“magnetic annihilation”——磁“湮灭”(圖解超級太陽風暴)

磁重联(magnetic reconnection),或磁力线重联(magnetic field line reconnection),又称磁场湮灭(the annihilation of the magnetic field),是天体物理中一种非常重要的快速能量释放过程,也是磁能转化为粒子的动能、热能和辐射能的过程。普遍认为太阳上的能量释放就是磁重联导致的。磁重联,取描述磁力线“断开”(break)再“重新连接”(reconnect)的物理过程的意思。(圖解超級太陽風暴)

 

Solar Superstorms, Illustrated – Scientific American Blog Network

https://blogs.scientificamerican.com/sa-visual/solarsuperstormsillustrated/

Nov 17, 2016 – Solar Superstorms, Illustrated. An executive order calling for more preparedness and better forecasting for space weather is creating a buzz 

Solar Superstorms, Illustrated 

An executive order calling for more preparedness and better forecasting for space weather is creating a buzz about electromagnetic storms. What are they?

Credit: Pat Rawlings SAIC

Last month, President Obama signed an executive order to better prepare the nation for the potentially disastrous effects of of solar flares, solar energetic particles, and geomagnetic disturbances. Per the document:

Extreme space weather events—those that could significantly degrade critical infrastructure—could disable large portions of the electrical power grid, resulting in cascading failures that would affect key services such as water supply, healthcare, and transportation. Space weather has the potential to simultaneously affect and disrupt health and safety across entire continents. Successfully preparing for space weather events is an all-of-nation endeavor that requires partnerships across governments, emergency managers, academia, the media, the insurance industry, non-profits, and the private sector.”

How do these electromagnetic storms reach Earth? Here are the basics, as set forth in a graphic from “Bracing the Satellite Infrastructure for a Solar Superstorm,” by Sten Odenwald and James Green in the August 2008 issue of Scientific American.

Credit: Melissa Thomas

Want to dive in further? Check your local planetarium for screenings of the full-dome video Solar Superstorms. For more on forecasting space weather, and recent glitches experienced by the primary tool for tracking it—see “U.S. Sharpens Surveillance of Crippling Solar Storms” and “Cosmic Rays May Threaten Space-Weather Satellite.”

磁重联漫谈(1)  精选

已有 11738 次阅读 2009-9-4 13:50 |个人分类:学海无涯|系统分类:科研笔记|关键词:等离子体物理、空间物理、太阳物理、磁重联

屈指数来,笔者研究等离子体中磁力线的“重联”现象已整整20年了。

 

磁重联magnetic reconnection),或磁力线重联(magnetic field line reconnection)——也有叫“磁场重联”的,取描述磁力线“断开”(break)再“重新连接”(reconnect的物理过程的意思。这一过程早期就是用magnetic field line broken and reconnected这样的语言来表述的。(既然是“连接”,应该译作“磁重连”的;不过既然大家都这么用着,就先这么写着。)

 

磁重联的理论,在实验室、空间、与天体等离子体物理领域里都有重要的应用。很多“快尺度”的大规模能量转换过程如实验室中磁约束等离子体的各种撕裂不稳定性(tearing instabilities)、空间物理中太阳风等离子体与地球磁层之间的耦合、天体(太阳)物理中耀斑solar flares)、日冕加热(solar coronal heating)、日冕物质抛射(coronal mass ejections, CME等现象,或是典型的、或是伴随着磁重联的物理过程。而且基于磁重联理论发展起来的“磁场拓扑”理论对几何与拓扑研究也有很大的推动。

 

磁重联的模型,起源于天体(太阳)物理的研究。最早的“磁重联”概念是一位澳洲的物理学家为解释日耀斑现象而提出的(Giovanelli, R. G., 1946: Nature 158, 81)。但是那时他用的terminology不是“magnetic reconnection”,而是“magnetic annihilation”——磁“湮灭”。就是说,当两条方向相反、相对运动的磁力线在一点“相遇”时,会产生磁“湮灭”而放出光——用此来解释日耀斑观测看到的强辐射。

 

这个简单的模型,开创了等离子体物理学的一个重要研究领域——磁重联理论、实验、与卫星、天文观测。以至于最近美国专门以磁重联研究为主要目的连续发射了五颗卫星(即所谓THEMIS计划)。什么叫“原创性研究”(original work)?Giovanelli的这个工作就是典型的例子。

 

当然,现在看来这个模型还非常粗糙。不过,开创性的工作常常是简单的、但是抓住了关键。

 

(待续)

有不少问题要说明,要快点写了:p)


当然,现在看来这个模型还非常粗糙。

 

首先,通过现代计算机模拟我们可以看到,磁力线的电磁“湮灭”是在真空中发生的现象。即磁力线只有在真空中才能以光速运动并“湮灭”。而在等离子体中,因为要“携带”环绕其旋转的带电粒子(特别是离子)一起运动,所以磁力线是有“质量”的,即使是电磁扰动引起的磁力线运动,其速度相比光速来说也是缓慢的——大约在Alfven速度的数量级。因此,后来人们改用“reconnection”来代替“annihilation”。

 

而且我们知道,磁场的散度为零,所以磁力线是不会“断开”的(至少在真空中)。实际上,在等离子体的理想磁流体(ideal magnetohydrodynamics, or ideal MHD)近似下,等离子体与磁力线是“冻结”(frozen in)在一起运动。形象地说,就如我们小时候喜欢吃的“棒冰”的冰冻结在中间的棍上一样。更准确的比喻是串在中间的杆儿上的算盘珠:可以很容易的沿着杆儿运动或者“回旋”运动,但是没法“跨越”这一根杆儿到另一杆儿上去。当然,如果等离子体中有不均匀性,还是会产生横越磁力线的“漂移”(drift),但是如果磁场限制在有限的体积内,这种“漂移”运动仍然限于同一磁力线所螺旋缠绕成的磁面上:不过是“抄近路”到同一磁力线的另一部分而已。就像调皮的孩子在螺旋滑梯上直线地从“一层”跳到“另一层”。

 

理想磁流体的这一重要性质可以用来实现在物理测量上“追踪”(tracing)磁力线(A. Newcomb, 1960: Ann. Phys. (N.Y.) 10, 232);并且保证了磁力线在其演化过程中拓扑性质不变。这种不变性对应的守恒量叫做“磁螺旋度”(magnetic helicity),定义为磁矢势A与磁感应强度B的点乘积的空间积分(一般积分域为一条“磁力管”)。

 

当等离子体中的耗散效应(比如电阻)很小的时候,也就是说,磁力线在等离子体中的扩散时间远大于磁力线运动的特征时间、或者耗散效应起显著作用的特征空间尺度远小于磁场变化的特征空间尺度,上述性质还可以继续应用。所以对于空间以及实验室中的磁约束等离子体来说,理想磁流体的这些性质基本上都是适用的。

 

但是,当两条磁力线足够接近,到了“非理想”效应(non-ideal effects,比如耗散或者其它破坏理想磁流体条件的动理学效应如有限Larmor半径等效应)显著影响物理过程的尺度,随它们一起运动的“等离子体元”便分辨不出自己到底属于哪一条磁力线。这可以有两种情况:或者(当碰撞很弱的时候)两条磁力线之间的距离小于带电粒子环绕磁力线运动的回旋半径(Larmor半径);或者(当碰撞足够强的时候)一条磁力线上的电子被“碰出”自己的回旋轨道后可以被另一条磁力线“捕获”,甚至完全“丢失”了(不知道跑到那条磁力线上去了)。

 

这时反过来我们也可以说(因为我们只能做粒子运动的测量)磁力线“丢失”了自己的identity,也就是说我们无法identify磁力线了。人们把这个磁力线“迷失”的区域叫做“扩散区”(Diffusion Region)。因此,在这个区域里磁场的拓扑可以发生改变。一旦这种改变发生,“走出”这个“扩散区”的磁力线就已经不再是原来的磁力线了。它们之间的连接形式发生了“重组”。我们把这个磁力线进入扩散区、“迷失”、重新连接,最后“走出”扩散区的整个过程,叫做“磁力线重联”或者简称“磁重联”。显然磁重联伴随着磁场拓扑的变化(比如等离子体中的撕裂模就是一种典型的磁重联过程,“撕裂”就有原来磁场拓扑被改变的意思),因此导致磁场能量的快速释放。所以实验室、空间、天体等离子体中很多快过程、特别是“突发”(Onset)过程,如太阳耀斑、日冕物质抛射、磁暴(Magnetic Storms)、磁层亚暴(Magnetosphere Substorms)、锯齿崩塌(Sawtooth Collapses)、破裂不稳定性(Disruptions)等都与磁重联有关甚至是磁重联主导的物理过程。

磁重联漫谈(3)

已有 3677 次阅读 2009-9-6 20:39 |个人分类:学海无涯|系统分类:科研笔记|关键词:等离子体物理、空间物理、太阳物理、磁重联

一场秋雨一场凉。终于告别炎热的夏天,迎来了秋季学期。校园里又充满了年轻人的欢声笑语。

 

周末,不谈学问,说点轻松的:

 

说起“磁螺旋度守恒”,想起在Graduate School的一些往事。

 

我的博士导师曾经对“磁螺旋度守恒”的发展做过一些贡献。前面说了磁螺旋度定义为磁矢势A与磁感应强度B的点乘积的空间积分。他名字的英文缩写正好是A. B.,所以一些同行戏称他“A dot B”(即A点乘B的英文读法)。我第一年上他的《流体物理》,有时会到办公室问些问题。当时读文献看到“磁螺旋度守恒”觉得挺有意思的,就去问:

 

“物理学中的守恒量都对应着一种不变性。比如能量动量守恒对应时空平移不变性。那么Helicity守恒对应什么不变性?”

 

记得他当时扬了扬眉毛,看了我一下,不无赞叹地说:“中国的大学里还学这些?”暑假考过Qualify以后,他便鼓励我到他那里做,并建议我申请JHU/APLFellowship——大概相当于国内学校的“宝钢奖学金”一类的,但是条件很丰厚,比当时博士后的salary还多:因为包括了每年几万美元的学费。到我手里的stipend当然没有那么多,但是还是比学校助研奖学金(Graduate Research Assistantship, GRA)多不少。而且包括每年参加两次学术会议及论文版面费的研究经费。我在磁重联方面的工作,就是在这个Fellowship的支持下起步的。当然,现在翻出那时写的文章,会觉得很幼稚。可是当时写的时候,还是信心满满地,说:“一劳永逸地解决了”(once for all)某某问题。结果被referee狠狠地教训了一通:p 

 

那篇文章是关于地磁亚暴的,发在JGR上。接着做的是关于太阳物理的,发在ApJ上。再接下来却是一篇流体的(finite time singularity)、一篇磁约束聚变(sawtooth crash)的。没几年的时间,等离子体物理的主要领域都走了一遍,有点踌躇满志的感觉吧。直到毕业那一年在Gordon Conference上(第二年又在UCSBITP)与一位有名的前辈科学家John Greene深入讨论磁重联的基本概念,才知道我的一些理解不仅肤浅,有些甚至根本就是错误的。

 

New HampshireSanta BarbaraGreene先生的那些讨论,让我受益至今。当时他就非常强调磁重联的零点,其重要性我到后来也才渐渐明白。前几年我们通过卫星观测数据分析得到了有关的证据,并看到了很多相关的物理现象。但是那时他已经失去记忆了。否则,有很多我至今仍想不明白的卫星观测结果在他那里一定会有清晰的答案。

 

Greene先生在去年去世了。作为等离子体物理方面国际最高奖项之一Maxwell奖的得主(1992),他的名字通过“BGK波”留在了物理教科书上。但是,我个人认为,他在磁重联方面的贡献,也许更重要;至少应该不逊于著名的Sweet-Parker模型。他的Maxwell奖获奖报告就是关于磁重联拓扑理论的。与Eugene Parker教授一样,更可贵的是他对科学真理的不懈追求。记得他说过:他那些关于三维磁重联基本理论的文章送出去以后,每次一开始都被Referee们打了回来。提起这件往事他开玩笑说:每次rejected,他就再送。次数多了,那些人也tired了,就让他发了。同Parker教授一样,他也说:越是真正的有科学思想的文章,越容易被rejected;反而是一些平庸的文章容易发表。你们年轻人不要怕文章给人家rejected,要keep trying

 

把这句话转述给刚开始自己career的年轻人。

磁重联漫谈(4):Sweet-Parker模型

已有 3677 次阅读 2009-9-8 20:56 |个人分类:学海无涯|系统分类:科研笔记

Giovanelli的理论只是一个定性的、初步的想法。而要解决物理问题,需要定量的研究。最早试图定量研究磁重联的模型应该是1957年提出的Sweet-Parker模型。

 

这个模型应该被称为磁重联的“一维”模型:因为假设了在等离子体携带磁力线进入“扩散区”的方向(“入流”方向,通常选作为x-方向)上的特征尺度远远小于磁力线重联以后携带等离子体离开“扩散区”的方向(“出流”方向,通常选作为y-方向)的特征尺度。至于另外一个方向(z-方向),我们可以称之为“transparent”方向。也就是说,这个方向上的特征尺度更长,所以可以看成是“透明”的,即任何一个z=常数的横截面都应该是相同的——完全忽略了沿着这个方向的变化。

 

可能有人会问:忽略了z-方向上的变化,那应该是二维模型呀?不错,是二维的。但是因为“出流”方向(y-方向)的变化也是大尺度的,我们在实际的计算中只考虑了这个尺度特征尺度,而没有计入具体的空间变化形式。

 

这个模型的物理图像是这样的:如果在等离子体中存在一个沿着z-方向的“电流片”,那么电流的方向显然可以看成“transparent”方向。既然是“片”其宽度一定远远大于厚度。于是我们又可以简化其在宽度方向的变化。如果其厚度很薄,在流体近似下可以忽略,那我们就有了电流奇异性(current singularity),而这个奇异性正是Sweet-Parker模型的关键(不过,这一点人们在三十多年后才认识到)。

 

显然,电流片两侧的磁场是反向的。如果这些反向的磁力线因为外界的驱动或者磁场自身的自由能而相互“靠拢”(merging)。磁重联就发生了。Sweet-Parker模型假设电流片外的物理过程是“稳态”的(steady state),dF/dt = 0 —— 这里和后面d/dt, d/dx都应该是偏导数,可惜没有相应的符号。那么磁通量的变化率(单位时间流入电流区的磁通)应该等于vx dF/dx,这里vx显然是等离子体“入流”的速度,这里的F是磁通。在模型的二维几何下,某一点的磁通定义为:从该点到原点连一条截线,通过这条截线的磁力线根数。根据这个定义,我们有:vx dF/dx = vxBy。这在物理上很明显:就是单位时间在x-方向被带进电流片区的沿着y-方向的磁力线的根数!

 

这就是Sweet-Parker模型的“外区解”(outer region solution),再简单不过!

 

那么,电流片内呢?

 

因为电流片很薄,两边的磁力线merging,所以电流片内vx趋近于零!磁通的变化只有dF/dt这一项。从磁感应方程,DF/Dt = dF/dt = hJ = hBy/D。这里D/Dt用来表示全导数,h是电阻率,J是电流密度,D是电流片的半厚度。后面两个等号前面应该还有常数,为简单起见我们把它们无量纲化了。这个方程就是Ohm定律:电场等于电阻乘电流——因为磁通F显然就是磁场的矢势的z分量,其时间微分就是没有静电分量的电场(差一个光速因子),又是再简单不过!关键点在于把电流Jz= dBy/dx(无量纲化了前面的常数因子)简化成By/D。这很明显:横跨电流片DBy/Dx=2By/2DD趋向零就等于dBy/dx

 

另一个关键点是将“内区解”(inner region solution)的磁通变化率DF/Dt = hBy/D与“外区解”的磁通变化率DF/Dt = vxBy相“匹配”(matching),得到电流片的半宽度Dh /vx

 

这是Sweet-Parker模型的神来之笔!就这么一个等号,可以写整整一厚本数学书,名字叫:《渐进方法》(Asymptotic Methods)。具体到这里,用的是“边界层”理论(boundary layer theory)。当然,这么“匹配”会有人不同意的。更严格的理论是在60年代中期发展的。而Sweet-Parker模型真正适用的非线性电阻磁重联理论里,严格的理论一直就没有发展!!(有志气的年轻人不妨做一做。)可是数值模拟和实验研究都证明了这个简单模型的正确!Amazing

 

再下面的就是简单的不可压缩性:vxLy= vyD。这里Ly就是电流片宽度方向的特征尺度,vy则是“出流”的速度(物理上可以证明等于当地的Alfven速度)。带入Dh /vx,我们得到Sweet-Parker模型最重要的结论:磁重联的速率(磁力线进入电流片即“扩散区”的速率)

 

              vxDh 1/2

 

这个结果,虽然屡受挑战,但在电阻磁重联理论中“独领风骚”的地位至今难以动摇。

 

这再次告诉我们:只要抓住了关键,就可以用最简单的模型(这个模型仅仅是个一维模型——另一维的info仅仅是在不可压缩性里引入了一个尺度Ly)得到最重要的结果。

 

我们常说:某个工作有“物理”。这就是“物理”!

 

这个模型是1957Sweet在一次会议上提出的几何模型和设想(会议文集1958年发表);同年Parker(就是提出“太阳风”理论的那位)在JGR上发表了第一篇有上述推导过程的论文。

 

当然,这个模型仅仅是一个“半定量”的“scaling”模型。“严格”的理论是后来才发展起来的。

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Prepare for space weather DOOMSDAY’ Barack Obama’s stark warning to the world

US president Barack Obama has warned of an apocalyptic solar storm that could WIPE OUT life as we know it.

http://www.dailystar.co.uk/news/latest-news/554254/barack-obama-space-weather-warning-doomsday

By Joshua Nevett / Published 17th October 2016

GETTY

WARNING: Barack Obama has warned of catastrophic space weather heading to Earth

American commander-in-chief Obama fears catastrophic “space weather” events – including solar flares, solar energetic particles and geomagnetic disturbances – could pummel humanity into submission.

Solar storms, caused by eruptions on the sun’s surface, send deadly solar particles hurtling towards Earth.

At high altitudes, such as those encountered by commercial flights and space stations, these cosmic rays could be killer.

Experts believe a big enough flare could wipe out satellites and power lines, bringing an end to modern civilisation as we know it as electronic devices are rendered useless.

Space weatherGETTYHOT: Solar flares are caused by eruptions on the sun’s surface

Obama issued the stark warning in an executive order calling on his government to come up with a plan to deal with devastating space weather.

In the document he writes: “Extreme space weather events – those that could significantly degrade critical infrastructure – could disable large portions of the electrical power grid, resulting in cascading failures that would affect key services such as water supply, healthcare, and transportation.

“Space weather has the potential to simultaneously affect and disrupt health and safety across entire continents.

“Successfully preparing for space weather events is an all-of-nation endeavor that requires partnerships across governments, emergency managers, academia, the media, the insurance industry, non-profits, and the private sector.”

Space weatherGETTYKILLER: Solar flares bring lethal cosmic rays to Earth

“Space weather has the potential to simultaneously affect and disrupt health and safety across entire continents.”

Barack Obama

Obama has given several government agencies just six months to come up with a plan to predict and prevent these solar events.

As part of the plan, NASA has been tasked with creating a research program to “understand the sun and its interactions with Earth and the solar system”.

It comes after the US National Oceanic and Atmospheric Administration warned of a monster solar flare heading towards Earth last week.

Cosmic rays are potentially lethal in high quantities.Prolonged exposure to solar radiation can cause cancer and other chronic diseases in the most extreme cases.

Ben Davidson, founder of natural disaster monitor Observatory Project, told Daily Star Online solar storms can even trigger earthquakes in extreme cases.

He said that peer reviewed studies show monster earthquakes are more likely to happen when solar winds from the sun are at their strongest.

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