Novinky

Nejlepší vědecké výsledky za rok 2011: Energetické kaskády v rekonexi magnetického pole

Rada Astronomického ústavu vybrala šest nejvýznamnějších vědeckých výsledků za rok 2011 publikovaných v odborných časopisech. Dnes představujeme práci Mgr. Miroslava Bárty, PhD. ze Slunečního oddělení o vybraných problémech uvolnění energie magnetického pole ve slunečních erupcích.

Název vědecké práce:

Energetické kaskády v rekonexi magnetického pole

Stručný popis:

Rekonexe – nebo-li přepojování siločar magnetického pole je považována za klíčový mechanismus uvolnění energie ve slunečních erupcích ale i v mnoha jiných eruptivních dějích v kosmickém plazmatu. Přímá aplikace teorie rekonexe na fyziku slunečních erupcí (a další velkorozměrové jevy) ale dlouho čelila zásadnímu problému: Všechny známé procesy, které mohou vést ke změně propojení magnetických siločar (odborně ke změně topologie magnetického pole) – tj. k rekonexi, vyžadují tenké proudové vrstvy (~1m v podmínkách sluneční koróny). Naproti tomu šířka proudových vrstev v erupcích odhadnutá z pozorování je zhruba o šest řádů větší. Pro překonání tohoto propastného rozdílu navrhli Shibata a Tanuma v roce 2001 schematický koncept fraktální rekonexe, jehož princip je znázorněn na obrázku vlevo. Tato myšlenka ale neměla po dlouhou dobu oporu v teorii magnetické rekonexe a podobný jev nebyl ani pozorován v počítačových simulacích. Právě na to jsme se zaměřili v naší práci. Náš výzkum ukázal, že dřívější numerické experimenty tento jev nezachytily z důvodu pokrytí malého rozsahu škál. Rozšířením škálového rozsahu s použitím techniky adaptivního zjemňování výpočetní sítě jsme dosáhli pokrytí dostatečného rozsahu prostorových měřítek a poprvé tak potvrdili roli kaskádního trhání proudové vrstvy – v souladu s ideou v levé části obrázku – pro přenos energie k menším měřítkům, neboli postupného vytváření tenčích proudových vrstev, až k rozměrům v řádech metrů, kde procesy známé z fyziky plazmatu již mohou způsobit kýžené přepojení siločar a s ní spojenou přeměnu magnetické energie na teplo, tzv. disipaci.
Náš příspěvek ale především nově odhalil i důležitost opačného procesu – spojování (odborně koalescence) magnetických silotrubic, které na obrázku v řezu vidíme jako uzavřené siločáry – tzv. magnetické ostrovy nebo též plasmoidy, pro další rozdrobení struktury proudové vrstvy. Koalescence dvou magnetických ostrovů sice vede k vytvoření větší struktury ze dvou menších, ale tento proces je doprovázen vytvořením velmi tenké proudové vrstvy mezi dvěma slévajícími se plasmoidy. Tato proudová vrstva, je-li dostatečně tenká, se stává nestabilní a rozpadá se opět na menší magnetické struktury oddělené ještě tenčími úseky proudové vrstvy – viz obrázek vpravo. V konečném důsledku tak i tento proces zcela neočekávaně přispívá k toku energie od velkých k malým škálám (přímá kaskáda). Pomocí částicových (kinetických) simulací jsme pak prokázali, že tento proces pokračuje až na onu úroveň disipační škály (~1 m), kde plazmové procesy vedou k vlastnímu přepojení magnetických siločar. Získané výsledky přesahují rámec sluneční fyziky a přispívají k rozvoji teorie magnetické rekonexe a turbulence v plazmatu obecně.

Vlevo: Představa fraktální rekonexe (Shibata a Tanuma, Earth, Planet, Space 53, 2001) vsazená do interpretace radiových pozorování driftujících pulsujících struktur (DPS) – Karlický (Astronomy & Astrophysics 417, 2004). Vpravo: Schema kaskádních procesů v magnetické rekonexi jak byly skutečně pozorovány v numerickém experimentu s velmi vysokým rozlišením. Simulace poprvé potvrdila oprávněnost Shibatovy představy a zároveň odhalila zcela nově význam spojování (koalescence) plasmoidů pro fragmnetaci proudových struktur. Plasmoidy – magnetické silotrubice – hrají při kaskádě energie k menším škálám v rekonexi podobnou roli jako vírové trubice při stejném procesu v proudění tekutin se střihem v rychlosti.

Citace práce:

1) Bárta, M. - Büchner, J. - Karlický, M. - Skála, J.: Spontaneous Current-Layer Fragmentation and Cascading Reconnection in Solar Flares I: Model and Analysis. The Astrophysical Journal 737 (2011), id. 24.

2) Bárta, M. - Büchner, J. - Karlický, M. - Kotrč, P.: Spontaneous Current-Layer Fragmentation and Cascading Reconnection in Solar Flares II: Relation to Observations. The Astrophysical Journal 730 (2011), id. 47.

3) Karlický, M. - Bárta, M. Successive Merging of Plasmoids and Fragmentation in a Flare Current Sheet and their X-ray and Radio Signatures. The Astrophysical Journal 733 (2011):, id. 107.

Podrobnosti:

Energetické kaskády v rekonexi magnetického pole (Miroslav Bárta a Marian Karlický)