропты спираль тәрізді гидромагниттік турбуленттілікті модельдеудегі әсері». Astrophysical Journal. 550 (2): 824–840. дои:10.1086/319783. ISSN  0004-637X.
  21. ^ Алексакис, Александрос; Мининни, Пабло Д .; Пукет, Анник (2006-03-20). «Магниттік тікұшақтың кері каскады туралы». Astrophysical Journal. 640 (1): 335–343. дои:10.1086/500082. ISSN  0004-637X.
  22. ^ Линкманн, Мориц; Саху, Ганапати; Маккей, Мэйри; Берера, Арджун; Биферале, Лука (2017-02-06). «Магниттік және кинетикалық тікұшақтардың ламинарлы және турбулентті ағындардағы магнит өрістерінің спиральді Фурьенің ыдырауымен өсуіне әсері». Astrophysical Journal. 836 (1): 26. дои:10.3847/1538-4357/836/1/26. ISSN  1538-4357.

Сыртқы сілтемелер